СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ
METHOD OF SUPERFINE ALUMINIUM HYDROXIDE PREPARATION

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано для получения высокодисперсного осажденного гидроксида алюминия байеритовой структуры, с целью применения в качестве эффективного наполнителя и антипирена (подавителя горения).
Известен способ получения высокодисперсного гидроксида алюминия в форме псевдобемита (J. Chem. Technol. Biotechnol., vol. 31, (11), 1981, p.670-675), предусматривающий смешение раствора алюмината натрия с азотной или соляной кислотами. Недостатками способа являются применение дорогостоящих реагентов и невозможность применения получаемого продукта в качестве эффективного наполнителя и антипирена.
2
бкб
Другой известный способ, нацеленный в своей основе на получение гидроксихлоридов алюминия (патент РФ №2139248, опубл. 10.10.1999), включает в качестве промежуточной стадии получение гидроксида алюминия путем смешения алюминатного раствора с бикарбонатным раствором в соотношении 1:7 с условием создания бикарбонатной среды в полученной пульпе не менее 2,0 г/л NaO. Температура раствора при их смешении и полученной пульпы не должна превышать 30°С, рН среды в пульпе 11,2-11,8. В результате выделяется гидроалюмокарбонат натрия, который разлагается водой с температурой не более 30°С до рН среды 6-7, в результате чего образуется высокодисперсный аморфный гидроксид алюминия. Этот способ менее затратен по сравнению с предыдущим из-за дешевизны бикарбоната натрия, однако также не позволяет рассматривать данный продукт как антипирен из-за низкой температуры начала его дегидратации (малой термостабильности).
-
3+
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ получения гидратированного оксида алюминия (а.с. СССР №1483843, опубл. 27.09.1999), включающий смешивание растворов алюмината натрия и соли алюминия путем одновременного их сливания, получение пульпы, ее разделение, промывку и сушку осадка, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества продукта за счет регулирования его фазового состава, смешивание раствора алюмината натрия и соли алюминия проводится до мольного отношения в смеси [ОН]/[Al], равного 1,5-2,5, затем полученная суспензия, раствор алюмината натрия и вода одновременно сливаются при рН, равном 6,0-10,4, и 50-80°С, и полученная пульпа с осадком гидратированного оксида алюминия непрерывно отбирается и подвергается старению в течение 0,5-5 ч. Способ-прототип позволяет получать практически монофазный байерит, но не дает возможности добиться требуемой для антипиренов и наполнителей дисперсности продукта и также связан с применением дорогостоящих реагентов.
50
3
Для того чтобы гидроксид алюминия мог быть использован в качестве антипирена в полимерных композициях, например в негорючих пластикатах для кабельной изоляции, он должен иметь масс-медианный (усредненный) размер частиц в пределах d=0,8-4,0 мкм при узком распределении частиц по размерам, т.е. высокую монодисперсность. При этом наполнитель должен обеспечивать определенные реологические свойства пластика, в частности низкую вязкость, что возможно только с применением осажденного, но не молотого Al(ОН). Кроме того, необходима достаточно высокая температура начала дегидратации антипирена. В этом смысле при равной дисперсности байерит предпочтительнее гиббсита.
Задачей изобретения является получение осажденного гидроксида алюминия байеритовой структуры, соответствующего по своему гранулометрическому составу, реологическим свойствам и термостабильности требованиям к высокоэффективным и экологически чистым антипиренам и наполнителям, в частности для применения в негорючих полимерных композициях, обладающего при этом низкой себестоимостью.
