过饱和铝酸钠溶液种分强化及添加剂分子设计

论文摘要

铝酸钠溶液种分过程是整个氧化铝生产过程最重要的工序之一。提高溶液的分解速率,获得粒度分布均匀、强度高的氢氧化铝产品是氧化铝生产工作者孜孜以求的目标。本文采用活化晶种、有机添加剂等方法强化铝酸钠溶液的晶种分解与附聚,着重探讨了氢氧化铝结晶过程的强化机制,为强化铝酸钠溶液的晶种分解研究提供了新的思路和方法。本文以研究铝酸钠溶液晶种分解过程为基础,结合激光粒度分析、红外（IR）、27Al NMR、27Al MAS NMR、XRD、SEM等分析测试手段以及量化计算方法,研究了活性晶种的效能及作用机制;考察了具有笼状结构的15-冠-5-醚的强化作用机制;系统研究了添加剂官能团电荷结构、空间结构对其强化铝酸钠溶液分解能力的影响;研究了油酸等油性添加剂强化附聚的效能与机制;提出了颗粒达到临界附聚条件的临界时间模型;从实验和计算两方面论证了使用添加剂控制氢氧化铝形貌的可行性;采用27Al MAS NMR、分子探针方法对铝酸钠溶液的分解过程进行了跟踪和分析;主要依据本文研究结果,归纳了添加剂设计的一般规则。具体研究结果如下:1.采用蒸馏水蒸煮方法对工业级氢氧化铝晶种进行了活化。发现活化晶种能明显提高溶液的分解速率。在种分附聚实验中,溶液分解率在10 h内最高可提高5.0%左右;种分全过程中（60 h）,提高分解率4.0%左右。晶种被活化的机理是封闭晶种活性点的有机物解吸,从而使显露的活性点增多。2.研究了笼状分子结构的15-冠-5-醚对铝酸钠溶液分解过程的影响。发现其促进了铝酸钠溶液的晶种分解,降低了铝酸钠溶液的稳定性,强化了成核过程。铝酸钠溶液的27AlNMR峰宽随15-冠-5-醚的增大而增加。冠醚可能的作用机理:与钠离子配合,促进了铝酸根离子的缔合以及铝酸根离子的网状结构的形成。3.系统研究了添加剂官能团电荷结构、空间结构对其性能的影响。发现四碳链添加剂1-丁醇,1,4-二氧六环和四氢呋喃提高铝酸钠溶液晶种分解速率的能力与分子中官能团上氧原子净电荷数成负相关关系;浓度较高的乙二醇降低了溶液的分解速率,而空间位阻更大的乙二醇一乙醚则能提高分解速率。4.研究了一系列油性添加剂对附聚过程的影响。发现低浓度的油酸在较高温度下能极大地促进晶种附聚;中等浓度的塔尔油对附聚的强化作用明显;塔尔油与十二醇按一定的配比和浓度添加,可得到分解率高、附聚度好的产品。提出了临界附聚时间概念,并结合铝酸钠溶液种分动力学分形特征,得出晶体颗粒达到临界附聚状态所需时间的定积分模型如下:5.提出并证实了使用添加剂控制氢氧化铝晶体形貌的设想。种分实验结果显示,油酸使种分产品gibbsite晶体（001）面簇显露面积增大;均相成核实验结果表明,十八醇、油酸和十八酸均能明显影响晶体的形貌。油酸与gibbsite晶面相互作用的理论计算结果表明,油酸以一定的方式吸附在晶种（001）面,抑制了附聚,但是使（001）面顽强显露;油酸在（100）面以一定的方式吸附则促进了附聚。6.采用27Al MAS NMR,分子探针方法、理论计算等方法对铝酸钠溶液的分解过程进行了跟踪和分析。首次发现、证明了某些醇类化合物（1,2-辛二醇）能够通过改变溶液结构的方式抑制铝酸钠溶液的分解;发现铝酸根离子的分解、构型转化过程主要在本体溶液（固-液界面）中完成;发现空间结构匹配、电荷结构适当的多元醇能够牢固地吸附在晶种表面,抑制生长基元在晶种表面的析出。7.主要依据本文的研究结果,分别归纳出了结晶强化型、附聚强化型添加剂分子设计一般规则,指出结晶强化型添加剂分子设计可从降低溶液的稳定性和改善固-液界面性质两个基本方面入手;附聚强化型添加剂分子设计则应该重点围绕高分子聚合物与油性添加剂这两类物质展开。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 溶液中Al（Ⅲ）的存在形态
• 1.3 含铝组元的相互转化
• 1.4 氢氧化铝的析出机理
• 1.4.1 经典的晶体生长模型
• 1.4.2 氢氧化铝的析出机理
• 1.5 铝酸钠溶液的晶种分解强化
• 1.5.1 活化晶种强化铝酸钠溶液分解
• 1.5.2 物理方法强化铝酸钠溶液分解
• 1.5.3 添加剂强化铝酸钠溶液分解
• 1.6 铝酸钠溶液的种分附聚过程强化
• 1.6.1 优化工艺参数强化附聚
• 1.6.2 添加剂强化附聚
• 1.7 氧化铝强度的研究现状
• 1.7.1 氧化铝强度的衡量标准
• 1.7.2 氧化铝强度与显微结构的关系
• 1.7.3 提高氧化铝强度的途径
• 1.8 添加剂的分子设计
• 1.9 本课题的提出
• 第二章 研究方法及表征手段
• 2.1 前言
• 2.2 实验试剂与仪器设备
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 主要仪器设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 种分实验
• 2.3.2 均相成核实验
• 2.3.3 标准溶液的配制
• 2.3.4 量化计算
