一種脲溶膠—凝膠法還原硝酸鋁制備鋁的方法研究

周永福+黃瓊儉

摘 要 采用溶膠—凝膠法制備鋁金屬材料，探討了反應(yīng)設(shè)備、反應(yīng)原理、添加劑用量對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物純度的影響。采用化學(xué)分析手段對(duì)制備得到的鋁金屬純度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在銅質(zhì)蓋片催化下，采用脲素和以Al（NO3）3為鋁源有助于熱還原反應(yīng)，添加檸檬酸能有效地提高鋁源的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)提高產(chǎn)品鋁的純度。

關(guān)鍵詞 溶膠-凝膠法；脲素還原；硝酸鋁；制備鋁

中圖分類號(hào)：TQ174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）09-0063-02

鋁工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防中占有重要戰(zhàn)略地位，同時(shí)鋁制產(chǎn)品在人民生活中普遍存在；鋁材料及鋁合金材料在近年其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的65%，為1565萬(wàn)噸[1]，目前，鋁材料需求量也與日俱增，世界各國(guó)根據(jù)自己的鋁礦物的品位使用各種不同的冶煉技術(shù)和方法，我國(guó)這方面的研究工作也在積極尋找方法。目前，所使用的比較成熟的方法、原理各不相同，得到的商品鋁材料純度也不相同。但這些方法都存在產(chǎn)生大量難處理的工業(yè)廢料、工業(yè)酸堿廢液、能量消耗大、環(huán)境不友好等缺點(diǎn)如：美國(guó)Alcoa公司采用碳熱還原法[2]，利用鼓風(fēng)爐為反應(yīng)器，沒(méi)有添加其他物質(zhì)的情況下，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程從熔融的氧化鋁和碳的熔鹽中獲取金屬鋁。而Reynolds公司則在相對(duì)較低

溫[3]的條件下反應(yīng)生成碳氧鋁化合物后，再在高溫條件下反應(yīng)生成金屬鋁。兩家公司所使用的原料都是碳和氧化鋁，在反應(yīng)中，碳既做還原劑又做能量提供劑，在過(guò)程中都先生成碳化物再提高溫度使這些碳化物/碳合物生成金屬鋁和二氧化碳?xì)怏w。氧化鋁化合物具有較高的熔點(diǎn)[4]（2050℃），這么高的溫度不但消耗能量，而且對(duì)反應(yīng)裝置要求更高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與藥品

1）儀器。坩堝、250 mL燒杯、電爐、研缽、鐵架、銅質(zhì)油浴鍋。

2）藥品。脲素（分析純）：廊坊鵬彩精細(xì)化工有限公司；九結(jié)晶水的硝酸鋁（分析純）：夏縣運(yùn)力化工有限公司；檸檬酸（分析純）：蘇州盛巨化工有限公司。

1.2 反應(yīng)原理

在冶煉金屬鋁的方法中、由于底物或物源不一樣，發(fā)表的文獻(xiàn)中有著各種反應(yīng)原理。本研究以硝酸鋁為底物、脲素為還原劑、添加檸檬酸為泡沫劑，銅質(zhì)片為催化劑，在空氣中還原制備鋁金屬，原理如下：

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1）分別將原料硝酸鋁和尿素破磨。稱取5.4483 g的尿素、11.3021 g 的硝酸鋁，以反應(yīng)原理中的硝酸鋁摩爾化學(xué)當(dāng)量的（硝酸鋁/尿素）=2：3的比例混合均勻，原料放入坩堝中，用銅質(zhì)片（帶有邊帽）蓋住坩堝口，常壓條件下，于電爐上直接加熱，加熱還原熔煉60分鐘，待溫度降至室溫。

2）分別將原料硝酸鋁、檸檬酸破磨。稱取5.0000 g左右的檸檬酸、11.0000 g的硝酸鋁，以反應(yīng)原理中的硝酸鋁摩爾化學(xué)當(dāng)量的（硝酸鋁/檸檬酸）=2：3的比例混合均勻。原料放入坩堝中、用銅質(zhì)片（帶有邊帽）蓋住坩堝口，常壓條件下，于電爐上直接加熱，加熱還原熔煉60分鐘，待溫度降至室溫。

