本发明属于氧化铝精制技术领域，特别涉及一种高纯一水软铝石和高纯氧化铝的制备方法。
背景技术：
高纯氧化铝，纯度一般高于99.99％，广泛应用于催化剂载体、蓝宝石、红宝石、功能陶瓷等领域。高纯一水软铝石是制备高纯氧化铝的重要前驱体，除一水软铝石相外，其它杂质含量一般不超过0.001％。目前应用最广泛的规模化生产一水软铝石的方法是氢氧化铝直接水热法，其以氢氧化铝为原料，以水为介质，在高压釜内，160℃以上的温度下水热生成一水软铝石。该方法生产工艺简单，成本低廉，但其纯度由氢氧化铝原料直接决定，难以使用低质原料生产出高纯一水软铝石。
目前有采用碳酸化分解铝酸钠溶液制备一水软铝石的相关研究，通过添加一水软铝石晶种和晶体生长促进剂，并控制co2通气速度，得到含量大于95％的一水软铝石产物。该类方法并没有合成出高纯一水软铝石。
目前有以nahco3溶液与铝酸钠溶液发生分解反应，添加一水软铝石晶种诱导铝酸钠溶液结晶析出一水软铝石的相关研究。但该类方法依旧无法合成出高纯一水软铝石。
目前有相关研究制备得到的高纯氧化铝纯度在99.99％以上，该类方法结合烧结法生产氧化铝工艺，以其中间产物氢氧化铝为原料，通过碱溶解氢氧化铝制备铝酸钠溶液，使用除杂剂除杂获得高纯铝酸钠溶液，种子碳酸化分解工艺制取高纯氢氧化铝，由于钠含量高，添加除钠剂与氢氧化铝共同水热处理制得高纯一水软铝石，经洗涤、焙烧获得高纯氧化铝。该类方法虽然合成得到了高纯一水软铝石和高纯氧化铝，但其为碱法工艺，需要利用铝酸钠溶液来制得一水软铝石，所得一水软铝石或氧化铝产品的钠、硅、镓含量高，纯度很难继续提升，纯度指标的限制影响其在多领域的应用。
技术实现要素：
有鉴于此，针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高纯一水软铝石和高纯氧化铝的制备方法，该方法首先将工业氢铝酸溶形成铝盐溶液，结晶提纯获得高纯铝盐，配制成铝盐溶液后加入少量预沉淀剂沉淀，形成高活性胶体，有效去除溶液中的金属元素杂质，固液分离后获得高纯铝盐溶液；尿素与高纯铝盐溶液进行均相沉淀反应获得无定型氧化铝水合物，经水热处理得到高纯一水软铝石，焙烧后得到高纯氧化铝。
本发明第一方面提供了一种高纯一水软铝石的制备方法，步骤包括：
s1、酸溶：酸溶工业氢氧化铝获得铝盐溶液；
s2、结晶提纯：将步骤s1所得铝盐溶液结晶纯化获得高纯铝盐；
s3、预沉淀除杂：向高纯铝盐的水溶液中加入预沉淀剂形成胶体沉淀，固液分离得到高纯铝盐溶液；所述预沉淀剂包括氨水、碳酸铵或碳酸氢铵中的一种或几种；
s4、化学均相沉淀：将步骤s3所得高纯铝盐溶液与沉淀剂反应，控制反应温度为85-99℃，反应终点ph为5.5-8，过滤、洗涤，获得无定型氧化铝水合物；所述沉淀剂包括尿素；
s5、水热处理：将无定型氧化铝水合物在温度150-190℃下水热反应2-20h；过滤、洗涤后获得高纯一水软铝石。
本发明第二方面提供了一种高纯氧化铝的制备方法，步骤包括：
将上述方法高纯一水软铝石的制备方法制备得到的高纯一水软铝石洗涤、干燥后焙烧，自然冷却得到高纯氧化铝。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)工艺流程简单，成本低廉。本发明高纯一水软铝石和高纯氧化铝的制备方法，铝盐制备过程为简单的金属酸溶过程，铝盐提纯为简单的结晶过程，预沉淀生成胶状物及沉淀生成无定型氧化铝水合物为简单的化学沉淀过程，高纯一水软铝石的获得为简单的水热过程，工艺简单。所用原料工业氢铝、预沉淀剂、沉淀剂价格低廉。
(2)纯度指标稳定。本发明制备高纯一水软铝石和高纯氧化铝的过程包含铝盐重结晶提纯及加入预沉淀剂形成高活性胶体除杂两个提纯工艺，确保了一水软铝石和氧化铝粉体纯度的稳定。