• 2.3.5 分析、表征方法
• 第三章 活化晶种对铝酸钠溶液种分过程的强化
• 3.1 前言
• 3.2 实验方法及步骤
• 3.2.1 活性晶种的制备
• 3.2.2 溶液的晶种分解
• 3.3 活化晶种对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响
• 3.3.1 晶种活化时间对铝酸钠溶液分解率的影响
• 3.3.2 晶种活化机理
• 3.3.3 活化晶种对产品粒度分布以及附聚过程的影响
• 3.4 活化晶种对铝酸钠溶液种分全过程的影响
• 3.4.1 活化晶种对铝酸钠溶液分解率的影响
• 3.4.2 活化晶种对产品粒度分布的影响
• 3.4.3 活化晶种对二次成核的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 醇醚类添加剂对铝酸钠溶液种分速率的影响
• 4.1 前言
• 4.2 添加剂分子的选择
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 过饱和铝酸钠溶液以及晶种的制备
• 4.3.2 实验装置
• 4.3.3 实验方法
• 4.3.4 主要试剂
• 4.4 冠醚对铝酸钠溶液晶种分解的影响
• 4.4.1 实验条件
• 4.4.2 冠醚对分解率的影响
• 4.4.3 冠醚作用机制探讨
• 4.4.4 冠醚对产品粒度分布的影响
• 4.4.5 冠醚作用下氢氧化铝的形貌
• 4.4.6 活化晶种与冠醚的共同强化作用
• 4.5 短碳链醇醚对铝酸钠溶液晶种分解的影响
• 4.5.1 实验条件
• 4.5.2 添加剂分子结构优化
• 4.5.3 短碳链醇醚对溶液分解率的影响
• 4.5.4 短碳链醇醚类添加剂对产品粒度分布、附聚的影响
• 4.6 乙二醇及其衍生物对铝酸钠溶液晶种分解的影响
• 4.6.1 实验条件
• 4.6.2 添加剂对溶液分解率的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 有机添加剂对种分附聚过程的强化
• 5.1 前言
• 5.2 添加剂分子的选择
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 过饱和铝酸钠溶液以及晶种的制备
• 5.3.2 实验装置
• 5.3.3 实验方法
• 5.3.4 主要试剂
• 5.4 油性添加剂对附聚的强化作用
• 5.4.1 附聚的判定
• 5.4.2 油酸对附聚的强化作用
• 5.4.3 塔尔油及其混合物对附聚的强化作用
• 5.5 油性添加剂强化附聚过程的途径
• 5.6 附聚过程的周期振荡现象解析
• 5.6.1 附聚过程的周期振荡现象
• 5.6.2 附聚的临界条件
• 5.6.3 晶种表面的分形与结晶动力学
• 5.6.4 附聚过程的周期性振荡解析
• 5.7 本章小结
• 第六章 添加剂对氢氧化铝形貌影响的理论研究
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 过饱和铝酸钠溶液以及晶种的制备
• 6.2.2 实验装置
• 6.2.3 实验方法
• 6.2.4 主要试剂及规格
• 6.3 有机添加剂对种分产品形貌的影响
• 6.3.1 实验条件
• 6.3.2 有机添加剂对种分产品形貌的影响
• 6.4 有机添加剂对均相成核晶体形貌的影响
• 6.4.1 实验条件及步骤
• 6.4.2 均相成核西gibbsite晶体形貌特点
• 6.4.3 添加剂官能团对均相成核gibbsite晶体形貌的影响
• 6.4.4 添加剂官能团影响gibbsite晶体形貌的方式
• 6.5 添加剂分子与Gibbsite晶体表面作用的理论研究
• 6.5.1 模型的建立和计算方法
• 6.5.2 油酸与氢氧化铝（001）面的作用
• 6.5.3 油酸与氢氧化铝（100）面的作用
• 6.6 本章小结
• 第七章 铝酸钠溶液分解机制及添加剂的分子设计
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 铝酸根离子的构型转化实验
• 7.2.2 铝酸钠溶液的晶种分解实验
• 7.3 铝酸根离子构型转化
• 7.3.1 铝酸钠溶液水解条件的确定
• 7.3.2 IR以及XRD分析
• 27Al MAS NMR分析'>7.3.3²⁷Al MAS NMR分析
• 7.3.4 铝酸根离子构型转化分析
• 7.4 探针分子作用下铝酸钠溶液分解机制
• 7.4.1 探针分子对铝酸钠溶液种分过程的扰动作用
• 7.4.2 甘露醇与1,2-辛二醇作用机制的比较
• 7.4.3 甘露醇、肌醇作用方式探讨
• 7.5 铝酸钠溶液分解基本过程的控制
• 7.6 添加剂分子的设计
• 7.6.1 结晶强化型添加剂分子设计
• 7.6.2 附聚强化型添加剂分子设计
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间主要的研究成果