3）分別將原料硝酸鋁、檸檬酸、尿素破磨。稱取5.0000 g左右的尿素、11.0141 g的硝酸鋁，以反應(yīng)原理中的硝酸鋁摩爾化學(xué)當(dāng)量的（硝酸鋁/尿素）=2：3的比例混合均勻，添加2.0000 g的檸檬酸作為泡沫劑、混合均勻。原料放入坩堝中、用銅質(zhì)片（帶有邊帽）蓋住坩堝口，常壓條件下，于電爐上直接加熱，加熱還原熔煉60分鐘，待溫度降至室溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

純度檢驗(yàn)：

在方法1）中，在坩堝底附一層暗灰色塊狀、稱重得1.2034 g，表面附有多孔；于50 mL 2.0 mol/l的鹽酸溶液中反應(yīng)，并收集氣體，點(diǎn)燃、有爆炸聲，說(shuō)明為氫氣；待反應(yīng)完全、過(guò)濾、稱重，得0.4057 g的殘?jiān)坏娩X純度為55.08%。

在方法2）中，在坩堝口有白色溶膠狀物質(zhì)、之后氧化燃燒在鍋底附一層灰色塊狀、稱重得10.8612 g；取其中2.0158 g于50 mL 2.0 mol/l的鹽酸溶液中反應(yīng)?，F(xiàn)象：無(wú)明顯的氣泡產(chǎn)生，點(diǎn)燃無(wú)爆炸聲音產(chǎn)生。過(guò)濾、稱重，得1.9132 g；底物基本沒(méi)有反應(yīng)。說(shuō)明：無(wú)產(chǎn)物鋁生成；結(jié)果：在催化劑存在下、加熱檸檬酸對(duì)硝酸鋁無(wú)還原性。

在方法3）中，在坩堝口有白色溶膠泡沫窿狀物質(zhì)、之后氧化燃燒在鍋底、而銅質(zhì)蓋邊帽檐中有銀白色金屬粒、稱重得0.6210 g；于50mL 2.0 mol/l的鹽酸溶液中反應(yīng)?，F(xiàn)象：有氣泡產(chǎn)生；并收集氣體，點(diǎn)燃、有爆炸聲，說(shuō)明為氫氣；待反應(yīng)完全、過(guò)濾、稱重得0.0512 g殘?jiān)坏娩X純度為91.76%。

2.2 討論

1）設(shè)備討論。與在楊斌、戴永年等申請(qǐng)的專利中所使用的設(shè)備相比，該方法在設(shè)備要求不苛刻、投資少，現(xiàn)實(shí)生活中容易達(dá)到，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程不需要保護(hù)氣體。一步就得純金屬鋁，流程簡(jiǎn)單，不用整流設(shè)備，對(duì)原材料要求不高。

2）產(chǎn)物的討論。在此方法中得到的產(chǎn)物，在與稀鹽酸反應(yīng)時(shí)有明顯的氣泡產(chǎn)生、表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)，說(shuō)明產(chǎn)物不可能為鋁的化合物，特別是氧化鋁、氮化鋁。

3）泡沫劑添加討論。分別稱取0.9641 g、1.0216 g、1.0421 g研細(xì)好的硝酸鋁于坩堝中，在盛有硝酸鋁的坩堝中依次加入1.4968 g的檸檬酸、1.5012 g脲素、1.5056 g脲素和1.5031 g檸檬酸，蓋上銅質(zhì)片，分別于三個(gè)電爐上加熱1小時(shí)、取下、冷卻。如表1。

表1 檸檬酸添加對(duì)產(chǎn)物影響

坩堝序號(hào) 1

（0.9641 g） 2

（1.0216 g） 3

（1.0421 g）

添加物 檸檬酸 脲素 檸檬酸-脲素

重量（g） 1.4968 1.5012 1.5056-1.5031endprint

產(chǎn)物量（g） 0.0000 1.1021 1.0315

轉(zhuǎn)化率（%） 0.00 63.22 92.54

從表1可以得出，在不加還原劑脲素的情況下，產(chǎn)物量為零，底物硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率為零，說(shuō)明檸檬酸與底物不發(fā)生還原反應(yīng)，檸檬酸不能把硝酸鋁還原出金屬鋁。但是體系中并不影響檸檬酸的發(fā)泡作用，檸檬酸能熔融發(fā)泡，冷卻、用玻棒輕輕壓、容易粉碎，并得納米級(jí)顆粒物。

在不添加泡沫劑檸檬酸的條件下，還原劑脲素與硝酸鋁發(fā)生氧化還原反應(yīng)，能順利得到產(chǎn)物量為1.1021 g，與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，待反應(yīng)完全、過(guò)濾，稱重得0.4053 g濾渣；硝酸鋁轉(zhuǎn)化率為63.22%，從產(chǎn)物表面上可以看到，其產(chǎn)物表面分布著孔徑，且金屬內(nèi)部包裹有未反應(yīng)完全的硝酸鋁，影響產(chǎn)物純度和反應(yīng)底物完全與否。