3
2
ку
Технический результат достигается тем, что в способе получения высокодисперсного осажденного гидроксида алюминия, включающем смешение щелочного алюминатного и нейтрализующего растворов, в качестве нейтрализующего раствора используют водный раствор плотностью 1100-1300 кг/м, содержащий бикарбонаты и карбонаты щелочных металлов, а нейтрализацию ведут до остаточного содержания NaOв смешанном растворе 1-15 г/л.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В настоящее время спрос на рынке высококачественных экологически чистых антипиренов удовлетворяется, главным образом, за счет осажденного гидроксида алюминия гиббситовой структуры, технология получения которого адаптирована к производству глинозема по способу Байера. Получение байерита, отличающегося от гиббсита более высокой термостабильностью (что очень важно для антипиренов), по этой технологии не возможно. С другой стороны, гидроксид алюминия в форме байерита может быть получен на глиноземных заводах, работающих по технологии спекания. На этих предприятиях есть все исходные растворы для получения байерита по предлагаемому способу: алюминатный раствор, содовый или содо-поташный раствор, углекислый печной газ для корректировки содержания в них бикарбонатов, а в ряде случаев также готовый содо-бикарбонатный раствор. Главная проблема здесь состоит в получении высокодисперсного байеритового порошка необходимого гранулометрического состава (обычно в интервале размеров 0,8-4 мкм), пригодного для использования в качестве наполнителя и антипирена.
3
Авторами настоящего изобретения установлено, что к желаемому результату приводит присутствие в нейтрализующем растворе помимо бикарбонатов также и карбонатов, в основном солей натрия, в концентрациях, обеспечивающих плотность нейтрализующего раствора в пределах 1100-1300 кг/м. Этот интервал соответствует реальным содовым, содо-поташным и содо-бикарбонатным растворам, циркулирующим в технологических схемах глиноземных заводов, работающих по методу спекания.
2
кб
2
бкб
2
3
3
2
Плотность нейтрализующего раствора является ключевым параметром, обеспечивающим требуемую дисперсность продукта. Однако в заявляемом интервале плотности соотношение концентраций NaO и NaО может меняться в пределах растворимости компонентов в системе NaСО - NaHCO - НО. Однако из соображений максимальной производительности заявляемого способа целесообразно получать нейтрализующий раствор с максимальной для данных конкретных условий содержания бикарбонатов щелочных металлов.
При смешении такого комплексного нейтрализующего раствора с алюминатным раствором образуется гель, при старении которого (золь-гель переходе) происходит выделение монокристаллов байерита требуемой дисперсности.
2
ку
2
ку
2
ку
2
ку
Степень нейтрализации алюминатного раствора (конечное содержание щелочей в пересчете на NaO) существенно влияет на лиофильность (гидрофильность) получаемого геля. В рассматриваемой системе низкая щелочность нейтрализованной среды (менее 1 г/л по NaO) дает практически не разлагающийся гель - лиогель. Напротив, чрезмерно высокая (более 15 г/л по NaО) щелочность приводит к быстрому распадению геля, но с выделением крупнокристаллической фазы со средним размером частиц более 5 мкм. Кроме того, это влечет за собой непроизводительное расходование объема нейтрализующего раствора, т.е. к увеличению себестоимости продукции и снижению производительности оборудования. Во всех случаях заявляемый интервал конечного содержания NaO в нейтрализованном (смешанном) растворе соответствует рН>12, то есть лежит в более щелочной области, чем в прототипе и любом из аналогов.
Примеры осуществления способа
2
3
2
ку
2
кб
2
кб
2
бкб
2
2
кб
3
3
Опыты проводили с использованием алюминатного раствора одного из глиноземных заводов, работающих по технологии спекания с последующей гидрохимической переработкой спека, следующего состава, г/л: AlO 78,3; NaO 80,0; NaO 8,6. Для нейтрализации использовали содо-бикарбонатные растворы плотностью 1100-1300 кг/м с различным соотношением массовых долей NaO и NaO; приготовленные на основе производственных растворов карбонатных методом газации печным газом, содержащим CO. Алюминатный и нейтрализующий растворы брали в объемном соотношении, обеспечивающем заданное конечное содержание NaO, нагревали до 55°С и смешивали в ректоре с мешалкой в течение 1-2 мин, а затем прекращали перемешивание. Образовавшийся гель выдерживали до полного его разложения и выделения твердой фазы Al(ОН). Осадок подвергали гранулометрическому (по методу лазерной дифракции) и рентгенофазовому анализу. Результаты опытов представлены в таблице.
