Кислородсодержащее гидратированное соединение алюминия и способ его получения

 

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано в производстве оксидов и гидроксидов алюминия различных модификаций, солей алюминия и др. Описано кислородсодержащее гидратированное соединение алюминия общей формулы Al₂O₃· nH₂O, содержащее катионы алюминия в 4, 5 и 6 координированном состоянии по отношению к кислороду, имеющее поверхность 50-450 м²/г, аморфную или плохо окристаллизованную или частично кристаллическую структуру. При этом n=0,01-2,99, средний размер частиц порошка составляет от 20 до 150 мкм, на термограммах данное соединение характеризуется наличием экзоэффекта в области температур 780-850° С, соответствующего упорядочению кристаллической структуры. Способ получения кислородсодержащего гидратированного соединения алюминия, заключается в быстрой термоударной обработке гидроксида алюминия при повышенной температуре с последующим принудительным охлаждением. Термоударную обработку гидроксида алюминия проводят в теплоизолированной камере под действием центробежных сил при тонкослойном распределении гидроксида алюминия на вращающейся и нагретой до температуры 300-1500° С поверхности в течение 0,01-10 с с одновременным отбором отходящих паров воды. Изобретение позволяет получить химически активное соединение алюминия, не загрязненное продуктами горения со стабильной структурой. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано в производстве оксидов и гидроксидов алюминия различных модификаций, солей алюминия, связующих и неорганических клеев, катализаторов, носителей, сорбентов, поглотителей, осушителей, наполнителей, неорганических пигментов и т.д.

Известен способ получения частично окристаллизованного переходного оксида алюминия в виде Аl₂O₃· nН₂О, где n=0.36-0.52, содержащего катионы Аl(III) в 4, 5, 6-координированном состоянии по отношению к кислороду (количество 5-координированного алюминия составляет 50-60 мас.% от содержания 4-координированного), основанный на быстром (за 0.01-10 с) терморазложении гидраргиллита при температуре 350-750° С в потоке горячих газов и при парциальном давлении паров воды не менее 5 ppm (патент РФ № 2078043, C 01 F 7/02, 27.04.1997).

Наиболее близким является малогидратированное кислородсодержащее соединение алюминия общей формулы Аl₂О₃· nН₂О, где n=0.03-2.0, и способ его получения, основанный на быстром (за 0.1-2 с) терморазложении гидраргиллита при высоких температурах (300-1200° С), причем подвергаемый терморазложению гидроксид содержит, по крайней мере, одно соединение элементов из группы: Na, К, Fe, Si, В, С, Ti, Zr, Ba, Ca, Mg, Ga, Sn, La в количестве 0.01-2 мас.% в пересчете на оксид. Дегидратацию проводят при помощи потока горячих газов, позволяющего уносить выделяемую при терморазложении воду и обеспечить быструю закалку соединений при температурах не более 280° С (патент РФ №2148017, C 01 F 7/44, 27.04.2000).

Недостатками известных продуктов и способов их получения являются:

1) загрязнение продукта терморазложения продуктами неполного сгорания топлива в случае проведения терморазложения в контакте с топочными газами;

2) неопределенность продукта по размеру частиц, фазовому составу и реакционной способности;

3) необходимость использования монодисперсного исходного гидроксида и трудность контроля парциального давления паров воды на стадии терморазложения, которое фиксируется с целью получения более однородного и химически активного продукта;

4) высокие удельные энергозатраты на термообработку исходного гидроксида, около 10 кДж/г или 2,8 кВт· ч/кг.

Изобретение решает задачу получения химически активных гидратированных соединений алюминия общей формулы Аl₂О₃· nН₂О, где n=0,01-2,99, не загрязненных продуктами горения, с известным размером частиц, стабильной структурой и энергозатратами на ударное терморазложение не более 1,5 кВт· ч/кг при контроле давления отходящего пара.

Кислородсодержащее гидратированное соединение алюминия общей формулы Аl₂O₃· nН₂O, содержащее катионы алюминия в 4, 5 и 6 координированном состоянии по отношению к кислороду, имеющее поверхность 50-450 м²/г, аморфную или плохо окристаллизованную или частично кристаллическую структуру, в котором n=0,01-2,99, средний размер частиц порошка составляет от 20 до 150 мкм, на термограммах данное соединение характеризуется наличием экзоэффекта в области температур 780-850° С, соответствующего упорядочению кристаллической структуры, с размером пор 1-10 нм, готовят быстрой термоударной обработкой гидроксида алюминия при повышенной температуре с последующим принудительным охлаждением, термоударную обработку гидроксида алюминия проводят в теплоизолированной камере под действием центробежных сил при тонкослойном распределении гидроксида алюминия на вращающейся и нагретой до температуры 300-1500° С поверхности в течение 0,01-10 с с одновременным отбором отходящих паров воды. Термоударной обработке подвергают гидроксиды алюминия общей формулы Аl₂О₃· nН₂О, где n=1,0-3,0. Давление отходящих паров воды регулируют в интервале 0,1-1,0 атм.

Если термоударную обработку гидроксида алюминия проводить при температуре ниже 300° С и/или времени обработки менее 0,01 с, то изменение структуры и свойств исходного вещества незначительно. Если обработку проводить при температуре выше 1500° С и/или времени более 10 с, то исходное вещество переходит в основном в кристаллический оксид алюминия, обладающий низкой химической активностью.

Понижение давления отходящих паров воды менее 0,1 атм влечет ослабление контакта обрабатываемого материала с вращающейся нагретой поверхностью, что приводит к неполному химическому превращению. При давлении паров воды более 1 атм процесс термообработки гидроксида алюминия протекает с образованием большого количества (до 100%) окристаллизованного бемита.

