过饱和铝酸钠溶液种分附聚过程及其强化
【摘要】：
铝酸钠溶液种分附聚不但是晶种颗粒快速增大的重要手段，而且是产品砂状化的一个重要过程。以前研究工作一般涉及整个种分过程，其中基本过程间彼此互相影响。本论文从还原论的观点，通过研究种分基本过程——附聚过程，从而达到研究种分过程的目的。
本文首次给出了两种基于粒度信息的附聚判定方法；考察了各种可操作因素对种分附聚过程的影响并据此得出了有利于附聚的条件；发现了种分附聚过程中氢氧化铝粒度分布的振荡现象，并首次将混沌和分形理论引入到粒度分布的特征分析中；基于粒度信息研究了铝酸钠溶液的附聚动力学；运用红外半定量分析法首次分析了聚丙烯酰胺影响铝酸钠溶液种分附聚过程的机理。本论文的研究成果将对氧化铝生产提供一定的技术支持和理论依据，其主要研究结果如下：
1提出了附聚过程的两种判断方法，一个是依据氢氧化铝粒度分布曲线位置和峰强度的变化，另一个是依据粒度分布数据中最小粒径粒子含量的变化，根据粒度分布数据的判断方法更加简单和直观。
2随着温度的增加，铝酸钠溶液过饱和度降低，铝酸钠溶液的分解率下降，氢氧化铝的附聚效率增加，附聚物中-45μm粒子含量减少；随着溶液分子比增加，铝酸钠溶液过饱和度降低，分解率逐渐下降，氢氧化铝附聚效率首先增加然后逐渐减少；分子比过高或过低时，附聚物中均含有较多的-45μm的粒子；随着苛性碱浓度的增加，铝酸钠溶液过饱和度迅速下降，铝酸钠溶液分解率逐渐下降，氢氧化铝附聚效率逐渐下降，氢氧化铝附聚物中-45μm粒子含量逐渐增加；高温(78℃)、较低分子比(1.45)、低苛性碱浓度有利于种分附聚过程。
3采用机械活化晶种能强化铝酸钠溶液种分附聚过程；对活化机理的研究表明：机械活化晶种粒度更小，比表面积更大，因而晶种与铝酸钠溶液之间的固-液接触界面更大；机械活化晶种含有大量断裂面，新形成的断裂面活性大；机械活化晶种的晶格畸变率更大，晶种活性更强。随晶种系数的增加，铝酸钠溶液的分解率逐渐增加，氢氧化铝的附聚效率先增加后减少；晶种系数过低或过高时，附聚物均含有较多的中小粒径的粒子；铝酸钠溶液的分解率随搅拌速度的增加而增加；在适中的搅拌速度下，氢氧化铝的附聚效率最高，附聚物具有最好的粒度分布；机械活化晶种、晶种系数0.25、100 r.min~(-1)搅拌速度等实验条件有利于铝酸钠溶液的种分附聚过程。
4全粒径范围粒子的粒度分布宏观无序，一定粒径范围内粒子的粒度分布有其自身规律性；在附聚过程的某些时间段，粒度分布图出现振荡现象，粒子分布不稳定，但在整个分解过程中，一定粒径范围粒子的行为具有整体趋势；初始条件的微小变化均会在分解过程中被放大，造成粒度信息变化的“蝴蝶效应”；在一定粒径范围内，各粒度分布曲线具有空间分形特征，当采用较小粒径范围划分尺度时，更能体现图形精细结构；在铝酸钠溶液种分的实验室和生产实践中，氢氧化铝的粒度信息均可能出现混沌现象。
5基于附聚过程的颗粒二元碰撞模型，以粒径r_(i-1)、r_i、r_(i+1)的三种颗粒为作用物，按照穷举法，建立了附聚的物理模型；依照附聚模型给出了粒子的附聚速率方程，从实验数据出发，按照差分法求出了附聚的宏观速率；运用1stOpt数据综合分析软件对方程组进行了求解，动力学的计算结果表明等径粒子的附聚速率常数大于不等径粒子的附聚速率常数。
6三种一元醇均能提高铝酸钠溶液分解率，低添加量在初期使分解率更高，但是高添加量对分解率的持续提高能力更强；在同等添加量时短碳链一元醇在初期的分解率更高，但长碳链一元醇对分解率的持续提高能力更好；十八醇在低浓度下使产品粗化。随着一元羧酸浓度的增加，铝酸钠溶液的分解率增加，高浓度羧酸能提高分解率；在同样添加量下，短碳链一元羧酸在初期对分解率的提高更大，但是长碳链一元羧酸对分解率的持续促进作用更强；对同一羧酸而言，高添加量有利于增加产品粒度；在同样的添加量下，长碳链一元羧酸有利于增加产品氢氧化铝的粒度；添加十八酸，产品氢氧化铝有所粗化。混合添加十八醇与十八酸或者混合添加十八醇与二十一碳烷油载体对种分附聚过程的强化没有协同效应。
7添加非离子PAM对铝酸钠溶液分解率没有明显改善；添加适量离子型PAM能增加分解率，其中阳离子PAM添加量为2.5×10~(-6)(W／W)时，分解率能提高2.5％。适量的PAM促进了—45μm的氢氧化铝粒子的附聚，从而使产品的粒度分布粗化；其中当阴离子PAM添加量为1.5×10~(-6)(W／W)时，产品氢氧化铝的平均粒径增大4.9μm，-45μm粒子含量减少23％。添加PAM情况下，产品氢氧化铝的基本构架是由中等晶粒构成，中等晶粒之间有很多5μm左右晶粒的填充，5μm左右晶粒之间又有更小的晶粒填充，相互之间采用镶嵌方式连接，连接更为紧密；添加阳离子PAM或阴离子PAM有利于生成强度更高的氢氧化铝产品。
8可以采用硝酸钠作内标对铝酸根离子进行半定量测量；阳离子PAM促进了Al(OH)_4~-→Al_2O(OH)_6~(2-)→Al(OH)_3的转化，从而强化了铝酸钠溶液种分附聚过程。
【关键词】：过饱和铝酸钠溶液 附聚过程 强化 粒度分布 氢氧化铝
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：O611.3