(3)产品纯度高。本发明获得的高纯一水软铝石和高纯氧化铝，产品质量稳定且纯度高，除铝元素以外的金属元素与硅元素含量的总和不高于0.001％。与铝酸钠体系工艺相比，钠、硅、镓等元素都可降至5ppm以下。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。本发明实施例中采用的铝源为工业氢氧化铝，酸溶解剂为分析纯硫酸或硝酸，预沉淀剂为分析纯氨水、碳酸铵或碳酸氢铵。
本发明第一方面提供了一种高纯一水软铝石的制备方法，步骤包括：
s1、酸溶：酸溶工业氢氧化铝获得铝盐溶液；
s2、结晶提纯：将步骤s1所得铝盐溶液结晶纯化获得高纯铝盐；
s3、预沉淀除杂：向高纯铝盐的水溶液中加入预沉淀剂形成胶体沉淀，固液分离得到高纯铝盐溶液；所述预沉淀剂包括氨水、碳酸铵或碳酸氢铵中的一种或几种；
s4、化学均相沉淀：将步骤s3所得高纯铝盐溶液与沉淀剂反应，控制反应温度为85-99℃，反应终点ph为5.5-8，过滤、洗涤，获得无定型氧化铝水合物；所述沉淀剂包括尿素；
s5、水热处理：将无定型氧化铝水合物在温度150-190℃下水热反应2-20h；过滤、洗涤后获得高纯一水软铝石。
优选的，步骤s1中，使用分析纯硫酸或硝酸加热溶解工业氢氧化铝。
优选的，上述高纯一水软铝石的制备方法中，采用两次结晶提纯获得高纯铝盐，步骤s2中，所述结晶纯化包括：加热浓缩步骤s1所得铝盐溶液，冷却降温至10-40℃，过滤获得一次结晶铝盐，再将一次结晶铝盐加热溶解，冷却降温至10-40℃，过滤后获得高纯铝盐，所述高纯铝盐纯度>99.9％，其中fe含量≤15ppm，ca含量≤10ppm。
更加优选的，上述两次结晶过程中产生的铝盐母液可循环使用。步骤s2中，所述结晶纯化过程中过滤得到的滤液循环利用，所述循环利用包括：将滤液返回至步骤s2与再次参与结晶提纯。
优选的，步骤s3中，在0-30℃条件下向高纯铝盐的水溶液中加入预沉淀剂，所述预沉淀剂为氨水、碳酸铵或碳酸氢铵中的一种；所述氨水作为预沉淀剂的加入量与铝元素的摩尔比为(0.95～1.4):1；所述碳酸铵作为预沉淀剂的加入量与铝元素的摩尔比为(0.27～0.5)：1；所述碳酸氢铵作为预沉淀剂的加入量与铝元素的摩尔比为(1.8～2.3):1。控制氨水或碳酸铵或碳酸氢铵预沉淀剂的加入量，实现部分沉淀以形成高活性絮状胶体，其可以吸附溶液中的杂质离子和悬浮物，利于固液分离后获得高纯铝盐溶液。
更加优选的，步骤s3中，控制胶体沉淀中的铝元素量占所述高纯铝盐中铝总量的5-20％。
优选的，步骤s3中，分离出的胶体沉淀酸化后循环利用。所述酸化可采用分析纯硫酸或硝酸酸化。
优选的，步骤s4中，所述尿素与高纯铝盐溶液中铝元素的摩尔比为(3～200)：1。
优选的，步骤s4中，所述无定型氧化铝水合物的固体含量为5-150g/l。
优选的，步骤s4中，所述洗涤过程为使用去离子水反复洗涤，以去除no3-,so42-等阴离子，获得无定型氧化铝水合物；过滤所得高纯铝盐溶液与尿素沉淀反应产生的母液蒸发结晶，后续利用。
优选的，步骤s5中，所述水热反应在内衬聚四氟乙烯或搪瓷的高压反应釜中进行。
本发明第二方面提供了一种高纯氧化铝的制备方法，步骤包括：
将上述方法高纯一水软铝石的制备方法制备得到的高纯一水软铝石洗涤、干燥后焙烧，自然冷却得到高纯氧化铝。
优选的，所述洗涤为采用去离子水反复洗涤；所述干燥为在60-100℃空气气氛中干燥5-10小时。
优选的，所述焙烧为在550-1200℃高温下焙烧3-6小时。
下面将结合具体的实例对本发明提供的一种高纯一水软铝石和高纯氧化铝的制备方法进行说明。
实施例1
本实施例将工业氢氧化铝经硫酸溶解制得硫酸铝溶液，两次结晶提纯获得高纯硫酸铝，加入一定量碳酸铵形成高活性絮状胶体进行除杂，固液分离后获得高纯硫酸铝溶液。尿素与高纯硫酸铝溶液发生沉淀反应获得无定型氧化铝水合物，经水热处理得到高纯一水软铝石，焙烧后得到高纯氧化铝。具体步骤如下：
