硫酸铝铵 :一种无机化合物

更新时间:2023-03-24 10:07

硫酸铝(英文名:Aluminum ammonium sulfate),又名铵矾、铵明矾、烧明矾,是一种无机化合物分子式为NH₄Al(SO₄)₂,相对密度为1.65,,摩尔质量为237.15g/摩尔。硫酸铝铵外观多为无色透明立方结晶或白色颗粒粉末,常以含12个结晶水的形态存在。硫酸铝铵味涩微甜,可溶于稀酸、丙三醇,不溶于乙醇,微溶于水,加热后溶解度增大,水溶液呈酸性。。硫酸铝铵加热到120℃时失去10分子结晶水,200℃时完全脱水成为无水物。强烈灼烧时生成Al2O3。硫酸铝铵在污水处理中可用作凝聚剂。食品工业中可用作泡打粉发色剂,还可用作染料人工宝石原料、光学材料原料等。

晶体结构

硫酸铝铵晶体属于立方晶系,偏方二十四面体组,晶体构型为无色八面立方结晶,结晶习性通常为八面体、柱状或纤维状块体。常见单形有{001}、{011}、{111},其中{111}为双晶面。

理化性质

物理性质

硫酸铝铵为白色结晶性粉末或透明块状物。无臭,有涩味。相对密度为1.645(25℃),熔点为 94.5℃;可溶于水及丙三醇,不溶于乙醇溶解度(100毫升水中):0℃时为4.0克,20℃时为14.8克,40℃时为28.5克,60℃时为51.0克。比重为1.645。

酸性

硫酸铝铵是硫酸铝和硫酸铵的复盐,水溶液呈酸性。

热分解反应

硫酸铝铵在气中受热时分解,热分解反应为多步反应,分三次失去全部结晶水后分解成硫酸铝、氨气、二氧化硫及水,进一步加热后由硫酸铝分解生成氧化铝和二氧化硫。

鉴别及测定

铝盐的鉴别

铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝白色胶状沉淀,氢氧化钠过量时,沉淀将溶解。

因此向试剂中滴加氢氧化钠,产生白色胶状沉淀,继续滴加沉淀消失可证明有铝盐。

硫酸盐的鉴别

硫酸盐与氯化钡生成氯化白色沉淀,氯化钡在稀盐酸硝酸中不溶解。

因此向试剂中滴加氯化钡溶液生成在稀盐酸或稀硝酸中不溶解度白色沉淀可证明有硫酸盐。

铵盐的鉴别

铵盐与氢氧化钠反应生成氨气,氨气可使湿润红色石蕊试纸变蓝。

因此向试剂中加入过量氢氧化钠,加热,生成使湿润红色石蕊试纸变蓝的气体即可证明有铵盐。

硫酸铝铵含量的测定

硫酸铝铵通常采用滴定法进行检测。向硫酸铝铵水溶液中加入适当的乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液,放入刚果红试剂调至pH约为6后加入缓冲溶液,煮沸,冷却后滴加二甲酚橙指示液,用硝酸铅标准滴定溶液滴,当到达一定程度的pH值时,指示剂会发生变色作用,因而可以测定出硫酸铝铵的含量。

制备方法

硫酸铝铵的制备是在硫酸铝溶液中加入硫酸铵,加热溶解制得硫酸铝铵溶液,冷却结晶得到硫酸铝铵粗品,通过重结晶对产物进行纯化可到硫酸铝铵成品。工艺流程如下:

铝土矿法

铝土矿法以铝土矿(主要成分为氧化铝)为原料,用硫酸分解铝土矿,得硫酸铝溶液,在溶液中加入一定比例的硫酸铵,加热至全部溶解后冷却结晶,洗涤干燥后则为成品硫酸铝铵。

氢氧化铝法

氢氧化铝法以氢氧化铝为原材料,则用浓硫酸溶解氢氧化铝,加水稀释,得硫酸铝溶液,再加入硫酸铵溶液混合,同时通氨气调整pH值,加热后即可生成硫酸铝铵溶液,冷却结晶后可得到硫酸铝铵晶体

