硫酸铝晶体热分解行为及分解反应动力学研究

硫酸铝变成氧化铝反应概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在研究和探讨硫酸铝转变为氧化铝的反应过程及其相关实验研究，以及其在工业应用中的意义和对环境的影响。

硫酸铝是一种重要的化学物质，在许多领域都有广泛的应用。

而将硫酸铝转变为氧化铝是一种常见且重要的化学反应。

了解这个反应过程并深入探究其中涉及的机理和条件对于进一步优化工业生产、提高产品质量至关重要。

1.2 文章结构本文主要分为五个部分：引言、反应过程、实验研究和观察结果、工业应用与环境影响以及结论与展望。

下面我们将逐步介绍各个部分所涉及的内容。

1.3 目的本文旨在深入了解硫酸铝转变为氧化铝的反应机制，并通过实验研究和数据分析来支持我们对这一反应过程的认识。

同时，我们还将探讨该反应在工业中广泛使用领域，并对其环境影响进行评估和探讨。

最后，我们将总结研究结果并提出对未来进一步研究的建议和展望。

通过本文的撰写，我们希望能够为该领域的科学研究和工业应用提供有益的参考和指导。

2. 反应过程：2.1 硫酸铝的性质和特点：硫酸铝是一种无机化合物，化学式为Al2(SO4)3。

它是白色结晶体，在常温下易溶于水。

硫酸铝具有较强的酸性，能与碱反应生成盐类和水。

在工业上，硫酸铝广泛用作催化剂、脱胎劑和防腐剂等。

2.2 氧化铝的形成过程：氧化铝是由氧元素（O）和铝元素（Al）组成的化合物，分子式为Al2O3。

氧化铝可以通过多种方式制备，其中一种常见的方法是将硫酸铁（Fe2(SO4)3）与氢氧化钠（NaOH）反应生成沉淀，然后经过热处理产生纯净的氧化铝。

2.3 硫酸铝变成氧化铝的反应机制：当硫酸铟与碱性物质如氢氧化钠反应时，会发生中和反应生成盐类和水。

其中产生了沉淀物可以通过过滤、洗涤等步骤得到纯净的氧化铑。

具体反应机制如下所示：Al2(SO4)3 + 6NaOH →2Al(OH)3↓+ 3Na2SO42Al(OH)3 →Al2O3 + 3H2O在此反应中，硫酸铝（Al2(SO4)3）与氢氧化钠（NaOH）发生反应生成了沉淀物氢氧化铝（Al(OH)3），随后通过加热处理使其分解，得到纯净的氧化铝（Al2O3）。

