铝酸钠和硅铝酸钠溶液的结构和物理化学性质研究

摘要

由于碱法生产氧化铝的过程中，硅铝酸钠溶液中硅铝化物的存在状态及其间的相互作用关系到各种工序的运行。研究硅铝酸钠溶液结构和物理化学性质对于氧化铝生产有重要意义。为此本研究应用红外光谱、Raman光谱分析，结合物理化学测试，系统地研究了浓度、摩尔比对铝酸钠和硅铝酸钠溶液的结构和物理化学性质的影响，以及硅对中等浓度铝酸钠溶液结构性质和物理化学性质的影响。研究结果如下： 1)摩尔比为1.45、氧化铝的浓度低于100g/L时主要以Al(OH)4-为主，氧化铝的浓度高于100g/L时既存在Al(OH)4-，也存在Al-O-Al二聚离子。浓度对Raman光谱主峰的散射光强度有较大影响。碱浓度不变时，摩尔比越大，铝酸钠溶液红外光谱峰出现少，其结构较简单，铝酸根离子主要以Al(OH)4-的形式存在；摩尔比越小，出现的红外光谱峰多，其结构较复杂。 2)ak=1.55，中等浓度的铝酸钠溶液随着SiO2含量的增加Al-O-Si键增多，最后Al-O-Si的振动峰取代了Al-O-Al振动峰。这表明Al-O-Si键更容易生成。由此推断，含硅铝酸钠溶液中存在着Al-O-Al和Al-O-Si、Si-O-Si键连接的网络状大阴离子和Al-O-H…O-Al氢键结构。并且随着Al2O3和SiO2的浓度增大网络状阴离子变多、变大。所以含硅铝酸钠溶液是无机高分子溶液。 3)应用溶液的浊度测定和观察溶液的丁达尔现象确定：在稀的铝酸钠溶液中存在密集结构的纳米基元。这种纳米基元有可能是由Keggin离子构成的。4)中等浓度和浓度较高铝酸钠溶液(拜尔溶液)中存在各种铝离子的有较差光散射行为。丁达尔现象实验也说明在拜尔溶液中铝酸根离子的尺寸还是在溶液的大小范围。 5)浊度测定和丁达尔实验说明在中等浓度硅铝酸钠溶液中存在类似Al13的高密度的Keggin离子。这种高密度的离子是由Al-O-Al和各种Al-O-Si构成的大分子结构的聚合物，在摩尔比为1.45左右中等浓度硅铝酸钠溶液中，随硅量增加，这种密集结构大分子的浓度增加，Al-O-Al和Al-O-Si构成的大体积的硅铝酸根阴离子群进一步聚合、形成纳米尺度的基元。在中等浓度的铝酸钠溶液当硅的含量低时，溶液中仍然以铝硅四面体的单聚、双聚结构以及它们的部分溶剂化的离子为主，散射光弱。 6)系统地研究了溶液的物理化学性质如：表面张力、粘度等性质与溶液组成、结构性质的变化关系。温度在30～75℃，ak在1.50～3.4范围，铝酸钠溶液的表面张力与温度成反比关系；铝酸钠溶液中氧化铝的浓度一定，温度一定，摩尔比在1.52到3.4的范围内，其表面张力随摩尔比增加而增加；温度不变，摩尔比相同，铝酸钠溶液的氧化铝的浓度在1.73M到4.00M的范围内，表面张力随氧化铝浓度的增加而增加；硅的存在使铝酸钠溶液的表面张力增加，并且在硅含量为0到0.07M时，随硅含量的增加铝酸钠溶液的表面张力也增加。 中等浓度以上铝酸钠溶液，随摩尔比的增加在红外光谱中铝氧桥Al-O-Al峰减弱至消失；Al(OH)4-峰强减弱。在高摩尔比、高浓度的铝酸钠溶液中存在以Al(OH)63-和Al(OH)4-为主体的由氢键相连的缔合物，这种缔合物对温度敏感，温度升高时解离，在红外光谱图上无特征峰。铝酸钠溶液在低温时的粘度大幅度增加，而在温度较高时增加的幅度不大，温度界限为70℃左右.其粘度不仅与铝酸根离子存在的形式有关，还与铝酸根周围OH-的浓度、及其相互作用有关。 铝酸钠溶液的粘度活化能随氧化铝浓度和氧化钠浓度的增加而增加，并且基本为线性关系。氧化钠浓度比氧化铝浓度对粘度活化能的影响要大。硅的加入，改变了铝酸钠溶液的粘度活化能。 7)通过建立二次回归正交设计模型，得到铝酸钠溶液的表面张力、密度与溶液组成和温度的回归方程为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)-0.0009626ρ(Al2O3)+0.000532t式中σ-表面张力，mJ/m2；ρ-密度，g/cm3CP-压热容，J/(g.℃) 并论证了诸因素对溶液表面张力、密度、恒压热容的影响程度。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.1引言

