前言
硫酸铝是一种常用的化工产品,具有多种用途,可用作制媒染剂、净水剂、防水剂、澄清剂、石油除臭剂、沉淀剂等。通常,水合硫酸铝可分别携带有6,10,16,18和27个结晶水分子,在制备无水及低含水硫酸铝时脱水过程将消耗大量能量,例如利用水合硫酸铝制备氧化铝时,其中加热脱去硫酸铝所含的结晶水是整个工艺耗能最大的环节。微波化学是一门研究在化学反应中运用微波技术的新兴前沿交叉学科。微波辐射具有热效应和非热效应,对极性物质具有高效、均匀的加热作用,如果运用在脱水过程可以缩短脱水时间,简化脱水工艺,同时改变脱水产物形态。
本文使用微波辐射作用于水合硫酸铝的脱水过程,研究微波功率对脱水效率的影响，以及微波辐射条件下脱水过程的失重曲线,通过SEM照片对常规条件及微波条件下脱水产物的形貌进行分析。证实了微波脱水具有效率高、能耗少等优点,同时对产物的物相与形貌有一定的影响。
方法[1]
1、微波脱水实验
称取10g水合硫酸铝样品于陶瓷坩埚中,置于微波炉内,分别使用功率40%，60%,80%,100%四档进行微波脱水实验,实验中每间隔一定时间,迅速将产物取出称重,计算失重百分比R。
2、测温实验
称取10g水合硫酸铝样品置于陶瓷坩埚中,置于微波炉内,选取一定功率进行微波脱水实验,实验中每间隔一定时间,迅速将产物取出,同时通过热电偶测出其温度。
3、产物的形态比较分析
称取一定量的水合硫酸铝样品A、B两份,A置于烘箱中160℃加热一定时间,B置于微波炉中加热一定时间取出,分别做扫描电镜(SEM)分析。
结果[1]
1、样品的热重-差热分析
由图1可知,样品存在两次脱水过程。第一次为90~300℃附近,该过程失重38.22%，第二次失重过程从300-380℃,失重6.32%,此后直至839℃转化为氧化铝出现第三个失重过程。从差热曲线可以看出，脱水过程为吸热过程,峰向下。图1显示共有两个吸热峰,可见,水合硫酸铝中结合水的方式并不相同,脱水过程所需温度条件也有所区别。
通过计算可得,样品中结合水为15个,即Al(SO4)3・15H2O,第一个失重峰失去13个结晶水,第二个失重峰失去2个结晶水。
2、微波功率对脱水的影响
已有研究表明，微波脱水和常规脱水方法相比，其脱水的动力学速率明显高于常规方法。图2为不同功率条件下微波脱水时间与脱水率的曲线，测定样品质量的时间间隔为20s。
由图2可知，在对不同功率条件下微波脱水效果的研究中发现，在一定范围内，随着微波功率的提高，其脱水的动力学速率明显加快，并且脱水所需时间逐步递减。但是，当微波功率从80％提高到100％时，脱水速率并没有太大变化，二者的曲线几乎重合。此外，从图2中还可看出，样品的失重均在30％左右，并不能达到38.22％，即在微波脱水过程 中，大约可脱掉10个结晶水，而其它结晶水无法脱除，其原因可能是样品为硫酸铝结合不同个数水分子的混合物，而水分子与硫酸铝的结合方式也不完全相同。从微观上看，不同水分子和硫酸铝的成键方式并不完全相同，从而造成水分子无法完全脱除。因此可以看出，在制备低含水硫酸铝时，若采用微波脱水，脱水效率和常规方法相比可大大提高。而对于无法将所有结晶水脱去的原因，还有待进一步的深入研究。
3、微波条件下的升温曲线
关于硫酸铝升温性能,文献进行了较为详尽的研究。值得注意的一点是,在升温曲线中存在两个微小的波动,温度有所回落,这可能是由于水分子具有较大的介电损耗,在脱水过程中,肉眼可观察到样品迅速膨胀,脱去结晶水,该过程带走大量热，而硫酸铝介电损耗较小,升温速率较慢，从而造成宏观测定温度的降低。另外,升温过程中最高温度达到123℃时反应已经结束,进一步微波辐射加热,样品质量并无变化。和热重分析相比,低于其脱水所需温度。这可能是由于两个原因造成:一是由于热电偶无法插入微波炉内测温,取出测温造成的人为误差;二是由于微波加热过程中的微观热点,达到了脱水所需的温度条件,但这种热点并不表现为宏观升温,所以热电偶温度计无法测出。由于微波辐射为选择性加热,在反应体系中祥品温度升高到反应温度时,环境温度并没有太大变化。因此,和传统加热方式相比,能耗进一步有所降低。
4、传统脱水与微波脱水产物形貌比较
将方法3中两份产物取出，保存于自封袋中， 用肉眼可明显观察到二者的体积有一定差别，即二者密度出现差别。
可以看出，a图中产物颗粒较大，为层状结构，颗粒表面及边缘较为圆滑。而微波辐射条件下脱水，如图4b所示，所得产物颗粒较小，且表面存在一些细小碎片，产物为片状，颗粒边缘有棱角。可见，通过传统方式脱水和微波辐射条件下脱水，所得晶体的表观结构会出现一定的差异，这可能是由于微波辐射的“选择性加热”特性，或是非热效应导致的产物的形态差异。烘箱加热过程为热传递过程，样品从表面到内部逐渐升温，且升温过程缓慢，脱水反应过程平稳进行。而微波辐射脱水时，样品从内部到表面同步加热，且水的介电损耗大于硫酸铝，反应迅速进行，在局部微观上可能会出现爆裂，宏观上表现为水合硫酸铝样品在反应过程快速膨胀，完成了脱水过程。因此，会在形貌上表现出碎片等。
参考文献
[1] 白光辉,徐鹏,张辉,等. 水合硫酸铝的微波脱水[J]. 应用化工,2008,37(11):1325-1327. DOI:10.3969/j.issn.1671-3206.2008.11.020.