矾砖法

矾砖法以矾砖(主要构成为硫酸铝)为原材料,则直接将其粉碎溶解后取上清液,得硫酸铝溶液,在加热去除其中铁氧化物后加入一定比例的硫酸铵,进行冷却结晶后可得到硫酸铝铵粗品。

除杂纯化

硫酸铝铵生产过程中杂质主要有K、Na离子、Ca、Si、Fe等杂质,结晶法制的硫酸铝铵可通过重结晶工艺提纯排杂,提纯方法简单有效,提纯所得硫酸铝铵纯度可用于制备高纯氧化铝

然而重结晶法提纯存在能耗大,提纯效率不高等问题。通过重结晶可以除去Na、Mg、Ca等金属杂质离子。同时存在其他部分元素无法用重结晶法进行除杂,例如钾离子浓度不随着结晶度次数增加而减少,相反会有所增加,这是由于钾离子在硫酸铝铵结晶时共同沉淀导致的,这类杂质分离困难大,用再结晶的方法不能解决。部分元素的除杂方式如下:

Fe元素

硫酸铝铵的晶体构型为无色立方结晶,而三价铁离子也容易形成紫色立方结晶度硫酸铁铵,因此直接采取重结晶法不能有效去除三价铁离子杂质,在溶液呈酸性的情况下,提纯系数较小,将三价铁离子还原为二价铁离子,即可消除重晶现象,此时再采用重结晶工艺提纯系数可达到100以上(提纯系数=提纯前某杂质的质量分数/提纯后某杂质的质量分数)。

K元素

在硫酸铝铵溶液中加氨水可以使钾离子含量降低,氨水加入到硫酸铝铵的水溶液中,溶液pH值会变大,氢离子浓度减小,有利于氢氧化铝沉淀的产生,氢氧化铝作为吸附剂,能吸附溶液中的钾离子,使其沉降到容器底部,经洗涤过滤可以将氢氧化铝去除,从而达到除去钾离子的目的,氨气在溶液中反应为铵根离子,对生成硫酸铝铵晶体无影响。与此同时,氢氧化铝的吸附沉淀无严格的选择性,在吸附钾离子的同时,其他一些金属离子也会被氢氧化铝吸附,如三价铁离子,总体可使硫酸铝铵中总体杂质变低。

此外在实际生产过程中应该严格控制物料配比、pH值和反应温度等反应条件。以pH为例,硫酸铝铵pH值对以及铁元素杂质的去除都有影响,调整pH后进行重结晶可使K2O含量降低近两个数量级,同时也可显著减少由硫酸铝铵制成的氧化铝中铁杂质。

应用

水处理领域

硫酸铝铵水解出的三价铝离子可生成氢氧化铝,氢氧化铝有絮凝作用,可去除水中的杂质。

食品工业领域

膨化添加剂

硫酸铝铵可与碳酸氢钠同时使用,制成复合膨松剂,硫酸铝铵可调整食物的碱性,消除异味,提升膨松剂效能,但过多添加可能会有苦味。研究表明,铝元素在人体大量堆积有害身体健康,因此含铝膨胀剂应用有所减少,自2014年后,膨化食品生产中不得使用含铝食品添加剂,小麦粉及其制品不得使用硫酸铝铵(中国国家卫生计生委、工业和信息化部、质检总局、国家食品药品监督管理总局中华人民共和国国家粮食局公告2014年第8号令)。

护色剂

硫酸铝铵中铝遇茄子的蓝色素形成络合盐而不褪色,同样也可用于煮熟的红章鱼护色等。

印染领域

硫酸铝铵易于水解,水解后可生成氢氧化铝,使得它具有煤染性能。一方面可与染料形成色素沉淀,一方面可被纤维吸附

硫酸铝铵与苏木素同用后能使细胞染色,这是组织化学免疫组织化学中常用的染色料之一。苏木素染液配制方法有很多,用硫酸铝铵做煤染剂配置后的染剂无毒无沉淀,色素及试剂用量少而经济,着色快,寿命长。