在添加檸檬酸，有還原劑存在的條件下，加熱檸檬酸產(chǎn)生溶膠現(xiàn)象，還原劑與底物充分接觸、還原得金屬鋁珠、滑掉于銅質(zhì)蓋邊帽，部分滑落于坩堝底部，產(chǎn)物量為1.0315 g，且表面光澤鮮亮；與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，待反應(yīng)完全、過(guò)濾、稱重，濾渣為0.0671 g；轉(zhuǎn)化率為：92.54%。表明：添加檸檬酸有利于反應(yīng)底物充分反應(yīng)；能提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率；提高產(chǎn)物的純度。

4）還原劑使用量討論。稱取1.9921g左右的研細(xì)的硝酸鋁于坩堝中，在其他條件不變的情況下，以硝酸鋁/脲素摩爾比為2：3為參照，成倍數(shù)改變還原劑脲素的摩爾計(jì)量，相應(yīng)的鋁的產(chǎn)率如表2。

從表2中得出：在參照脲素/硝酸鋁摩爾比3：2上，隨還原劑脲素的量達(dá)到摩爾比時(shí)，即為0.0時(shí)，所得產(chǎn)物與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，過(guò)濾、對(duì)殘?jiān)M(jìn)行稱重，反應(yīng)掉鋁的量逐漸增加；當(dāng)摩爾比是2：1，3：1時(shí)產(chǎn)物鋁的產(chǎn)量與摩爾比單量產(chǎn)量相當(dāng)，變化不大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定在95.60-98.10之間，也為最大轉(zhuǎn)化率區(qū)間；當(dāng)還原劑摩爾比繼續(xù)增大，產(chǎn)量增大，但是硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率降低，所得產(chǎn)物中有一部分硝酸鋁被包裹，反應(yīng)不完成，影響產(chǎn)物的純度。

5）銅質(zhì)蓋片催化討論.準(zhǔn)確稱取1.0184 g、1.1031 g硝酸鋁于兩個(gè)坩堝中、分別加入1.5290 g、1.5027 g尿素，混合均勻、坩堝1蓋上銅質(zhì)蓋片，坩堝2蓋上坩堝蓋，于電爐上加熱，反應(yīng)60分鐘。如表3。

表3 銅質(zhì)蓋片對(duì)反應(yīng)的影響

坩堝序號(hào) 1 2

硝酸鋁（g） 1.0184 1.1031

尿素（g） 1.5290 1.5027

檸檬酸（g） 1.1025 0.9680

鋁產(chǎn)量（g） 0.8530 0.0000

在表3中，1號(hào)坩堝的現(xiàn)象是在銅質(zhì)邊帽處有金屬鋁珠產(chǎn)生；而2號(hào)坩堝在加熱過(guò)程中產(chǎn)生泡沫，然后燃燒，產(chǎn)生耀眼的白光，沒(méi)有產(chǎn)物生成。從研究現(xiàn)象和結(jié)果看，銅質(zhì)蓋帽在次還原反應(yīng)制備金屬鋁的過(guò)程中起到催化作用。

3 結(jié)論

1）在此方法中得到的產(chǎn)物，在與稀鹽酸反應(yīng)時(shí)有明顯的氣泡產(chǎn)生、表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)，說(shuō)明產(chǎn)物不可能為鋁的化合物，特別是氧化鋁、氮化鋁。

2）在此脲素溶膠-凝膠還原硝酸鋁制備金屬鋁的過(guò)程中，銅質(zhì)蓋帽在反應(yīng)中起到催化作用。

3）檸檬酸添加，有利于反應(yīng)底物充分反應(yīng)；能提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率；提高產(chǎn)物的純度。

4）當(dāng)尿素摩爾比是硝酸鋁的2-3倍時(shí)，此法還原得的產(chǎn)物鋁的產(chǎn)量大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定在95.60-98.10之間，為最大轉(zhuǎn)化率區(qū)間；當(dāng)還原劑摩爾比繼續(xù)增大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率降低，所得產(chǎn)物中有一部分硝酸鋁被包裹，反應(yīng)不完成，影響產(chǎn)物的純度。

5）該方法在設(shè)備要求不苛刻、投資少，現(xiàn)實(shí)生活中容易達(dá)到，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程不需要保護(hù)氣體。一步就得純金屬鋁，流程簡(jiǎn)單，不用整流設(shè)備，對(duì)原材料要求不高。

參考文獻(xiàn)

[1]M. Halmann， A. Frei， A. Steinfeld Carbothermal reduction of alumina： Thermochemical equilibrium calculations and experimental investigation；Energy 32 （2007） 2420-2427.

