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(qiáng)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(qiáng)度的主要因素，就很難實(shí)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(qiáng)度的實(shí)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(qiáng)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(jī)制進(jìn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(diǎn)及其顯微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，探討了氧化鋁產(chǎn)品強(qiáng)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(qiáng)度關(guān)系問題的研究，可以引入理論計(jì)算方法，采用實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了理

3、論研究，分別計(jì)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(jì)算手段預(yù)測了壓強(qiáng)對氫氧化鋁(gibbsite)性質(zhì)的影響規(guī)律。將理論計(jì)算結(jié)果與目前可查的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)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(jìn)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(tuán)結(jié)合強(qiáng)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(jī)制，認(rèn)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(jìn)行疊合，疊合時(shí)以Al<,6><(OH)<,18>(H<,2>O)<,6>為結(jié)構(gòu)基元的空間點(diǎn)陣受氫氧化鋁(gibbsite)晶體點(diǎn)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(jī)制。 用CASTEP程序計(jì)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(shí)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(jià)電子較為活躍，其晶面可能存在“活性點(diǎn)”；氫氧化鋁(gibbsite)(001)面的．AI-O 鍵間的結(jié)合力不強(qiáng)，(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(qiáng)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(huì)降低產(chǎn)品強(qiáng)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(qiáng)度高。表明在實(shí)際生產(chǎn)中通過工藝條件的控制，使產(chǎn)品形貌符合高強(qiáng)度產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，可望達(dá)到控制產(chǎn)品強(qiáng)度的目的。確定了由量子化學(xué)計(jì)算所得氫氧化鋁(gibbsite)晶體各表面性質(zhì)特征與實(shí)際氫氧化鋁(氧化鋁)強(qiáng)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(jìn)行了理論分析與計(jì)算。分析討論了氫氧化鋁晶體的徑向長大和附聚長大的機(jī)制及疊合方式模型；對氫氧化鋁(gibbsite)及其各

10、表面slab模型進(jìn)行了平衡形態(tài)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(jì)算結(jié)果表明，氫氧化鋁 (gibbsite)3×4×2超晶胞趨向于生長為準(zhǔn)六棱柱或厚的準(zhǔn)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(xì)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(jì)算結(jié)果解釋了實(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jī)制；從晶體生長習(xí)性角度闡明了氫氧化鋁晶核為何會(huì)生成形態(tài)多變的晶體：探討了氫