硫酸铝晶体热分解行为及分解反应动力学研究第23卷第6期2007年12月分子科学JOURNALOFMOU'l『I^R~AENCEV01.23No.6December200r7[文章编号】lOOO-9O35(9.oo7)o6-o38o-o5硫酸铝晶体热分解行为及分解反应动力学研究吴艳,李来时,翟玉春(东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004)[摘要]针对酸法制备氧化铝过程中A12(SO4)3?181-120焙烧分解工艺,通过TG-DTA曲线,研究其分解行为和分解过程的动力学.结果表明:AI2(SO4)3?18H20的脱水分解过程分两步进行,首先脱掉l5个层间水,其次脱掉3个结构水;分解过程一步完成.利用Doyle.Ozawa微分法和Kissinger积分法计算出各吸热峰反应的活化能,指前因子,得到A12(so4)3?18H20分解反应的速率方程.[关键词]铝土矿;硫酸铝晶体;动力学;热分解;TG-DTA[中图分类号]O614[学科代码]150?15[文献标识码]A我国高铝含量的铝土矿资源缺乏,而含硅高的中低品位铝土矿和其他含硅高的铝资源如粉煤灰,高岭土,煤矿石,黏土等原料储量丰富.因此,高效利用高硅含铝资源制备氧化铝已成为当前和今后一段时问研究的热点.采用硫酸与高硅低品位铝矿物反应制备硫酸铝,再将硫酸铝加热分解制备氧化铝,产生的so3经吸收制备硫酸,实现硫酸的循环利用,物料中的二氧化硅制成白炭黑,是一个新研究成功的铝硅资源综合利用的绿色工艺流程【l-3J.而该工艺的中间产物A12(so4)3?18H20的脱水和热分解是至关重要的一环.因此,研究A12(so4)?18I-I2O的脱水和热分解的动力学具有重要的理论和实际意义.本文首先利用中,低品位铝土矿酸法制备出硫酸铝晶体,硫酸铝晶体焙烧分解制备氧化铝.分析焙烧前后的物质,根据其热分解过程的TG-DTA曲线,研究其分解过程及动力学,利用Doyle.Ozawa积分法和Kissinger微分法求出反应的活化能,指前因子A,反应级数n以及确定分解过程的速率方程,并根据热分解过程中物质形态的变化分析了结晶水的性质.1实验1-1铝土矿酸法制备结晶硫酸铝1.1.1实验原料低品位铝土矿其铝硅比为4,主要化学成分见表1.硫酸浓度为98%(分析纯).表1铝土矿的主要成分%1.1.2实验方法将铝土矿细磨除铁后,在240oC与98%的浓硫酸反应1h,降温到100oC左右,加水溶出过滤,得硫收稿日期:2007-07.10基金项目:国家科技部"973"计划项目(GI99X)46904).联系人简介:翟玉春(1946-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事材料化学及冶金物理化学研究Bman:wl】a帕l26.o0IIl第6期吴艳,等:硫酸铝晶体热分解行为及分解反应动力学研究38l酸铝溶液.在llOoC蒸发滤液结晶提纯得高纯的硫酸铝晶体.过滤后65℃烘干.经XDR分析物相,x一荧光仪分析铝,硫含量,热重法分析其结晶水个数,证实确系Al2(So4)3?18H20.1.2结晶硫酸铝的'rGDTA实验原料为自制的Al2(so4)3?l8H2O.所用仪器为SDT2960SimuhaneousDSC—TGA(美国TAInstruments,差热一热重联用分析仪).取l0左右的Al2(SO4)3?18H20放人坩锅内,在氩气流量为100mL?minI1的动态气氛中,取温度范围为298K～l373K,在升温速率分别为l0,l5,2JD和25K?min.1下进行热重.差热分析.在700K下,取样进行XRD分析.2结果与讨论2.1酸法制备的(S()4)3?18H2o的组成对酸法得到的产品进行了XRD分析,结果见图1,通过对产品的化学分析,计算得到Al2(so4)3?18H20中的组成元素的质量分数,实验数据和理论数据见表2.根据数据可推算出结晶水的数量为l8.2.2(S()4)3?18H2o热分解过程分析表2硫酸铝晶体产品的组成%AI2(804)3?18H20的DTA和Tc曲线见图2和图 3.从图2和图3可见AI2(S04)3?18n20的热分解过程有3步,其中脱水过程是分两阶段进行的.第1步从360K到523K,失重率为40.5%,失去l5个水分子,对应DTA曲线峰顶温度为400K的吸热峰.第2步从553K到687K,失重率为8.1%,失去3个水分子,对应DTA曲线峰顶温度为600K的吸热峰.