铝酸钠和硅铝酸钠溶液的结构和物理化学性质研究
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。
铝酸钠溶液;硅铝酸钠溶液;纳米基元;炼铝;氧化铝
东北大学
博士
冶金物理化学
翟玉春
2004
中文
TF821
133
2006-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）