人工宝石领域

硫酸铝铵热分解可得到氧化铝,而高纯氧化铝是制备蓝宝石的原料。通过控制物料配比,pH、反应温度等反应条件可得到较纯硫酸铝铵晶体,再经多次重结晶得到的硫酸铝铵晶体可用于制备高纯氧化铝。硫酸铝铵作为原料具有来源丰富,价格低廉,提纯方法简单、有效等特点。

同时硫酸铝铵也可搭配着色剂用于制造多种颜色的宝石,着色剂经焙烧可均匀分布在硫酸铝铵粉体中,添加不同颜色的着色剂可获得不同色泽的人造宝石。

光学材料领域

硫酸铝铵与碳酸镁反应可生成MgAl₂O₄多晶,再将氧化镁氧化铝按一比一的摩尔比在单晶炉中生长成单晶棒,经退火即可得到镁铝尖晶石,可用于光学窗口材料,其中掺杂的MgAl₂O₄晶体是理想的可调激光器工作物质,用作超导体的基片材料效果很好。

其他领域

硫酸铝铵溶解度较大,在石膏调拌时加入可降低石膏强度,易于脱模;

硫酸铝铵热分解法制备的氧化铝也被运用于复合材料的制备,在基体材料熔体中加入硫酸铝铵,经反应生成的氧化铝颗粒可以成为铝基复合材料增强体,这种原位生成的氧化铝颗粒呈细小球形,分布均匀,对基体材料的耐磨性和硬度均有显著提升。

安全事宜

使用限值

中国《食品安全国家标准--食品添加剂使用标准》(GB2760-2014)规定:粉丝、粉条可按生产需要适量使用;但要求最终产品中铝的残留量要小于200mg/kg(干样品,以铝计)。联合国粮食及农业组织(FAO)/世界卫生组织(WHO)规定:用于生面制品、面条及其类似产品,最大添加量为300mg/kg,用于薄脆饼干,不包括甜的薄脆饼干、其他普通焙烤制品(如贝果皮塔饼英式松饼等),最大添加量为100mg/kg,用于白面馍馍和包子、面包和普通焙烤制品冰皮粉,最大使用量为40mg/kg。

毒理学数据

LD50 猫口服8~10g/kg。。

健康危害

硫酸铝铵对于皮肤、眼睛、呼吸道均有刺激性,因此处理硫酸铝铵时应正确穿着防护服并佩戴护目镜,防止皮肤接触或误入眼睛。

硫酸铝铵被用于食品添加剂,而硫酸铝中的铝并非人体所需微量元素,通过摄取硫酸铝铵进入人体的铝会积蓄在体内难以排出,容易造成慢性中毒。铝破坏神经细胞内脱氧核糖核酸功能,阻滞神经传导,引起神经系统病变,干扰人的意识、思维能力、记忆功能,导致记忆力减退、智力下降,易使人患阿尔兹海默症;铝会沉积在骨质中,造成钙流失,引起骨骼软化,诱发胆汁郁积性肝病小细胞低色素性贫血卵巢萎缩等,加速人体衰老进程;铝还会妨碍人体对钙、锌、铁的吸收,对少年儿童发育影响更大。

包装及贮运

食品级硫酸铝铵内包装应为食品级聚乙烯塑料,外包装用麻袋或者编织袋,外包装应标有“食品添加剂 硫酸铝铵”的字样。工业级硫酸铝铵包装内衬可为塑料袋。贮存于通风、干燥的库房中,宜专库专贮。因易腐蚀包装所以不宜久贮。潮包应分开堆垛,随时处理,防止淌水流失,食用级品不得与有毒物品或其他污染物品共贮混运。运输过程中要防雨淋和日光曝晒。如遇火灾,在灭火前应先阻断液体泄露点,可使用水、砂土和干粉或二氧化碳型灭火器扑救。

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