第3步从1043K到1393K,失重率为36%,失去3个so3分子,对应DTA曲线峰顶温度为l130K的吸热峰,残余物主要为AhO3.推导热分解过程如下(]:第l步:AI2(SO4)3?18H2O—AJ2(SO4)3?18H20+15H20t,第2步:AI2(SO4)3'18H20"--*"A12(SO4)3+3H20t,第3步:A12(,~)4)3---*AI203+3SO3t.\强2OO0o18O0o16O0014O0o12O0olOOoo8oo06Ooo4Ooo2O0o20/(.)0.0.一0.bo—O..o..o.\.o.《.o..o.-0.图1磺馓铝晶体产品XRD图图2温度/K不同升温速率下Al2(So1)3?堪.图3脱水分解的DTA曲线不同升温速率下AI2(SO4h"tSt~O脱水分解的TG曲线取700K下的焙烧产物进行XRD分析,结果见图4.分析结果表明证实当温度升到700K时,A12(SO4)3.18H20的结晶水已经全部脱掉变成Ah(S04)3.取l130K下的分解产物进行XRD分析,结果见图5.由图5可见,l130K下分解形成了y—Al2o3和无定型结构的微晶.382分子科学第23卷—A12(so.)3-Ll砧一一LL2口/(')图4700K下焙烧产物的XRD图2.3mz(so4)3?18HzO热分解过程动力学2.3.1Doyle—Ozawa积分法图51130K焙烧产物XRD图考虑到口<0.1和a>O.9时,反应处于诱导期和末期,不能全面反映反应的真实状态,从而给机理函数的判定带来不确定性,所以转化率a选择在0.1～O.9之间[,根据不同转化率下的温度,得到拟合后的1/T.k曲线,见图6—8.由图计算得到水合硫酸铝第1峰脱水过程的活化能为99.38kJ/mol,第2峰脱水过程的活化能208.78kJ/mol,第3峰分解过程的活化能为330.92kJ/mo1.从图6—8可以看到,随着物体失重率的变化,活化能也不断变化,从数学处理过程来看,活化能随反应进程而变化这一现象似乎动摇了各种数学处理方法的一个假定,即活化能为一定值,因为只有在这一前提下,前面数学方法的推导才是正确的.对于硫酸铝的分解反应,Arrhenius方程在这里已经失去了本来所蕴含的物理意义,而只是一个纯经验的数学表达式,这样也决定了通过热重实验以及相应的数学处理得到的并不是分解反应的本征活化能,而只是硫酸铝分解反应的表观活化能【10-11J.3.33.23.13.Oq2?9bo2.82.72.62.52.4图6Doyle-Ozawa法第1吸热峰活化能的图7Doyle-Ozawa法第2吸热峰活化能的lg卢一1/T关系图lg一1/T关系图2.3.2Kissinger微分法Kissinger法计算得到的拟合结果见图9.根据直线的斜率和截距求得活化能,反应级数和频率因子,结果见表3.对活化能的计算,Doyle.Ozawa积分法和Kissinger微分法得到的数值相差较小,说明这两种方法得到的动力学参数是可靠的.表3Doyle-Ozawa法和Kisser法得到的动力学参数第6期吴艳,等:硫酸铝晶体热分解行为及分解反应动力学研究3830.8550.8700.8850.9000.915了''X103图8Doyle-Ozawa法第3吸热峰活化能的图9Ki~ngel-法得到的3个吸热峰活化能的l-IYT关系图1/T-in(M砟)关系图表观活化能的平均值为第1峰:E=94.715kJ/tool,第2峰:E=200.58kJ/mol;第3峰:E:318.16kJ/mo1.根据公式(10)和以上动力学参数,结晶硫酸铝脱水分解速率方程为第1吸热峰61×108e-(1一)5,U'第2吸热峰Tda:1,06×l06e-n—a),Q'第3吸热峰挈:4.30×10oe-(1一a)"1.QDoyle—Ozawa积分方程求解动力学参数时不涉及机理函数的选择,所以结果较为合理,因而用Doyle—Ozawa法得到的活化能值验证Kissinger法求得的结果,两者结合确定反应的速率方程具有可靠性【l2J.2.4硫酸铝脱水过程中的熔点变化通过观察AI2(so4)3?18H20的热分解过程,发现在第一步脱水分解初期,9o℃左右,水合硫酸铝局部开始熔化,达到110oC时,水合硫酸铝全部熔化,TG曲线显示此时脱水速度较快,而DTA曲线上此阶段的热效应较大,也是由于脱水吸热和熔化吸热叠加在了一起.