鋁酸鈉和硅鋁酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、由于堿法生產(chǎn)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(guān)系到各種工序的運(yùn)行。研究硅鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)對于氧化鋁生產(chǎn)有重要意義。為此本研究應(yīng)用紅外光譜、Raman光譜分析，結(jié)合物理化學(xué)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(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的影響，以及硅對中等濃度鋁酸鈉溶液結(jié)構(gòu)性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(luò)狀大陰離子和Al-O-H…O-Al氫鍵結(jié)構(gòu)。并且隨著Al2O3和SiO2的濃度增大網(wǎng)絡(luò)狀陰離子變多、變大。所以含硅鋁酸鈉溶液是無機(jī)高分子溶液。 3)應(yīng)用溶液的濁度測定和觀察溶液的丁達(dá)爾現(xiàn)象確定：在稀的鋁酸鈉溶液中存在密集結(jié)構(gòu)的納米基元。這種納米基元有可能是由Keggin離子構(gòu)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(dá)爾現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)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(dá)爾實(shí)驗(yàn)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(gòu)成的大分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大分子的濃度增加，Al-O-Al和Al-O-Si

5、構(gòu)成的大體積的硅鋁酸根陰離子群進(jìn)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(dāng)硅的含量低時，溶液中仍然以鋁硅四面體的單聚、雙聚結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)如：表面張力、粘度等性質(zhì)與溶液組成、結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化關(guān)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(guān)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(nèi)，

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(nèi)，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(qiáng)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(guān)，還與鋁酸根周圍OH-的濃度、及其相互作用有關(guān)。 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(guān)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(shè)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)-