[2]王平艷，戴永年，蔣世新，等.碳熱還原及低價(jià)氯化物分解法制備鋁的研究[J].有色金屬（冶煉部分），2005：11-13.

[3]馮月斌，楊斌.真空下碳熱還原氧化鋁的熱力學(xué)[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21（7）：1748-1755.

[4]P. Lefort， D. Tetard & P. Tristant Formation of Aluminium Carbide by Carbothermal Reduction of Alumina： Role of the Gaseous Aluminium Phase Journal of the European Ceramic Society 12 （1993） 123-129.

作者簡(jiǎn)介

周永福（1983-），男，云南華寧人，助教，研究方向：天然藥物開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。endprint

產(chǎn)物量（g） 0.0000 1.1021 1.0315

轉(zhuǎn)化率（%） 0.00 63.22 92.54

從表1可以得出，在不加還原劑脲素的情況下，產(chǎn)物量為零，底物硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率為零，說(shuō)明檸檬酸與底物不發(fā)生還原反應(yīng)，檸檬酸不能把硝酸鋁還原出金屬鋁。但是體系中并不影響檸檬酸的發(fā)泡作用，檸檬酸能熔融發(fā)泡，冷卻、用玻棒輕輕壓、容易粉碎，并得納米級(jí)顆粒物。

在不添加泡沫劑檸檬酸的條件下，還原劑脲素與硝酸鋁發(fā)生氧化還原反應(yīng)，能順利得到產(chǎn)物量為1.1021 g，與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，待反應(yīng)完全、過(guò)濾，稱重得0.4053 g濾渣；硝酸鋁轉(zhuǎn)化率為63.22%，從產(chǎn)物表面上可以看到，其產(chǎn)物表面分布著孔徑，且金屬內(nèi)部包裹有未反應(yīng)完全的硝酸鋁，影響產(chǎn)物純度和反應(yīng)底物完全與否。

在添加檸檬酸，有還原劑存在的條件下，加熱檸檬酸產(chǎn)生溶膠現(xiàn)象，還原劑與底物充分接觸、還原得金屬鋁珠、滑掉于銅質(zhì)蓋邊帽，部分滑落于坩堝底部，產(chǎn)物量為1.0315 g，且表面光澤鮮亮；與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，待反應(yīng)完全、過(guò)濾、稱重，濾渣為0.0671 g；轉(zhuǎn)化率為：92.54%。表明：添加檸檬酸有利于反應(yīng)底物充分反應(yīng)；能提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率；提高產(chǎn)物的純度。

4）還原劑使用量討論。稱取1.9921g左右的研細(xì)的硝酸鋁于坩堝中，在其他條件不變的情況下，以硝酸鋁/脲素摩爾比為2：3為參照，成倍數(shù)改變還原劑脲素的摩爾計(jì)量，相應(yīng)的鋁的產(chǎn)率如表2。

從表2中得出：在參照脲素/硝酸鋁摩爾比3：2上，隨還原劑脲素的量達(dá)到摩爾比時(shí)，即為0.0時(shí)，所得產(chǎn)物與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，過(guò)濾、對(duì)殘?jiān)M(jìn)行稱重，反應(yīng)掉鋁的量逐漸增加；當(dāng)摩爾比是2：1，3：1時(shí)產(chǎn)物鋁的產(chǎn)量與摩爾比單量產(chǎn)量相當(dāng)，變化不大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定在95.60-98.10之間，也為最大轉(zhuǎn)化率區(qū)間；當(dāng)還原劑摩爾比繼續(xù)增大，產(chǎn)量增大，但是硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率降低，所得產(chǎn)物中有一部分硝酸鋁被包裹，反應(yīng)不完成，影響產(chǎn)物的純度。

5）銅質(zhì)蓋片催化討論.準(zhǔn)確稱取1.0184 g、1.1031 g硝酸鋁于兩個(gè)坩堝中、分別加入1.5290 g、1.5027 g尿素，混合均勻、坩堝1蓋上銅質(zhì)蓋片，坩堝2蓋上坩堝蓋，于電爐上加熱，反應(yīng)60分鐘。如表3。

