直接水解法生产高纯氧化铝工艺研究

昝 超，唐发满，李增荣，李积升

（1.中国五矿集团 盐湖有限公司，青海 西宁 810001；2.中国科学院 青海盐湖研究所，青海 西宁 810008）

高纯氧化铝（纯度≥99.995%）具有普通氧化铝无法比拟的光[1]、电、磁、热和机械性能，在高技术新材料领域[2]和现代化工业[3]中有着广泛应用，主要用作LED 用蓝宝石基底[4]、人工晶体[5]、锂电池隔膜涂层、三基色荧光粉、等离子体显示材料、长余辉荧光粉、高压钠灯的透明氧化铝陶瓷管[6]、高精度研磨材料[7]及人工关节和骨骼、红外吸收和发热粉等高技术新材料领域最为关键的基础材料。高纯氧化铝已成为先进无机非金属材料中的一大重要分支[8]，根据应用领域和技术难度的不同，将高纯纳米氧化铝的各细分市场分为低端、中端、高端3 个领域。低端：集成电路基板、荧光粉用高纯氧化铝等；中端：LED 衬底用高纯氧化铝；高端：锂电池陶瓷隔膜用高纯氧化铝。低端的特点在于对高纯氧化铝的纯度和粒度要求不高；中端的特点在于对纯度要求高、而粒度要求不高；高端的特点在于对纯度和粒度均有严格要求。

1 生产工艺介绍

氧化铝的存在形态主要有α、β、γ、θ 和δ。主要是由煅烧的温度不同而显示出不同的晶型[9-11]，其中α-Al2O3为在1450℃时煅烧的产物。因而α-Al2O3具备了熔点高、硬度大、机械性能强和化学性能良好等性质[12]，经常作为稳定相或参比物。

目前，国内生产高纯氧化铝的主流技术有：热解法、气相合成法、水解法、改良拜耳法。

1.1 硫酸铝铵热解法

硫酸铝铵热解法，是将已精制的Al2（SO4）3和（NH4）2SO4进行充分混合[13]，得到硫酸铝铵晶体，再通过控制硫酸铝铵的结晶过程，使硫酸铝铵的纯度得到提高。最后将晶体放在1200℃的马弗炉中进行焙烧，得到α-Al2O3。

硫酸铝铵热解法生产高纯氧化铝成本相对较低、工艺最简单、投资最少，但是生产周期长，受原料性质的影响较大，不可控因素较多，存在热溶解现象，产品纯度低，不能满足高端领域的应用要求。

1.2 碳酸铝铵热解法

碳酸铝铵热解法[14]采用Al2（SO4）3和NH4HCO3为原料，该工艺生产周期长，增加了生产成本。该方法主要生产99.99%的氧化铝。

1.3 AlCl3 的气相合成法

AlCl3的气相合成制备高纯氧化铝[15,16]，当AlCl3在催化剂的作用下，气相合成AlOxCly（OH）z，该产物经过1400℃烧结后得到高纯氧化铝。

1.4 高纯铝直接水解法

利用催化剂，对活性铝粉箔（粉）和水进行溶解反应后，形成Al（OH）3后进行1450℃高温煅烧，获得α-Al2O3。该新技术具有纯度高、粒径小、无污染、成本低等优点。

1.5 改良拜耳法

天然铝土矿经冶金方法制备“普通氧化铝”，再把氧化铝的纯度提高到3N，均称为改良拜耳法[17,18]。经过脱杂质后，得到高纯Al（OH）3，煅烧后得到α-Al2O3。

1.6 醇铝水解法

醇铝水解法，醇类（异丙醇）[19,20]和铝粉在催化作用下生成醇铝溶液，再经过水解，可生成Al（OH）3，高温烧结Al（OH）3可得到高纯α-Al2O3。

2 工艺比选

对国内生产高纯氧化铝企业的几种工艺技术方案的原理及其优、缺点和成本进行了比较，结果见表1。

表1 国内生产高纯氧化铝的主要工艺对比分析Tab.1 Comparison and analysis of main processes for producing high purity alumina in China

由表1 可见，经过6 种高纯氧化铝的生产工艺比选，高纯铝直接水解法具有工艺简单、环境友好型、成本低的优点，适应可持续发展理念，因此，该工艺产业化前景良好。

3 工艺流程简介

铝水直接水解法工艺过程主要由高纯铝经过中频炉熔化和急冷雾化装置喷雾制成铝粉，铝粉与水在合成釜中发生反应，生成Al（OH）3和H2；Al（OH）3浆液通过过滤机分离得到滤饼，滤液加以回收利用；滤饼经过800℃焙烧得到γ-Al2O3，再经过气流粉碎得到γ -Al2O3超细粉体；γ -Al2O3超细粉体经过1200℃焙烧得到α-Al2O3粉体；α-Al2O3粉体再经过湿法研磨分散、喷雾干燥、气流粉碎便得到高纯超细α-Al2O3粉体。

图1 直接水解法生产高纯氧化铝工艺流程Fig.1 Process flow of direct hydrolysis to produce high purity alumina

4 结论

直接水解法生产高纯氧化铝的技术关键：

（1）铝的纯度直接影响高纯氧化铝品质，因此，选择高纯度的铝或对铝进行提纯，来降低生产成本。

（2）铝粉在水中水解后，会形成Fe（OH）3、Ni（OH）2、Zr（OH）4等无机物，影响高纯氧化铝的纯度，必须使用高纯水避免金属离子污染。

（3）金属刀将铝块（条）加工成铝粉时可能混入铁离子污染，因此，为避免此现象的发生，尽量使用合金刀。

（4）烧结温度的控制及粉碎装置，制备高纯氧化铝产品的粒度可通过烧结温度进行控制，通过气流粉碎装置来提高产品粒度。

采用直接水解法生产的高纯氧化铝（纯度≥99.995%），该纯度满足国内外许多厂家的需求。该工艺生产的粉体颗粒均匀、细小，已批量生产，受到各国的关注。高纯氧化铝的制备关键之处在于粉体的纯度，而该方法具有绿色环保、无毒和无害的优点。因此，直接水解法制备高纯氧化铝对工业生产具有重要意义。