氫氧化鋁結(jié)晶行為及其晶體微觀疊合的理論研究.pdf

1、目前，國內(nèi)研究者對砂狀氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的研究工作大多集中在考察工藝條件對氧化鋁強度的影響，較少見對鋁酸鈉溶液分解過程各階段氫氧化鋁晶體形成與結(jié)構(gòu)演變規(guī)律的研究。工藝研究固然與工業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)，但如果沒有從本質(zhì)上尋找到影響氧化鋁強度的主要因素，就很難實現(xiàn)性質(zhì)穩(wěn)定的砂狀氧化鋁產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。 基于氧化鋁生產(chǎn)中對產(chǎn)品強度的實際需要，作為本研究組對“氫氧化鋁晶體疊合和氧化鋁產(chǎn)品強度關(guān)系”系列研究工作的一部分，本工作對氫氧化鋁晶體的結(jié)晶行為及其

2、微觀疊合機制進行了系統(tǒng)的理論研究。 首先，對晶體附聚、長大和種分過程中的氫氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu)進行了實驗研究，分析了種分氫氧化鋁焙燒產(chǎn)物氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu)及不同氧化鋁生產(chǎn)工藝條件下，氧化鋁產(chǎn)品的品質(zhì)特點及其顯微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，探討了氧化鋁產(chǎn)品強度與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。提出對于氫氧化鋁(氧化鋁)晶體結(jié)構(gòu)演變與強度關(guān)系問題的研究，可以引入理論計算方法，采用實驗與理論研究相結(jié)合的研究手段。 然后，用量子化學(xué)方法，對氫氧化鋁晶體性質(zhì)進行了理

3、論研究，分別計算了氫氧化鋁(gibbsite、bayerite、nordstrandite)晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，以及Al<,2>O<,3>·3H<,2>O、Al(OH)<,4><'->、Al(OH)<,6><'3->、Al(OH)<,4>(H<,2>O)<,2><'->。等的熱力學(xué)性質(zhì)；用理論計算手段預(yù)測了壓強對氫氧化鋁(gibbsite)性質(zhì)的影響規(guī)律。將理論計算結(jié)果與目前可查的相關(guān)文獻數(shù)據(jù)及實驗事實進行了比較分析，充

4、分證明了本工作所用理論研究方法的可行性與可靠性。 針對氫氧化鋁有利生長基元Al<,6>(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>及生長基元間的疊合進行了理論研究。明確了生長基元Al<,6>(OH)<,18><(H<,2>O)<,6>的最可能形態(tài)為六角平板狀，確定了生長基元的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)及形成氫氧化鋁晶核所需有利生長基元的數(shù)目；發(fā)現(xiàn)在生長基元Al<,6>(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>的“雙體”疊合方式中，“正面”疊合方

5、式的分子間結(jié)合相對最為牢固；在[Al<,6>(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>]<,n>(n=3，4，5，6，7，8)基元疊合體系中，“正面型”較“側(cè)棱型"體系分子間作用力更大，由此確定了氫氧化鋁有利生長基元疊合方式與基元團結(jié)合強度關(guān)系的規(guī)律。 研究了有利生長基元Al<,6>(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>長大形成氫氧化鋁(gibbsite)晶核的微觀機制，認為大數(shù)量的生長基元Al<,6>(OH)<,18>(H

6、<,2>O)<,6>以“側(cè)棱”．“側(cè)棱”和“正面”-“正面”方式進行疊合，疊合時以Al<,6><(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>為結(jié)構(gòu)基元的空間點陣受氫氧化鋁(gibbsite)晶體點陣約束，最終通過脫水、縮合結(jié)合成有效晶核，從理論上明確了氫氧化鋁結(jié)晶過程的微觀機制。 用CASTEP程序計算了氫氧化鋁(gibbsite)晶體各表面性質(zhì)，研究了晶體各表面的穩(wěn)定性、表面鍵力及表面活性特征等。研究表明：長大后的氫氧化鋁 (g

7、ibbsite)晶體，(001)、(101)和(100)面為主要顯露面時的能量狀態(tài)較為穩(wěn)定，若(010)面顯露較多則穩(wěn)定性較差；氫氧化鋁(gibbsite)(001)面slab的前線價電子較為活躍，其晶面可能存在“活性點”；氫氧化鋁(gibbsite)(001)面的．AI-O 鍵間的結(jié)合力不強，(011)和(110)面的Al-O鍵的平均鍵布居數(shù)較高，結(jié)合力較大。若一定程度地減少(001)面的顯露比例，并使(110)和(011)面較多顯露

8、，有可能提高氫氧化鋁(gibbsite)表面Al-O鍵的結(jié)合力。理論上得到了氫氧化鋁晶體晶面顯露特征與氫氧化鋁表面化學(xué)鍵力關(guān)系的規(guī)律。 分析了生產(chǎn)廠家產(chǎn)品氧化鋁的電鏡照片及對應(yīng)產(chǎn)品的磨損指數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品強度與其微觀結(jié)構(gòu)特征有關(guān)：氧化鋁(110)面顯露比例降低將會降低產(chǎn)品強度。砂狀氧化鋁的生產(chǎn)工藝不同，氫氧化鋁產(chǎn)品的外部形貌結(jié)構(gòu)及晶面顯露特征則不同。采用精液分流工藝，產(chǎn)品氫氧化鋁的顆粒間粘合緊密且表面規(guī)整，(110)面明顯顯露，氫氧

9、化鋁焙燒后所得氧化鋁的強度高。表明在實際生產(chǎn)中通過工藝條件的控制，使產(chǎn)品形貌符合高強度產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，可望達到控制產(chǎn)品強度的目的。確定了由量子化學(xué)計算所得氫氧化鋁(gibbsite)晶體各表面性質(zhì)特征與實際氫氧化鋁(氧化鋁)強度及其生產(chǎn)工藝的相關(guān)性。 最后，就氫氧化鋁(gibbsite)晶體長大及生長習(xí)性問題進行了理論分析與計算。分析討論了氫氧化鋁晶體的徑向長大和附聚長大的機制及疊合方式模型；對氫氧化鋁(gibbsite)及其各

10、表面slab模型進行了平衡形態(tài)計算，計算結(jié)果與實驗事實相當(dāng)吻合，對各顯露面族均有很好的預(yù)測，表明平衡形態(tài)法是研究晶體生長形態(tài)的可行的理論研究方法。各研究體系晶體生長習(xí)性的計算結(jié)果表明，氫氧化鋁 (gibbsite)3×4×2超晶胞趨向于生長為準六棱柱或厚的準六角板狀晶體；(001)、(100)、(010)面slab趨向于生長為楔板狀晶體；(110)、(101)和(112)面slab則趨向于生長為較細長的棒狀晶體；(011)面slab可能

11、生長為較薄的片狀晶體。理論生長習(xí)性計算結(jié)果解釋了實際氫氧化鋁晶粒形態(tài)多樣性的特征。 通過上述系列研究工作，從實驗上分析了種分氫氧化鋁焙燒產(chǎn)物氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu)及不同氧化鋁生產(chǎn)工藝條件下，氧化鋁產(chǎn)品的品質(zhì)特點及其顯微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律；從理論上明確了氫氧化鋁有利生長基元Al<,6>(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>形成氫氧化鋁(gibbsite)晶核的可能機制；從晶體生長習(xí)性角度闡明了氫氧化鋁晶核為何會生成形態(tài)多變的晶體：探討了氫