表3 銅質(zhì)蓋片對(duì)反應(yīng)的影響

坩堝序號(hào) 1 2

硝酸鋁（g） 1.0184 1.1031

尿素（g） 1.5290 1.5027

檸檬酸（g） 1.1025 0.9680

鋁產(chǎn)量（g） 0.8530 0.0000

在表3中，1號(hào)坩堝的現(xiàn)象是在銅質(zhì)邊帽處有金屬鋁珠產(chǎn)生；而2號(hào)坩堝在加熱過(guò)程中產(chǎn)生泡沫，然后燃燒，產(chǎn)生耀眼的白光，沒(méi)有產(chǎn)物生成。從研究現(xiàn)象和結(jié)果看，銅質(zhì)蓋帽在次還原反應(yīng)制備金屬鋁的過(guò)程中起到催化作用。

3 結(jié)論

1）在此方法中得到的產(chǎn)物，在與稀鹽酸反應(yīng)時(shí)有明顯的氣泡產(chǎn)生、表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)，說(shuō)明產(chǎn)物不可能為鋁的化合物，特別是氧化鋁、氮化鋁。

2）在此脲素溶膠-凝膠還原硝酸鋁制備金屬鋁的過(guò)程中，銅質(zhì)蓋帽在反應(yīng)中起到催化作用。

3）檸檬酸添加，有利于反應(yīng)底物充分反應(yīng)；能提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率；提高產(chǎn)物的純度。

4）當(dāng)尿素摩爾比是硝酸鋁的2-3倍時(shí)，此法還原得的產(chǎn)物鋁的產(chǎn)量大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定在95.60-98.10之間，為最大轉(zhuǎn)化率區(qū)間；當(dāng)還原劑摩爾比繼續(xù)增大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率降低，所得產(chǎn)物中有一部分硝酸鋁被包裹，反應(yīng)不完成，影響產(chǎn)物的純度。

5）該方法在設(shè)備要求不苛刻、投資少，現(xiàn)實(shí)生活中容易達(dá)到，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程不需要保護(hù)氣體。一步就得純金屬鋁，流程簡(jiǎn)單，不用整流設(shè)備，對(duì)原材料要求不高。

參考文獻(xiàn)

[1]M. Halmann， A. Frei， A. Steinfeld Carbothermal reduction of alumina： Thermochemical equilibrium calculations and experimental investigation；Energy 32 （2007） 2420-2427.

[2]王平艷，戴永年，蔣世新，等.碳熱還原及低價(jià)氯化物分解法制備鋁的研究[J].有色金屬（冶煉部分），2005：11-13.

[3]馮月斌，楊斌.真空下碳熱還原氧化鋁的熱力學(xué)[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21（7）：1748-1755.

[4]P. Lefort， D. Tetard & P. Tristant Formation of Aluminium Carbide by Carbothermal Reduction of Alumina： Role of the Gaseous Aluminium Phase Journal of the European Ceramic Society 12 （1993） 123-129.

作者簡(jiǎn)介

周永福（1983-），男，云南華寧人，助教，研究方向：天然藥物開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。endprint

產(chǎn)物量（g） 0.0000 1.1021 1.0315

轉(zhuǎn)化率（%） 0.00 63.22 92.54

從表1可以得出，在不加還原劑脲素的情況下，產(chǎn)物量為零，底物硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率為零，說(shuō)明檸檬酸與底物不發(fā)生還原反應(yīng)，檸檬酸不能把硝酸鋁還原出金屬鋁。但是體系中并不影響檸檬酸的發(fā)泡作用，檸檬酸能熔融發(fā)泡，冷卻、用玻棒輕輕壓、容易粉碎，并得納米級(jí)顆粒物。

在不添加泡沫劑檸檬酸的條件下，還原劑脲素與硝酸鋁發(fā)生氧化還原反應(yīng)，能順利得到產(chǎn)物量為1.1021 g，與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，待反應(yīng)完全、過(guò)濾，稱重得0.4053 g濾渣；硝酸鋁轉(zhuǎn)化率為63.22%，從產(chǎn)物表面上可以看到，其產(chǎn)物表面分布著孔徑，且金屬內(nèi)部包裹有未反應(yīng)完全的硝酸鋁，影響產(chǎn)物純度和反應(yīng)底物完全與否。