Такой способ обработки далее именуется “центробежной термоударной активацией” (ЦТА). Для проведения ЦТА используют теплоизолированную камеру, внутри которой от привода вращается сплошной твердый теплоноситель. С помощью нагревательных элементов устанавливают определенную температуру теплоносителя.

Исходный материал из бункера-дозатора подают на поверхность теплоносителя, материал нагревается и под действием центробежной силы двигается по поверхности теплоносителя к стенкам камеры, снабженным рубашкой охлаждения. Скорость вращения теплоносителя может изменяться и определяет время контакта порошка с поверхностью теплоносителя. При сходе разогретых частиц продукта активации с теплоносителя происходит их контакт с холодными стенками камеры, обеспечивающий резкое охлаждение (закалку). Камера снабжена отверстиями для выхода пара, системой откачки пара и приемным бункером для порошка.

Исходный материал и продукт его термоударной активации могут содержать любые элементы и соединения элементов в количестве 0,01-2 мас.% в пересчете на оксид.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Исходный материал - технический гидрат глинозема (гидраргиллит) формулы Аl₂O₃· 3Н₂O. Условия ЦТА: температура Т вращающейся поверхности 580° С, время τ контакта гидраргиллита с поверхностью 1,5 с, скорость V подачи гидраргиллита в камеру 10 кг/ч, давление отходящего водяного пара Р=1 атм. Прошедший через камеру порошок анализируют методами ВЕТ, рентгенофазового, термического, фракционного анализа, электронной микроскопии. По данным анализов: n=0,77, удельная поверхность S_уд=243 м²/г, средний размер частиц порошка 80 мкм, фазовый состав: 8,7 мас.% гидраргиллита, 13 мас.% окристаллизованного бемита, остальное - аморфная фаза. На термограмме, снятой при нагреве со скоростью 10°С/мин, зарегистрирован экзоэффект при T=815° С. Частицы порошка обладают разветвленной микропористой структурой с размером пор 1-10 нм.

Пример 2. Аналогичен примеру 1, отличается тем, что Т=350° С. По данным анализов: n=1,67, S_уд=210 м²/г, средний размер частиц порошка 150 мкм, фазовый состав: 19,5 мас.% гидраргиллита, 16,6 мас.% окристаллизованного бемита, остальное - аморфная фаза. На термограмме, снятой при нагреве со скоростью 10° С/мин, зарегистрирован экзоэффект при Т=820° С. Частицы порошка обладают разветвленной микропористой структурой с размером пор 1-5 нм.

Пример 3. Исходный материал - бемит формулы Аl₂O₃· Н₂O. Т=1500° С, τ =0,01 с, Р=0,1 атм. По данным анализов: n=0,5, S_уд=00 м²/г, средний размер частиц порошка 20 мкм, фазовый состав: 9,5 мас.% α -Аl₂О₃, 32 мас.% γ -Аl₂О₃, 15,5 мас.% окристаллизованного бемита, остальное - аморфная фаза. На термограмме, снятой при нагреве со скоростью 10° С/мин, зарегистрирован экзоэффект при T=780° С.

Пример 4. Аналогичен примеру 1. Отличается тем, что Т=300° С, τ =10 с, Р=0,5 атм. По данным анализов n=2,99, полученное соединение имеет плохо окристаллизованную структуру.

Пример 5. Аналогичен примеру 1. Отличается тем, что V=3 кг/ч. Полученное соединение имеет аморфную структуру, n=0,5, признаки кристаллических фаз, по данным РФА, отсутствуют.

Пример 6. Аналогичен примеру 4. Отличается тем, что T=1200° С, τ =10 с, Р=0,1 атм. По данным анализов n=0,01, полученное соединение в основном состоит из плохо окристаллизованного оксида алюминия.

Таким образом, предлагаемый способ дает возможность получать гидратированные соединения алюминия, обладающие различными физико-химическими свойствами, что позволяет использовать данные соединения для ряда процессов химической технологии: получения катализаторов, носителей, поглотителей, сорбентов, солей, связующих, наполнителей, пигментов и т.д. по известным схемам переработки такого сырья.

Формула изобретения

1. Кислородсодержащее гидратированное соединение алюминия общей формулы Аl₂O₃· nН₂O, содержащее катионы алюминия в 4, 5 и 6 координированном состоянии по отношению к кислороду, имеющее поверхность 50-450 м²/г, аморфную, или плохо окристаллизованную, или частично кристаллическую структуру, отличающееся тем, что n=0,01-2,99, средний размер частиц порошка составляет 20-150 мкм, на термограммах данное соединение характеризуется наличием экзоэффекта в области температур 780-850° С, соответствующего упорядочению кристаллической структуры.

2. Кислородсодержащее гидратированное соединение алюминия по п.1, отличающееся тем, что имеет микропористую структуру с размером пор 1-10 нм.

3. Способ получения кислородсодержащего гидратированного соединения алюминия, заключающийся в быстрой термоударной обработке гидроксида алюминия при повышенной температуре с последующим принудительным охлаждением, отличающийся тем, что термоударную обработку гидроксида алюминия проводят в теплоизолированной камере под действием центробежных сил при тонкослойном распределении гидроксида алюминия на вращающейся и нагретой до температуры 300-1500° С поверхности в течение 0,01-10 с с одновременным отбором отходящих паров воды.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что термоударной обработке подвергают гидроксиды алюминия общей формулы Аl₂O₃· nН₂О, где n=1,0-3,0.

5. Способ по любому из пп.3 и 4, отличающийся тем, что давление отходящих паров воды регулируют в интервале 0,1-1,0 атм.