当温度达到250℃以上时,失去一定量的结晶水后,局部开始变成干态硫酸铝晶体,至第二步脱水开始时,才全部变成干态硫酸铝晶体.熔化态的消失说明水合硫酸铝在第1步脱水和第2步脱水之间发生了结构转变,而引起熔点升高,同时说明水合硫酸铝中l8个结晶水并不是相同的,首先脱掉的15个结晶水属于层间水,而后3个结晶水属于结构水.相对于层间水而言,结构水较难脱去,因而脱水反应活化能增大,脱水温度升高. 3结论(1)AI2(SO4)3?18H20的焙烧分解过程中,其脱水是分两步进行的,分解过程是一步完成的.其反应方程式如下:第1步AI2(SO4)3?18H2O—Aj2(SO4)3?18H20+15H20t,第2步AI2(SO4)3?18H2O—AI2(SO4)3+3H20t,第3步384分子科学第23卷AI2(SO4)3"--*AI203+3S03t.(2)利用Doyle—Ozawa法和Kissinger法分别计算出反应的活化能,指前因子,确定3个吸热峰的反应速率方程;第1吸热峰挚:2.61×l0se-(1一口)5,dt'第2吸热峰.挚:2.61×101%-(1一)dt'第3吸热峰挚:4.30×lOIOe-(1一口)¨1.dt'(3)结晶硫酸铝中的结晶水性质不完全相同,第一步脱掉的15个结晶水为层间水,第二步脱掉的3个结晶水为结构水.[参考文献]顾松青.[J].中国有色金属,2004,14(5):92.97.钮因健.[J].轻金属,2OO3,3:3.8.翟玉春,吴艳,李来时.一种由低铝硅比的含铝矿物制备氧化铝的方法:巾国,200710010917[P].2O07.胡荣祖,史启祯.热分析动力学[M].北京:科学出版社,2001:95.1l7.李余增.热分析[M].北京:清华大学出版社,1987:183.210. BARBARAMALECKA,EWADROZDZ—CIESLA,ANDl口MAl~~KI.【JJ.ThermochimiCaActa.2OO4.423(1):l3一l8.YUELIN—HAI,J]I.[J].物理化学,2005,21(7):752-757.方正东,汪敦佳.[J].无机化学,2O05,21(11):1682—1686.张伟南,袁誉洪,李丽清.[J].物理化学,2004,20(1):33.37.郑瑛,池保华,王保文.[J].煤炭转化,.2O06,29(4)34-37.CHENGYA.【JJ.Cl1ineseJournalofInorganicChemistry,2OO6,22(2):287—292.刘振海.热分析导论[M].北京:化学工业出版社,1991:100-110. ThermalbehavioranddecompositionkineticsofAI2(S04)3?18II2OWUYah,UI_ai—shi,ZHAIYu—chun(SchoolofMatefi~sandMetallurgy,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China) Abstract:AsthepartoftheprocessofthedirectacidleachOilpreparationofalumina.thethermalbehaviorandde—compositionkineticsofAI2(SO4)3'18H20werestudiedbyTG-DTA.卟eresultsshowthattherearetwoprocessinthedehydrationoftheAl2(504)3'18H20.Theinterbeddedwaterwasbrekeawayprimarily,th enthestructuralwaterwasbrokeaway.TwoequationsofDoyle—OzawaandKissingerweFeusedtocalculatethekinetics~tersofthe decompositionoftheAl2(SO~)3.18H20.Kineticsrateequationsofeachendothermicpeako faluminiumsulphatede—compoundprocesswereobtainedwithDoyle—OzawamethodandKissingermethod. Keywords:bauxite;AI2(SO4)3?18H2O;kinetics;thermaldecomposition;TG-DTA…'呈…。