在添加檸檬酸，有還原劑存在的條件下，加熱檸檬酸產(chǎn)生溶膠現(xiàn)象，還原劑與底物充分接觸、還原得金屬鋁珠、滑掉于銅質(zhì)蓋邊帽，部分滑落于坩堝底部，產(chǎn)物量為1.0315 g，且表面光澤鮮亮；與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，待反應(yīng)完全、過(guò)濾、稱重，濾渣為0.0671 g；轉(zhuǎn)化率為：92.54%。表明：添加檸檬酸有利于反應(yīng)底物充分反應(yīng)；能提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率；提高產(chǎn)物的純度。

4）還原劑使用量討論。稱取1.9921g左右的研細(xì)的硝酸鋁于坩堝中，在其他條件不變的情況下，以硝酸鋁/脲素摩爾比為2：3為參照，成倍數(shù)改變還原劑脲素的摩爾計(jì)量，相應(yīng)的鋁的產(chǎn)率如表2。

從表2中得出：在參照脲素/硝酸鋁摩爾比3：2上，隨還原劑脲素的量達(dá)到摩爾比時(shí)，即為0.0時(shí)，所得產(chǎn)物與2.0 mol/l的鹽酸溶液反應(yīng)，過(guò)濾、對(duì)殘?jiān)M(jìn)行稱重，反應(yīng)掉鋁的量逐漸增加；當(dāng)摩爾比是2：1，3：1時(shí)產(chǎn)物鋁的產(chǎn)量與摩爾比單量產(chǎn)量相當(dāng)，變化不大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定在95.60-98.10之間，也為最大轉(zhuǎn)化率區(qū)間；當(dāng)還原劑摩爾比繼續(xù)增大，產(chǎn)量增大，但是硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率降低，所得產(chǎn)物中有一部分硝酸鋁被包裹，反應(yīng)不完成，影響產(chǎn)物的純度。

5）銅質(zhì)蓋片催化討論.準(zhǔn)確稱取1.0184 g、1.1031 g硝酸鋁于兩個(gè)坩堝中、分別加入1.5290 g、1.5027 g尿素，混合均勻、坩堝1蓋上銅質(zhì)蓋片，坩堝2蓋上坩堝蓋，于電爐上加熱，反應(yīng)60分鐘。如表3。

表3 銅質(zhì)蓋片對(duì)反應(yīng)的影響

坩堝序號(hào) 1 2

硝酸鋁（g） 1.0184 1.1031

尿素（g） 1.5290 1.5027

檸檬酸（g） 1.1025 0.9680

鋁產(chǎn)量（g） 0.8530 0.0000

在表3中，1號(hào)坩堝的現(xiàn)象是在銅質(zhì)邊帽處有金屬鋁珠產(chǎn)生；而2號(hào)坩堝在加熱過(guò)程中產(chǎn)生泡沫，然后燃燒，產(chǎn)生耀眼的白光，沒(méi)有產(chǎn)物生成。從研究現(xiàn)象和結(jié)果看，銅質(zhì)蓋帽在次還原反應(yīng)制備金屬鋁的過(guò)程中起到催化作用。

3 結(jié)論

1）在此方法中得到的產(chǎn)物，在與稀鹽酸反應(yīng)時(shí)有明顯的氣泡產(chǎn)生、表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)，說(shuō)明產(chǎn)物不可能為鋁的化合物，特別是氧化鋁、氮化鋁。

2）在此脲素溶膠-凝膠還原硝酸鋁制備金屬鋁的過(guò)程中，銅質(zhì)蓋帽在反應(yīng)中起到催化作用。

3）檸檬酸添加，有利于反應(yīng)底物充分反應(yīng)；能提高反應(yīng)底物的轉(zhuǎn)化率；提高產(chǎn)物的純度。

4）當(dāng)尿素摩爾比是硝酸鋁的2-3倍時(shí)，此法還原得的產(chǎn)物鋁的產(chǎn)量大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率基本穩(wěn)定在95.60-98.10之間，為最大轉(zhuǎn)化率區(qū)間；當(dāng)還原劑摩爾比繼續(xù)增大，硝酸鋁的轉(zhuǎn)化率降低，所得產(chǎn)物中有一部分硝酸鋁被包裹，反應(yīng)不完成，影響產(chǎn)物的純度。

5）該方法在設(shè)備要求不苛刻、投資少，現(xiàn)實(shí)生活中容易達(dá)到，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程不需要保護(hù)氣體。一步就得純金屬鋁，流程簡(jiǎn)單，不用整流設(shè)備，對(duì)原材料要求不高。

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作者簡(jiǎn)介

周永福（1983-），男，云南華寧人，助教，研究方向：天然藥物開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。endprint