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.197914
【目录】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：O611.3
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.197914
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- 摘要4-7
- ABSTRACT7-15
- 第一章 文献综述15-38
- 1.1 前言15-16
- 1.2 种分附聚过程的研究进展16-21
- 1.2.1 附聚的模型和机理17-19
- 1.2.2 附聚过程中的影响因素19-21
- 1.3 种分过程的强化研究进展21-33
- 1.3.1 种分过程工艺参数的优化强化21-23
- 1.3.2 活化晶种强化23-24
- 1.3.3 外场强化24-26
- 1.3.4 添加剂强化26-33
- 1.4 铝酸钠溶液结构及分解机理33-36
- 1.4.1 铝酸钠溶液的结构33-35
- 1.4.2 过饱和铝酸钠溶液的分解机理35-36
- 1.5 本课题的提出36-38
- 第二章 过饱和度的相关因素对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响38-60
- 2.1 前言38-39
- 2.2 附聚的判定39-46
- 2.2.1 实验39-41
- 2.2.2 粒度分布曲线判定法41-44
- 2.2.3 粒度分布数据判定法44-46
- 2.2.4 小结46
- 2.3 实验方法的确定46
- 2.4 温度对种分附聚过程的影响46-50
- 2.4.1 温度对铝酸钠溶液分解率的影响47-48
- 2.4.2 温度对氢氧化铝附聚效率的影响48-49
- 2.4.3 温度对附聚产物粒度分布的影响49-50
- 2.4.4 小结50
- 2.5 α_k对种分附聚过程的影响50-54
- 2.5.1 α_k对铝酸钠溶液分解率的影响51-52
- 2.5.2 α_k对氢氧化铝附聚效率的影响52-53
- 2.5.3 α_k对附聚物粒度分布的影响53-54
- 2.5.4 小结54
- 2.6 苛性碱浓度对种分附聚过程的影响54-58
- 2.6.1 苛性碱浓度对铝酸钠溶液分解率的影响55-56
- 2.6.2 苛性碱浓度对氢氧化铝附聚效率的影响56-57
- 2.6.3 苛性碱浓度对附聚物粒度分布的影响57-58
- 2.6.4 小结58
- 2.7 本章结论58-60
- 第三章 过饱和度的非相关因素对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响60-75
- 3.1 前言60
- 3.2 晶种性质对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响60-66
- 3.2.1 实验60-61
- 3.2.2 晶种对铝酸钠溶液分解率的影响61-62
- 3.2.3 晶种对氢氧化铝附聚效率的影响62
- 3.2.4 晶种对附聚物粒度分布的影响62-63
- 3.2.5 晶种对附聚产物形貌的影响63-65
- 3.2.6 活化机理65-66
- 3.2.7 小结66
- 3.3 晶种系数对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响66-70
- 3.3.1 晶种系数对铝酸钠溶液分解率的影响67
- 3.3.2 晶种系数对氢氧化铝附聚效率的影响67-68
- 3.3.3 晶种系数对附聚物粒度分布的影响68-69
- 3.3.4 小结69-70
- 3.4 搅拌速度对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响70-74
- 3.4.1 搅拌速度对铝酸钠溶液分解率的影响70-71
- 3.4.2 搅拌速度对氢氧化铝附聚效率的影响71-72
- 3.4.3 搅拌速度对附聚物粒度分布的影响72-73
- 3.4.4 小结73-74
- 3.5 本章结论74-75
- 第四章 过饱和铝酸钠溶液种分附聚过程中粒度分布信息的解析75-91
- 4.1 前言75
- 4.2 铝酸钠溶液种分附聚过程中粒度分布的混沌现象的研究75-85
- 4.2.1 混沌理论75-76
- 4.2.2 实验76-77
- 4.2.3 粒度分布时空的宏观无序与微观有序77-79
- 4.2.4 粒度分布的局域不稳而整体稳定79
- 4.2.5 粒度信息的灵敏初条件79-80
- 4.2.6 粒度分布图的分形特征80-81
- 4.2.7 前人工作中的混沌现象81-85
- 4.2.8 小结85
- 4.3 种分附聚动力学研究85-90
- 4.3.1 种分附聚的物理模型86
- 4.3.2 附聚速率常数k的计算86-89