(1)酸溶工业氢铝：配置浓度为30％的硫酸在搅拌条件下加热溶解工业氢氧化铝，经稀释、过滤后获得硫酸铝溶液，为保证硫酸彻底消耗，控制氢氧化铝过量3％。
(2)两次结晶提纯：硫酸铝溶液冷却降温至15℃，过滤获得一次结晶硫酸铝；将一次结晶硫酸铝加水提温至沸腾，完全溶解后冷却降温至15℃，过滤后获得高纯硫酸铝。所得高纯硫酸铝纯度>99.9％，其中fe含量为11ppm，ca含量为8ppm。两次结晶过程产生的硫酸铝母液返硫酸铝一次结晶过程实现循环使用。
(3)预沉淀除杂：将高纯硫酸铝配制成500ml0.3mol/l硫酸铝溶液，20℃、带搅拌条件下，加入50ml2mol/l碳酸铵溶液，形成的高活性絮状胶体可以吸附溶液中的杂质离子和悬浮物，过滤后获得高纯硫酸铝溶液。其中絮状胶状铝的沉淀物返酸溶工业氢铝工序实现循环利用。
(4)化学均相沉淀：向上述高纯硫酸铝溶液中加入60g尿素，升温至95℃并保温，溶液出现沉淀且ph为6时停止加热，过滤，用去离子水反复洗涤，得到无定型氧化铝水合物。其中，高纯硫酸铝溶液与尿素沉淀反应产生的母液蒸发结晶，得到硫酸铵产品(硫酸铵纯度>99.9％)，出售利用。
(5)水热处理：将固体含量为30g/l的氧化铝水合物溶液倒入带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，密封后放入170℃的烘箱水热处理8h，过滤，用去离子水反复洗涤，获得高纯一水软铝石。
(6)烘干、焙烧：高纯一水软铝石在80℃空气气氛中干燥5小时，而后在600℃高温炉中焙烧3小时，自然降温后取出，得到高纯γ氧化铝。
该实例所得一水软铝石和氧化铝纯度>99.99％，其等离子体发射光谱仪(icp)数据结果如表1所示。
表1实施例1产物icp分析结果
实施例2
本实施例将工业氢氧化铝经硝酸溶解制得硝酸铝溶液，两次结晶提纯获得高纯硝酸铝，加入一定量氨水形成高活性絮状胶体进行除杂，固液分离后获得高纯硝酸铝溶液。尿素与高纯硝酸铝溶液发生沉淀反应获得无定型氧化铝水合物，经水热处理得到高纯一水软铝石，焙烧后得到高纯氧化铝。具体步骤如下：
(1)酸溶工业氢氧化铝：配置浓度为30％的硝酸加热溶解工业氢铝，经稀释、过滤后获得硝酸铝溶液。
(2)两次结晶提纯：将硝酸铝溶液冷却降温至20℃，过滤获得一次结晶硝酸铝；将一次结晶硝酸铝加水提温至沸腾，完全溶解后冷却降温至20℃，过滤后获得高纯硝酸铝。所得高纯硝酸铝纯度>99.9％，其中fe含量为8ppm，ca含量为6ppm。两次结晶过程产生的硝酸铝母液循环使用。
(3)预沉淀除杂：将高纯硝酸铝配制成500ml浓度为0.25mol/l硝酸铝溶液，20℃条件下加入20ml浓度为25％的氨水，形成的高活性絮状胶体可以吸附溶液中的杂质离子和悬浮物，过滤后获得高纯硝酸铝溶液。其中絮状胶状铝的沉淀物经分析纯硝酸酸化后循环利用。
(4)化学沉淀：向上述高纯硝酸铝溶液中加入50g尿素，升温至90℃，当溶液ph为7时停止加热，过滤，用去离子水反复洗涤，得到无定型氧化铝水合物。其中，高纯硝酸铝溶液与尿素沉淀反应产生的母液蒸发结晶，后续利用。
(5)水热处理：将固体含量为50g/l的氧化铝水合物溶液倒入带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，密封后放入160℃的烘箱水热处理10h，过滤，用去离子水反复洗涤，获得高纯一水软铝石。
(6)烘干、焙烧：高纯一水软铝石在60℃空气气氛中干燥8小时，而后在1100℃高温炉中焙烧5小时，自然降温后取出，得到高纯α氧化铝。
该实例所得一水软铝石和氧化铝纯度>99.99％，其等离子体发射光谱仪(icp)数据结果如表所示。
表2实施例2产物icp分析结果
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。