昨天，粉體圈援引新華網和《科技日報》報道了《上海交大：稀土改性“5N”氧化鋁項目包頭孵化成功》，新技術實現了以高純鋁水解制備純度超過5N高純氧化鋁。目前，高純Al₂O₃的制備方法主要有溶膠－凝膠法、 硫酸鋁銨熱解法、碳酸鋁銨熱解法、乙丙醇鋁水解法等，上述方法都不同程度地存在著成本高、工藝過程復雜、污染環境的缺點。高純鋁水解法制備高純Al₂O₃工藝具有工藝流程短、成本低、無污染等優點，是一種清潔環保型工藝。

一、高純鋁生產工藝

超高純鋁比原鋁具有更好的導電性、延展性、反射性和抗腐燭性，在電子工業及航空航天等領域有著廣泛用途，目前國內只有極少數廠家（新疆眾和鋁業、中鋁貴州公司、包頭鋁業、山西關鋁、南通泰德電子材料科技有限公司）能夠生產純度達99.999%（質量分數）的高純鋁。包頭交大賽福爾新材料有限公司生產的6N超高純鋁錠彌補了國內該項技術空白。在國際市場上，能成產5N3（99.9993%）以上產品也僅有德國海德魯鋁業、美國鋁業、俄羅斯鋁業、日本昭和鋁業和住友化學等企業具備生產能力。

現階段高純鋁生產工藝主要有冷凝法、3層液電解法、偏析法，偏析法可分為分步結晶法、定向凝固法和區域熔煉法。德國海德魯鋁業和俄羅斯鋁業是全球最大的高純鋁生產商，各占全球高純鋁消費市場20%份額（2016年中國有色金屬網數據），均采用3層液電解法生產技術。日本昭和鋁業和住友化學普遍采用4N偏析法生產工藝。我國新疆眾和鋁業、中鋁貴州公司采用3層液電解法生產技術；包頭鋁業采用偏析法工藝；南通泰德電子材料科技有限公司采用分步提純法工藝。

小編查閱文獻，包頭交大賽福爾新材料有限公司生產高純鋁錠技術趨向于采用定向凝固法。定向凝固法是通過強制冷卻或加熱來控制晶體的生長方向，使凝固方 向背離熱流傳遞方向以連續單向結晶排除雜質元素的一種方法。生產過程主要是利用電磁攪拌技術，對處于固液臨界狀態的液相進行強制性的攪拌以降低臨界狀態液相中溶質富集層的厚度，有利于溶質的擴散，提高提純的效率，使晶體不斷生長，然后得到高純鋁。

圖1 新型高純鋁提純裝置結構圖（來源參考文獻1）

二、高純鋁水解法制備高純氧化鋁工藝

高純鋁水解法制備高純氧化鋁，首先需要對高純鋁進行活化處理，經活化的鋁單質能與去離子水發生劇烈反應，結晶生成高純氧化鋁，研究表明其轉化率可高達96%。這里需要特別注意的是，活化處理高純鋁，是水解法制備高純氧化鋁的關鍵技術之一。

圖2  高純氧化鋁

1、高純鋁水解機理

水解反應得以發生的原因在于單質鋁本身具有較高的化學活性。而活化處理在單質鋁中形成了非平衡態晶體或準晶相，這種非平衡態晶體或準晶相具有較高的自由能，其在熱力學上是不穩定的，這是水解反應發生的內因之一。

活化后的高純鋁為粉體顆粒狀，其具有較高的表面能，這也是水解反應發生的重要動力。

2、結晶動力學分析

高純鋁水解制備高純氧化鋁工藝實質為結晶過程，在結晶過程中，亞穩相的六方拜耳體為溶質相，正是由于它的溶解使得反應體系形成了過飽和溶液，而過飽和溶液是溶液法結晶過程發生所必須具備的前提條件。

在水解反應的不同時段，結晶行為有所不同。在反應的初期，由于反應較為劇烈，反應體系過飽和度極高，因此結晶主要以成核為主。隨著反應劇烈程度的降低，反應體系的過飽和度也相應下降，此時體系中開始出現晶體的長大和團聚現象。

三、高純氧化鋁純度分析

目前，高純氧化鋁中雜志的分析主要采用電感耦合等離子體質譜法、高分辨電感耦合等離子體質譜法、分光廣度法、電感耦合等離子體原子發射光譜法等。

1、電感耦合等離子體質譜法

電感耦合等離子體質譜法是通過用高頻等離子體將高純氧化鋁樣品進行離子化處理，再用質譜測定產生的離子，從而進一步分析元素或其同位素的濃度。

優點是檢出限低，并能同時分析多種元素等優點，是目前使用最廣泛的方法之一。

圖3  電感耦合等離子體質譜議

2、高分辨電感耦合等離子體質譜法

高分辨電感耦合等離子體質譜法擁有超高靈敏度，可進行痕量級別的多元素定量分析，甚至無需樣品處理。

圖4  高分辨電感耦合等離子體質譜儀

3、分光光度法

分光光度法也稱吸光光度法，是基于物質對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法。在高純氧化鋁的雜質分析中，Si、Fe的測量可以采用紫外分光法。

分光光度法優點是：具有良好的選擇性，靈敏度高、穩定性及重現性好。

4、電感耦合等離子體原子發射光譜法

電感耦合等離子體原子發射光譜法是利用不同元素原子中的中外層電子在激發態向基態躍遷時所發出光譜線進行檢測。優點是：高靈敏度，低檢出限，良好的穩定性，分析速度快。

圖5  電感耦合等離子體原子發射光譜儀

參考文獻：

1、張佼，孫寶德、何博等，新型5N高純鋁提純裝置原理及控制，機械工程學報。

2、劉建良，孫加林等，單質鋁水解機理研究，顆粒制備。

作者：樂心