- 4.3.3 小结89-90
- 4.4 本章结论90-91
- 第五章 一元醇类、一元羧酸类化合物对过饱和铝酸钠溶液种分附聚过程的影响91-110
- 5.1 前言91-92
- 5.2 实验92-93
- 5.2.1 实验方法92
- 5.2.2 实验装置92
- 5.2.3 过饱和铝酸钠溶液的制备92
- 5.2.4 晶种的制备92
- 5.2.5 主要试剂92-93
- 5.2.6 实验条件93
- 5.3 一元醇类化合物对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响93-100
- 5.3.1 一元醇添加量对铝酸钠溶液分解率的影响93-95
- 5.3.2 一元醇的碳链长度对铝酸钠溶液分解率的影响95-96
- 5.3.3 一元醇添加量对产品氢氧化铝粒度分布的影响96-98
- 5.3.4 一元醇的碳链长度对产品氢氧化铝粒度分布的影响98-99
- 5.3.5 小结99-100
- 5.4 一元羧酸类化合物对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响100-105
- 5.4.1 一元羧酸添加量对铝酸钠溶液分解率的影响100-101
- 5.4.2 一元羧酸碳链长度对铝酸钠溶液分解率的影响101-103
- 5.4.3 一元羧酸添加量对产品氢氧化铝粒度分布的影响103-104
- 5.4.4 一元羧酸碳链长度对产品氢氧化铝粒度分布的影响104-105
- 5.4.5 小结105
- 5.5 一元醇与一元羧酸混合添加对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响105-107
- 5.5.1 一元醇与一元羧酸混合添加对铝酸钠溶液分解率的影响105-106
- 5.5.2 一元醇与一元羧酸混合添加对产品氢氧化铝粒度分布的影响106-107
- 5.5.3 小结107
- 5.6 十八醇与油载体混合添加对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响107-108
- 5.6.1 十八醇与油载体混合添加对铝酸钠溶液分解率的影响107-108
- 5.6.2 十八醇与油载体混合添加对产品氢氧化铝粒度分布的影响108
- 5.6.3 小结108
- 5.7 本章结论108-110
- 第六章 有机聚合物对过饱和铝酸钠溶液种分附聚过程的影响110-128
- 6.1 前言110-111
- 6.2 实验111
- 6.2.1 实验方法111
- 6.2.2 实验装置111
- 6.2.3 过饱和铝酸钠溶液及晶种的制备111
- 6.2.4 0.25%聚丙烯酰胺(PAM)稀溶液的配置111
- 6.2.5 晶种分解条件111
- 6.3 PAM对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响111-121
- 6.3.1 PAM添加量对铝酸钠溶液分解率的影响111-115
- 6.3.2 PAM添加量对产品氢氧化铝粒度分布的影响115-116
- 6.3.3 PAM对氢氧化铝形貌的影响116-121
- 6.3.4 小结121
- 6.4 阳离子PAM影响铝酸钠溶液种分附聚过程的机理研究121-126
- 6.4.1 实验122-123
- 6.4.2 阳离子PAM影响铝酸钠溶液种分附聚过程的机理123-126
- 6.4.3 小结126
- 6.5 本章结论126-128
- 第七章 结论128-131
- 7.1 过饱和度的相关因素对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响128
- 7.2 过饱和度的非相关因素对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响128-129
- 7.3 过饱和铝酸钠溶液种分附聚过程中粒度分布信息的解析129
- 7.4 一元醇类、一元梭酸类化合物对铝酸钠溶液种分附聚过程的影响129
- 7.5 有机聚合物对过饱和铝酸钠溶液种分附聚过程的影响129-131
- 参考文献131-143
- 致谢143-144
- 攻读学位论文期间主要的研究成果144
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| 【参考文献】 | ||
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| 【同被引文献】 | ||
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| 【二级参考文献】 | ||
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| 【相似文献】 | ||
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