1.2铝酸钠和硅铝酸钠溶液的应用背景

1.2.1氧化铝生产的意义及工业发展概况

1.2.1硅铝酸钠溶液研究的重要性—硅在氧化铝生产中的危害

1.3铝酸钠溶液结构与物理化学性质

1.3.1铝酸钠溶液中基本铝酸根离子

1.3.2.不同铝酸钠溶液中铝酸根阴离子在铝酸钠溶液中的平衡分布

1.3.3铝酸钠溶液中铝酸根阴离子与周围环境介质的作用

1.4铝酸钠溶液胶性性质的研究

1.4.1铝胶大分子结构的研究

1.4.2稀铝酸钠溶液中铝的高密度聚集结构(Keggin离子)的存在形式

1.5含硅铝酸钠溶液的结构

1.5.1硅酸钠溶液的结构

1.5.2硅在铝酸钠溶液中的介稳状态

1.6铝酸钠溶液和硅铝酸钠溶液的物理化学性质

1.7本论文的研究内容

第二章铝酸钠和含硅铝酸钠溶液结构性质研究

2.1实验

2.1.1溶液的制备

2.1.2含量分析

2.1.3溶液的红外光谱和拉曼光谱的测定

2.2铝酸钠溶液的结构性质

2.2.1摩尔比不变时铝酸根离子存在形式随氧化铝浓度的变化

2.2.2碱浓度不变铝酸钠溶液的结构与摩尔比的变化关系

2.3硅酸钠溶液光谱性质

2.3.1硅酸钠溶液的拉曼光谱

2.3.2硅酸钠溶液的红外光谱

2.4硅对铝酸钠溶液结构性质的影响

2.4.1硅铝酸钠溶液拉曼光谱

2.4.2硅铝酸钠溶液的红外光谱

2.5铝、硅酸钠溶液对溶剂红外振动光谱的影响

2.5.1铝酸钠溶液对水弯曲振动峰和伸缩振动峰的红外光谱影响

2.5.2摩尔比对铝酸钠溶液中H-O-H弯曲振动峰和O-H振动峰的影响

2.5.3硅酸钠溶液对水弯曲振动峰及自由OH-红外光谱峰的影响

2.5.4硅对铝酸钠溶液中H-O-H和O-H红外光谱峰的影响

2.6小结

第三章铝酸钠和硅铝酸钠溶液胶性性质的研究

3.1铝、硅酸钠溶液浊度的研究

3.1.1溶液的制备

3.1.2溶液浊度的测定方法

3.1.4铝酸钠溶液的浊度

3.1.5含硅铝酸钠溶液的浊度：

3.2铝酸钠、硅铝酸钠溶液的丁达尔效应

3.2.1胶体的基本概念及其特点

3.2.2溶液的胶性实验

3.2.3铝酸钠溶液的丁达尔实验结果与讨论

3.2.4中等浓度的铝酸钠和硅铝酸钠溶液的丁达尔实验

3.2.5溶液的红外光谱

3.2.6铝酸钠及硅铝酸钠溶液聚沉实验

3.3硅、铝酸钠溶液折射率

3.3.1铝酸钠溶液折射率的测定

3.3.2铝酸钠溶液折射率与浓度的关系

3.3.3铝酸钠溶液的摩尔比对溶液折射率的影响

3.3.4温度对铝酸钠溶液折射率的影响

3.3.5硅的存在对铝酸钠溶液折射率的影响

3.4小结

第四章铝酸钠和硅铝酸钠溶液表面张力的研究

4.1溶液的表面张力及测定原理：

