鋁酸鈉和硅鋁酸鈉溶液的結構和物理化學性質研究.pdf

1、由于堿法生產氧化鋁的過程中，硅鋁酸鈉溶液中硅鋁化物的存在狀態(tài)及其間的相互作用關系到各種工序的運行。研究硅鋁酸鈉溶液結構和物理化學性質對于氧化鋁生產有重要意義。為此本研究應用紅外光譜、Raman光譜分析，結合物理化學測試，系統(tǒng)地研究了濃度、摩爾比對鋁酸鈉和硅鋁酸鈉溶液的結構和物理化學性質的影響，以及硅對中等濃度鋁酸鈉溶液結構性質和物理化學性質的影響。研究結果如下： 1)摩爾比為1.45、氧化鋁的濃度低于100g/L時主要以Al(O

2、H)4-為主，氧化鋁的濃度高于100g/L時既存在Al(OH)4-，也存在Al-O-Al二聚離子。濃度對Raman光譜主峰的散射光強度有較大影響。堿濃度不變時，摩爾比越大，鋁酸鈉溶液紅外光譜峰出現(xiàn)少，其結構較簡單，鋁酸根離子主要以Al(OH)4-的形式存在；摩爾比越小，出現(xiàn)的紅外光譜峰多，其結構較復雜。 2)ak=1.55，中等濃度的鋁酸鈉溶液隨著SiO2含量的增加Al-O-Si鍵增多，最后Al-O-Si的振動峰取代了Al-O-

3、Al振動峰。這表明Al-O-Si鍵更容易生成。由此推斷，含硅鋁酸鈉溶液中存在著Al-O-Al和Al-O-Si、Si-O-Si鍵連接的網(wǎng)絡狀大陰離子和Al-O-H…O-Al氫鍵結構。并且隨著Al2O3和SiO2的濃度增大網(wǎng)絡狀陰離子變多、變大。所以含硅鋁酸鈉溶液是無機高分子溶液。 3)應用溶液的濁度測定和觀察溶液的丁達爾現(xiàn)象確定：在稀的鋁酸鈉溶液中存在密集結構的納米基元。這種納米基元有可能是由Keggin離子構成的。4)中等濃度和

4、濃度較高鋁酸鈉溶液(拜爾溶液)中存在各種鋁離子的有較差光散射行為。丁達爾現(xiàn)象實驗也說明在拜爾溶液中鋁酸根離子的尺寸還是在溶液的大小范圍。 5)濁度測定和丁達爾實驗說明在中等濃度硅鋁酸鈉溶液中存在類似Al13的高密度的Keggin離子。這種高密度的離子是由Al-O-Al和各種Al-O-Si構成的大分子結構的聚合物，在摩爾比為1.45左右中等濃度硅鋁酸鈉溶液中，隨硅量增加，這種密集結構大分子的濃度增加，Al-O-Al和Al-O-Si

5、構成的大體積的硅鋁酸根陰離子群進一步聚合、形成納米尺度的基元。在中等濃度的鋁酸鈉溶液當硅的含量低時，溶液中仍然以鋁硅四面體的單聚、雙聚結構以及它們的部分溶劑化的離子為主，散射光弱。 6)系統(tǒng)地研究了溶液的物理化學性質如：表面張力、粘度等性質與溶液組成、結構性質的變化關系。溫度在30～75℃，ak在1.50～3.4范圍，鋁酸鈉溶液的表面張力與溫度成反比關系；鋁酸鈉溶液中氧化鋁的濃度一定，溫度一定，摩爾比在1.52到3.4的范圍內，

6、其表面張力隨摩爾比增加而增加；溫度不變，摩爾比相同，鋁酸鈉溶液的氧化鋁的濃度在1.73M到4.00M的范圍內，表面張力隨氧化鋁濃度的增加而增加；硅的存在使鋁酸鈉溶液的表面張力增加，并且在硅含量為0到0.07M時，隨硅含量的增加鋁酸鈉溶液的表面張力也增加。 中等濃度以上鋁酸鈉溶液，隨摩爾比的增加在紅外光譜中鋁氧橋Al-O-Al峰減弱至消失；Al(OH)4-峰強減弱。在高摩爾比、高濃度的鋁酸鈉溶液中存在以Al(OH)63-和Al(O

7、H)4-為主體的由氫鍵相連的締合物，這種締合物對溫度敏感，溫度升高時解離，在紅外光譜圖上無特征峰。鋁酸鈉溶液在低溫時的粘度大幅度增加，而在溫度較高時增加的幅度不大，溫度界限為70℃左右.其粘度不僅與鋁酸根離子存在的形式有關，還與鋁酸根周圍OH-的濃度、及其相互作用有關。 鋁酸鈉溶液的粘度活化能隨氧化鋁濃度和氧化鈉濃度的增加而增加，并且基本為線性關系。氧化鈉濃度比氧化鋁濃度對粘度活化能的影響要大。硅的加入，改變了鋁酸鈉溶液的粘度活

8、化能。 7)通過建立二次回歸正交設計模型，得到鋁酸鈉溶液的表面張力、密度與溶液組成和溫度的回歸方程為σ=105.75-0.0326ρ(Na2O)-0.1313ρ(Al2O3)-0.1800t+0.0008878ρ(Na2O)ρ(Al2O3)ρ=0.7521+0.002986ρ(Na2O)+0.001127ρ(Al2O3)-0.0004593t-0.000003624ρ2(Na2O)CP=4.390-0.00429ρ(Na2O)-