第34卷第2期 湖南有色金属 ^2018 年 4 月HUNANNONFERROUS METALS高纯超细氢氧化铝热分解动力学的研究宁夏(中南大学冶金与环境学院，湖南长沙410083)摘要:氢氧化铝热分解过程的精确调控对于氧化铝质量保证至关重要。

以高纯超细氢氧化铝为原料,通过测定产品X 衍射分析、差热分析，对其分解动力学进行了研究。

数据表明，在240 ~300 丈和330 ~525丈温度段脱水动力学机理均为三维扩散，活化能分别为398.41 k j /m 〇l 、110. 66 k j /mol 。

对比分析表明,粒度和碱含量对氢氧化铝热分解有较大的影响。

关键词：氢氧化铝；热分解;动力学中图分类号：TF 821文献标识码：A文章编号：1003 -5540(2018)02 -0045 -03高比表面、高活性冶金级氧化铝是现代铝电解的原料m ，但其中总含有a - A l2〇3(«^10%)，高含 量a -A l2〇3会显著降低氧化铝在熔盐中的溶解度。

众多氧化铝物相（a - A l2〇3、y - A l2〇3、- A l2〇3、 -A l2O 3、尤-A l2O3、p -A l2O3以及 y S - A l2O 3等[2’3])因其物化性质不同，而被广泛应用于化学化 工、陶瓷材料等领域，是新世纪以来新材料产业中用 途广、产值高、产量大的先进材料之一[4]。

上述氧化 铝的前驱体主要是氢氧化铝（A l ( O H ) 3)，其中以铝 酸钠溶液为原料分解制得的氢氧化铝（g ib b s ite 型， 三水铝石）为主。

因而，在三水铝石型A l (O H )热 分解制备特定氧化铝时，热分解过程调控原理和技 术是精准调控物相和保证产品质量的关键。

因此， 研究不同种类氢氧化铝分解动力学显得尤为重要。

国内外学者对于不同种类氢氧化铝的热分解规 律、分解动力学模型做了大量的研究[5’6]，尤其对于 工业级氢氧化铝产品，脱水分解机理相关研究已比 较透彻。

昆明市2021版高一上学期化学期末考试试卷B卷姓名: ________ 班级: ___________________ 成绩: ___________________一.选择题（共19题；共38分）1. （2分）化学在生产和日常生活中有着重要的应用•下列说法不正确的是（）A・明矶水解形成的Al （0H） 3胶体能吸附水中悬浮物，可用于水的净化B・苏打和氢氧化铝胶饗，可以作内服药治疗胃酸过多C・A1203和能0的熔点均很髙，可用于制作耐髙温材料・用图2所示装置蒸干XH4C1饱和溶液制备NH4C1晶体・用图3所示装宜制取少量纯净的C02气体・用图4所示装宜分离CC14萃取碘水后已分层的有机层和水层3.（2分）（2016髙二上•邓州开学考）下列变化的实质相似的是（）①浓硫酸和浓盐酸在空气中敞口放置时浓度均减小②二氧化硫和氯气均能使品红溶液褪色③二氧化硫能使品红溶液和浪水褪色④渙化氢和碘化氢气体均不能用浓硫酸干燥D・NaHC03可用作发酵粉、泡沫火火剂材料、治疗胃酸过多的药物A用下列实验装置进行相应实验，能达到实验目的是（）有机层・用图1所示装置除去C12中含有的少量HC1⑤浓硫酸能在白纸上写字，氢氟酸能在玻璃上刻字.A .只有②③■④B .只有④C •只有③④D .全部4.（2分）（2019高一上•颍上期末）向盛有稀BaC12（aq）的甲、乙两试管中分别通入SO2至饱和，若向甲试管中加入足量HNO3（aq）,向乙试管中加入足量NaOH（aq）。

则下列叙述正确的是（）A .甲、乙两试管中都有白色沉淀生成B •甲、乙两试管中都没有白色沉淀生成C •甲试管中没有白色沉淀生成，而乙试管中有D •乙试管中没有白色沉淀生成，而甲试管中有5.（2分）（2019髙一下•深圳期中）徳国重离子研究中心人工合成的第112号元素的正式名称为“Copernicium”，相应的元素符号为“Cn” 。

