氧化鋁和氫氧化鋁實(shí)際上不溶于水,但可溶于酸和堿溶液,是典型的兩性化合物。它們的堿性和酸性都很弱。酸法生產(chǎn)氧化鋁就是用硫酸、鹽酸或硝酸等無機(jī)酸分解鋁礦石,得到相應(yīng)的鋁鹽溶液,然后再得到氫氧化鋁或者氧化鋁。氫氧化鋁同時又是一個很弱的酸,它不溶于氨溶液,但與堿金屬氫氧化物反應(yīng)則生成鋁酸鹽。如溶于氫氧化鈉溶液或與碳酸鈉在高溫下燒結(jié)生成鋁酸鈉,就是用堿法生產(chǎn)氧化鋁所依據(jù)的基本反應(yīng)。

不同形態(tài)的氧化鋁及其水合物在堿和酸溶液中的溶解速度及溶解度是不同的。拜耳石與三水鋁石最易溶,一水軟鋁石次之,一水硬鋁石特別是剛玉則很難溶。剛玉晶格最致密最堅(jiān)固,晶格能最大,化學(xué)活性也最穩(wěn)定,即使在300℃的溫度下與堿和酸溶液的反應(yīng)也極緩慢。γ-Al2O3的化學(xué)活性較強(qiáng),特別是在低溫焙燒所獲得的γ-Al2O3的化學(xué)活性與三水鋁石相近。因此在堿法生產(chǎn)氧化鋁時,鋁土礦中氧化鋁的存在形態(tài)就決定了溶出條件,進(jìn)而在一定程度上影響到能耗、生產(chǎn)成本等指標(biāo)。另外,由于電解鋁生產(chǎn)對作為原料的氧化鋁有化學(xué)活性方面的要求,氫氧化鋁的焙燒條件同樣也很重要,在低溫焙燒的條件下會得到化學(xué)活性好的γ-Al2O3,在高溫焙燒的條件下會得到化學(xué)活性差的α-Al2O3。因此,在氧化鋁生產(chǎn)中要充分注意到不同形態(tài)氧化鋁及其水合物的物理化學(xué)性質(zhì)的不同,根據(jù)鋁土礦資源條件和下游產(chǎn)業(yè)的要求來控制氧化鋁生產(chǎn)的工藝技術(shù)條件。

1.2.3氧化鋁的分類

文獻(xiàn)中關(guān)于氧化鋁變體的報導(dǎo)很多,說法也不一致。根據(jù)晶型劃分,至少有α、β、γ、γ′、δ、ε、ξ、θ、η、χ及ρ等12種之多。許多學(xué)者研究了氧化鋁的多晶型問題,但由于所用原料純度及實(shí)驗(yàn)條件不同得到了不一致的結(jié)果,所用符號也不十分統(tǒng)一,這樣氧化鋁多晶轉(zhuǎn)化問題就顯得格外復(fù)雜。

但也有個別學(xué)者認(rèn)為,在氫氧化鋁煅燒轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3的過程中,過渡相只有γ-Al2O3,其余只是它在不同溫度下結(jié)晶度不同以及晶格中夾雜有雜質(zhì)發(fā)生扭曲畸變的產(chǎn)物。目前普遍認(rèn)為,氧化鋁主要有α型和γ型兩種變體。

根據(jù)其用途不同,氧化鋁被分為兩大類:一類為用作電解鋁原料的氧化鋁,稱為冶金級氧化鋁;另一類用于陶瓷、化工、制藥等領(lǐng)域的非冶金用氧化鋁,稱為特種氧化鋁,也叫化學(xué)品氧化鋁。目前世界上生產(chǎn)的氧化鋁大部分用于電解鋁,而用作其他用途的不到10%,當(dāng)然,化學(xué)品氧化鋁的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展,所占的比重會逐漸加大。

1.2.4氧化鋁的性質(zhì)

在工業(yè)上氧化鋁主要從鋁土礦中提取,目前世界上用拜耳法生產(chǎn)的氧化鋁占總產(chǎn)量的95%以上。純凈的氧化鋁是白色無定形粉末,真密度3.5~3.6g/cm3、容重1g/cm3、熔點(diǎn)2050℃、沸點(diǎn)2980℃,不溶于水,可溶于無機(jī)酸和堿性溶液,由于其結(jié)晶形式不同,溶解于酸、堿溶液中的溶解條件、溶解速度及溶解度也不同。氧化鋁有多種同素異構(gòu)體,常見的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的氧化鋁主要有α型和γ型兩種。

在α-Al2O3的晶格中,氧離子為六方緊密堆積,Al3+對稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心,晶格能很大,故熔點(diǎn)、沸點(diǎn)很高。

γ-Al2O3是氫氧化鋁在140~150℃的低溫環(huán)境下脫水制得,工業(yè)上也叫活性氧化鋁、鋁膠。其結(jié)構(gòu)中氧離子近似為立方面心緊密堆積,Al3+不規(guī)則地分布在由氧離子圍成的八面體和四面體空隙之中。γ型氧化鋁不溶于水,能溶于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液,將它加熱至1200℃就全部轉(zhuǎn)化為α型氧化鋁[4]。

工業(yè)上氫氧化鋁在流態(tài)化焙燒中,一般焙燒溫度控制在1000~1050℃,其焙燒產(chǎn)品就為鋁電解用氧化鋁。

1.2.5電解鋁工業(yè)對氧化鋁的質(zhì)量要求

工業(yè)氧化鋁中通常含有少量的雜質(zhì),如SiO2、Fe2O3、TiO2、Na2O、CaO等。在電解過程中,那些電位正于鋁元素的氧化物雜質(zhì)(如SiO2和Fe2O3等)會被鋁還原,還原出來的Si和Fe進(jìn)入鋁內(nèi),從而使鋁的純度降低;而那些電位負(fù)于鋁元素的氧化物雜質(zhì)(如Na2O和CaO等)會分解冰晶石,使電解質(zhì)成分發(fā)生改變并增加氟化鹽消耗量[5,6]。所以電解鋁工業(yè)對于冶金級氧化鋁的純度提出了嚴(yán)格的要求,例如要求氧化鋁中各種雜質(zhì)的含量應(yīng)符合下列條件:

Na2O〈0.30%,TiO2〈0.002%,ZnO〈0.001%,SiO2〈0.02%,

V205〈0.0005%,CaO〈0.005%,Fe2O3〈0.03%,P2O5〈0.003%。

冶金級氧化鋁的物理性能對于保證電解過程正常進(jìn)行和提高氣體凈化效率關(guān)系甚大。一般要求它能夠較多較快地溶解在熔融的冰晶石里,并且能夠在煙氣凈化裝置里有效地吸收HF氣體。

氧化鋁的物理特性取決于其晶型、粒度和形狀。砂狀氧化鋁顆粒較粗,安息角小(30°~35°),其中γ-Al2O3含量高,具有較大的化學(xué)活性,適于在煙氣干法凈化中用來吸附HF氣體,目前砂狀氧化鋁在電解鋁工業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。面粉狀氧化鋁呈片狀和羽毛狀,顆粒較細(xì),安息角大(>40°),其中α型氧化鋁含量高,化學(xué)活性差。中間狀氧化鋁介于兩者之間[7]。

國際上通行的冶金級氧化鋁質(zhì)量要求如表1-6所示。