前言

硫酸鋁是一種常用的化工產(chǎn)品,具有多種用途,可用作制媒染劑、凈水劑、防水劑、澄清劑、石油除臭劑、沉淀劑等。通常,水合硫酸鋁可分別攜帶有6,10,16,18和27個結(jié)晶水分子,在制備無水及低含水硫酸鋁時脫水過程將消耗大量能量,例如利用水合硫酸鋁制備氧化鋁時,其中加熱脫去硫酸鋁所含的結(jié)晶水是整個工藝耗能最大的環(huán)節(jié)。微波化學(xué)是一門研究在化學(xué)反應(yīng)中運用微波技術(shù)的新興前沿交叉學(xué)科。微波輻射具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng),對極性物質(zhì)具有高效、均勻的加熱作用,如果運用在脫水過程可以縮短脫水時間,簡化脫水工藝,同時改變脫水產(chǎn)物形態(tài)。

本文使用微波輻射作用于水合硫酸鋁的脫水過程,研究微波功率對脫水效率的影響，以及微波輻射條件下脫水過程的失重曲線,通過SEM照片對常規(guī)條件及微波條件下脫水產(chǎn)物的形貌進行分析。證實了微波脫水具有效率高、能耗少等優(yōu)點,同時對產(chǎn)物的物相與形貌有一定的影響。

方法^[1]

1、微波脫水實驗

稱取10g水合硫酸鋁樣品于陶瓷坩堝中,置于微波爐內(nèi),分別使用功率40%，60%,80%,100%四檔進行微波脫水實驗,實驗中每間隔一定時間,迅速將產(chǎn)物取出稱重,計算失重百分比R。

2、測溫實驗

稱取10g水合硫酸鋁樣品置于陶瓷坩堝中,置于微波爐內(nèi),選取一定功率進行微波脫水實驗,實驗中每間隔一定時間,迅速將產(chǎn)物取出,同時通過熱電偶測出其溫度。

3、產(chǎn)物的形態(tài)比較分析

稱取一定量的水合硫酸鋁樣品A、B兩份,A置于烘箱中160℃加熱一定時間,B置于微波爐中加熱一定時間取出,分別做掃描電鏡(SEM)分析。

結(jié)果^[1]

1、樣品的熱重-差熱分析

由圖1可知,樣品存在兩次脫水過程。第一次為90~300℃附近,該過程失重38.22%，第二次失重過程從300-380℃,失重6.32%,此后直至839℃轉(zhuǎn)化為氧化鋁出現(xiàn)第三個失重過程。從差熱曲線可以看出，脫水過程為吸熱過程,峰向下。圖1顯示共有兩個吸熱峰,可見,水合硫酸鋁中結(jié)合水的方式并不相同,脫水過程所需溫度條件也有所區(qū)別。

通過計算可得,樣品中結(jié)合水為15個,即Al(SO4)3?15H2O,第一個失重峰失去13個結(jié)晶水,第二個失重峰失去2個結(jié)晶水。

2、微波功率對脫水的影響

已有研究表明，微波脫水和常規(guī)脫水方法相比，其脫水的動力學(xué)速率明顯高于常規(guī)方法。圖2為不同功率條件下微波脫水時間與脫水率的曲線，測定樣品質(zhì)量的時間間隔為20s。

由圖2可知，在對不同功率條件下微波脫水效果的研究中發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著微波功率的提高，其脫水的動力學(xué)速率明顯加快，并且脫水所需時間逐步遞減。但是，當微波功率從80％提高到100％時，脫水速率并沒有太大變化，二者的曲線幾乎重合。此外，從圖2中還可看出，樣品的失重均在30％左右，并不能達到38.22％，即在微波脫水過程 中，大約可脫掉10個結(jié)晶水，而其它結(jié)晶水無法脫除，其原因可能是樣品為硫酸鋁結(jié)合不同個數(shù)水分子的混合物，而水分子與硫酸鋁的結(jié)合方式也不完全相同。從微觀上看，不同水分子和硫酸鋁的成鍵方式并不完全相同，從而造成水分子無法完全脫除。因此可以看出，在制備低含水硫酸鋁時，若采用微波脫水，脫水效率和常規(guī)方法相比可大大提高。而對于無法將所有結(jié)晶水脫去的原因，還有待進一步的深入研究。

3、微波條件下的升溫曲線

關(guān)于硫酸鋁升溫性能,文獻進行了較為詳盡的研究。值得注意的一點是,在升溫曲線中存在兩個微小的波動,溫度有所回落,這可能是由于水分子具有較大的介電損耗,在脫水過程中,肉眼可觀察到樣品迅速膨脹,脫去結(jié)晶水,該過程帶走大量熱，而硫酸鋁介電損耗較小,升溫速率較慢，從而造成宏觀測定溫度的降低。另外,升溫過程中最高溫度達到123℃時反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束,進一步微波輻射加熱,樣品質(zhì)量并無變化。和熱重分析相比,低于其脫水所需溫度。這可能是由于兩個原因造成:一是由于熱電偶無法插入微波爐內(nèi)測溫,取出測溫造成的人為誤差;二是由于微波加熱過程中的微觀熱點,達到了脫水所需的溫度條件,但這種熱點并不表現(xiàn)為宏觀升溫,所以熱電偶溫度計無法測出。由于微波輻射為選擇性加熱,在反應(yīng)體系中祥品溫度升高到反應(yīng)溫度時,環(huán)境溫度并沒有太大變化。因此,和傳統(tǒng)加熱方式相比,能耗進一步有所降低。

4、傳統(tǒng)脫水與微波脫水產(chǎn)物形貌比較

將方法3中兩份產(chǎn)物取出，保存于自封袋中， 用肉眼可明顯觀察到二者的體積有一定差別，即二者密度出現(xiàn)差別。

可以看出，a圖中產(chǎn)物顆粒較大，為層狀結(jié)構(gòu)，顆粒表面及邊緣較為圓滑。而微波輻射條件下脫水，如圖4b所示，所得產(chǎn)物顆粒較小，且表面存在一些細小碎片，產(chǎn)物為片狀，顆粒邊緣有棱角?？梢?，通過傳統(tǒng)方式脫水和微波輻射條件下脫水，所得晶體的表觀結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一定的差異，這可能是由于微波輻射的“選擇性加熱”特性，或是非熱效應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)物的形態(tài)差異。烘箱加熱過程為熱傳遞過程，樣品從表面到內(nèi)部逐漸升溫，且升溫過程緩慢，脫水反應(yīng)過程平穩(wěn)進行。而微波輻射脫水時，樣品從內(nèi)部到表面同步加熱，且水的介電損耗大于硫酸鋁，反應(yīng)迅速進行，在局部微觀上可能會出現(xiàn)爆裂，宏觀上表現(xiàn)為水合硫酸鋁樣品在反應(yīng)過程快速膨脹，完成了脫水過程。因此，會在形貌上表現(xiàn)出碎片等。

參考文獻

[1] 白光輝,徐鵬,張輝,等. 水合硫酸鋁的微波脫水[J]. 應(yīng)用化工,2008,37(11):1325-1327. DOI:10.3969/j.issn.1671-3206.2008.11.020.