该元素的名称是为了纪念天文学家哥白尼而得需。

高岭土与硫酸铝共热处理的反应动力学研究高岭土是一种含有高铝矿物的复杂矿石，主要成分为莫来石（Al2Si2O5(OH)4）和长石（K-平山黏土）等。

硫酸铝是一种常用的铝盐化合物，具有广泛的应用领域。

通过高岭土与硫酸铝的共热处理，可以实现高岭土的结构转化和铝的释放，进而用于铝的提取、催化剂的制备等。

反应动力学是研究反应速率与反应条件之间关系的科学，对于了解共热处理过程中反应机理和优化反应条件具有重要意义。

本文将重点介绍高岭土与硫酸铝共热处理的反应动力学研究。

1. 实验方法首先，收集一定量的高岭土样品，并将其进行研磨分散，使其颗粒尺寸均匀。

然后，采用恒温恒压容器对高岭土样品与硫酸铝进行共热处理。

共热处理温度范围选择为200-400摄氏度，并在一些温度条件下进行多次处理以获得反应动力学数据。

2. 反应动力学分析在共热处理过程中，矿石颗粒表面的铝和硅会与硫酸铝反应生成氧化铝和硅酸铝等产物。

反应动力学分析可以帮助我们理解该反应的速率和机理。

2.1 反应速率常数的确定通过对不同温度下的共热处理样品进行固定时间的处理，可以获得不同温度下的反应速率常数。

根据反应速率常数与温度的关系，可以确定反应的活化能和反应级数。

2.2 反应机理的研究通过对不同温度下的共热处理样品进行物理性质分析和结构表征，可以确定反应过程中的物理和化学变化。

例如，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等技术，可以观察到高岭土颗粒表面的晶体结构变化和颗粒形态变化。

同时，利用红外光谱（FT-IR）和热重分析（TG）等技术，可以分析反应过程中的化学组成和热稳定性变化。

3. 结果与讨论通过实验和分析，可以确定高岭土与硫酸铝共热处理的反应动力学特征。

3.1 反应速率与温度的关系根据实验数据绘制活化能图表，可以显示出反应速率常数与温度之间的关系。

根据Arrhenius方程，可以确定反应的活化能和反应级数。

例如，反应级数为1表示反应速率与浓度成正比，反应活化能越低，反应速率越高。

高纯超细氢氧化铝热分解动力学的研究宁夏【摘要】氢氧化铝热分解过程的精确调控对于氧化铝质量保证至关重要.以高纯超细氢氧化铝为原料,通过测定产品X衍射分析、差热分析,对其分解动力学进行了研究.数据表明,在240～300℃和330 ～525℃温度段脱水动力学机理均为三维扩散,活化能分别为398.41 kJ/mol、110.66kJ/mol.对比分析表明,粒度和碱含量对氢氧化铝热分解有较大的影响.【期刊名称】《湖南有色金属》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】4页(P45-47,80)【关键词】氢氧化铝;热分解;动力学【作者】宁夏【作者单位】中南大学冶金与环境学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TF821高比表面、高活性冶金级氧化铝是现代铝电解的原料［1］，但其中总含有α－Al2O3（ω≤10%），高含量α－Al2O3会显著降低氧化铝在熔盐中的溶解度。

众多氧化铝物相（α－Al2O3、γ－Al2O3、κ－Al2O3、θ－Al2O3、χ－Al2O3、ρ－Al2O3以及β－Al2O3等［2，3］）因其物化性质不同，而被广泛应用于化学化工、陶瓷材料等领域，是新世纪以来新材料产业中用途广、产值高、产量大的先进材料之一［4］。

上述氧化铝的前驱体主要是氢氧化铝（Al（OH）3），其中以铝酸钠溶液为原料分解制得的氢氧化铝（gibbsite型，三水铝石）为主。

因而，在三水铝石型Al（OH）3热分解制备特定氧化铝时，热分解过程调控原理和技术是精准调控物相和保证产品质量的关键。

因此，研究不同种类氢氧化铝分解动力学显得尤为重要。

国内外学者对于不同种类氢氧化铝的热分解规律、分解动力学模型做了大量的研究［5，6］，尤其对于工业级氢氧化铝产品，脱水分解机理相关研究已比较透彻。

比如：彭志宏等［7］指出，冶金级氢氧化铝在脱水过程中，有三维扩散和化学控制两种动力学机理；D.Redaoui等［8］通过 DG－TSC等方式，研究表明工业级氢氧化铝产品在400～900 K温度区间热分解分为三个阶段，且各个阶段脱水机理和活化能不同；对于分析纯级氢氧化铝产品脱水动力学机理，Boquan Zhu等［9］学者认为在573 K、790 K两个温度点左右脱水机理为γ－Al（OH）3→γ－AlOOH、γ－AlOOH→amorphous Al2O3两种物相转化，且活化能也与上述不同。