4.1.1溶液的表面张力

4.1.2测定方法及原理

4.1.3表面张力测定仪毛细管系数K的测定

4.2实验

4.2.1溶液的配制

4.2.2溶液表面张力的测定

4.3铝酸钠溶液的表面张力

4.3.1铝酸钠溶液的表面张力和温度的关系

4.3.2碱不变时铝酸钠溶液表面张力与氧化铝浓度的关系

4.3.3表面张力与铝酸钠溶液摩尔比的关系

4.3.4 ak=1.50表面张力与铝酸钠溶液浓度的关系

4.3.5铝酸钠溶液的拉曼光谱

4.4硅铝酸钠溶液的表面张力

4.4.1硅的存在对铝酸钠溶液表面张力的影响

4.4.2硅对铝酸钠溶液分子结构的影响

4.5铝酸钠溶液的正交实验设计与实验数据处理

4.5.1因子的变化范围

4.5.2回归方程的校验

4.5.3回归方程拟合验算

4.6硅铝酸钠溶液正交及回归实验设计与数据处理

4.6.1选择因子并确定其变化范围

4.6.2.因子筛选实验设计与极差计算

4.7 小结

第五章铝酸钠溶液、硅铝酸钠溶液粘度性质

5.1引言

5.2粘度测定：

5.3铝酸钠溶液粘度与溶液组分的关系

5.4摩尔比对铝酸钠溶液的粘度和结构的影响

5.4.1摩尔比对铝酸钠溶液的粘度的影响

5.4.2摩尔比对铝酸钠溶液的红外光谱

5.5中等浓度硅铝酸钠溶液粘度与结构的关系

5.5.1硅对铝酸钠溶液粘度的影响

5.5.2硅对铝酸钠溶液光谱性质的影响

5.5.3硅铝酸钠溶液的粘度与溶液其他组分的关系

5.6中等浓度硅、铝酸钠溶液的粘度活化能和粘度频率因子

5.6.1铝酸钠溶液的粘度活化能和粘度频率因子

5.6.2粘性活化能与溶液组成的关系

5.6.3硅对铝酸钠溶液的粘度活化能和频率因子的影响

5.6小结

第六章铝酸钠和硅铝酸钠溶液密度的研究

6.1密度的测定

6.2铝酸钠溶液密度的测定结果与讨论

6.3硅铝酸钠溶液密度的测定结果与讨论

6.4铝酸钠溶液正交实验设计与计算

6.4.1正交实验的因数编码和实验

6.4.2回归方程的校验

6.4.3回归方程计算值与实验测量值的比较

6.5硅铝酸钠溶液正交及回归实验设计与数据处理

6.5.1选择因子并确定其变化范围

6.5.2.因子筛选实验设计与极差计算

6.6小结

第七章铝酸钠溶液和硅铝酸钠溶液恒压热容性质的研究

7.1铝酸钠溶液的恒压热容测定原理和实验：

7.1.1原理

7.1.2实验步骤

7.2铝酸钠溶液的恒压热容

7.2.1溶液的恒压热容与其组成的关系

7.3铝酸钠溶液正交及回归实验设计与数据处理

7.3.1正交实验的因子编码与正交实验计算

7.3.2回归方程的校验

7.4小结

第八章结论

参考文献

攻读博士学位期间发表和提交的论文

后记