10
90
50
50
Во всем диапазоне заявляемых плотностей нейтрализующего раствора (опыты 1-5) были получены байеритовые порошки, полностью соответствующие установленным требованиям, однако по дисперсному составу (монодисперсности) наилучшим следует признать результат опыта 3. Об этом свидетельствуют минимальные отличия в размерах на краях спектра распределения частиц по размерам (d и d) от своего масс-медианного значения d, которое, в свою очередь, означает, что 50% (по массе) частиц имеют размер не более 1,46 мкм. Причем большинство частиц близко к d, а массовые доли экстремально крупных и мелких частиц не велики.
3
2
кб
50
При оптимальной плотности нейтрализующего раствора (≈1200 кг/см) степень нейтрализации алюминатного раствора также имеет значение. При содержании NaO в смешанном растворе после нейтрализации 1 г/л (на левой границе заявляемого интервала, опыт 6) получился мелкий, но сравнительно полидисперсный продукт, и существенно увеличилось время разложения геля. При 15 г/л (на правой границе заявляемого интервала, опыт 7) байеритовый порошок оказался близок к предельно допустимому значению d=4 мкм. Кроме того, из-за малой глубины нейтрализации в осадок выделилось только около 80% введенного в процесс алюмината. Таким образом, помимо качества продукта с отклонением щелочности геля от оптимума несколько снижается также производительность способа.
Таблица
Условия и результаты опытов по осаждению высокодисперсного байерита
№ опыта
Плотность содо-бикарбонатного раствора, кг/м
Содержание Na<sub>2</sub>O<sub>ку</sub> в смешанном растворе после нейтрализации, г/л
Время полного выделения Al(ОН)<sub>3</sub> из смешанного раствора, мин
Дисперсный состав частиц Al(ОН)<sub>3</sub>, мкм
Форма Al(ОН)<sub>3</sub>
d<sub>10</sub>
d<sub>50</sub>
d<sub>90</sub>
Примеры по заявляемому способу
1
1,100
7,9
15
0,82
1,96
3,21
Байерит
2
1,142
8,1
20
0,51
1,50
2,78
-//-
3
1,197
7,5
35
0,74
1,46
2,63
-//-
4
1,256
7,8
50
0,41
1,37
2,52
-//-
5
1,300
7,6
90
0,25
1,26
2,31
-//-
6
1,197
1,0
260
0,26
0,90
2,13
-//-
7
1,197
15,0
10
1.76
3,43
4,88
-//-
Примеры на запредельные значения
8
1,053
7,6
10
0,91
4,31
6,34
Байерит
9
1,334
8,0
Al(ОН)<sub>3</sub> не выделился
-
-
-
-
10
1,197
0,2
380
0,22
0,82
3,21
Байерит + бемит
11
1,197
17,2
15
2,30
5,26
9,32
Байерит + гиббсит
В опытах, проведенных за пределами заявляемых интервалов технологических параметров способа, при слишком низкой плотности нейтрализующего раствора (опыт 8) осадок получился чрезмерно крупным. С другой стороны, при слишком высокой плотности (опыт 9) образовался стойкий лиогель, из которого выделить твердую фазу не удалось даже через 2 суток. Нарушение режима заявляемой степени нейтрализации приводит к образованию не только байерита, но также бемита или гиббсита (опыты 10 и 11 соответственно), что не желательно.
Таким образом, только по предлагаемому способу в заявляемых интервалах удается получить высокодисперсный осажденный гидроксид алюминия байеритовой структуры, пригодный к использованию в качестве эффективного наполнителя и антипирена для различных целей, в том числе при производстве наиболее ответственного вида продукции - негорючего поливинилхлоридного пластиката для кабельной изоляции, что подтверждено специальными тестами. Максимальная адаптация заявляемого способа к технологии различных глиноземных заводов, работающих по технологии спекания, исключает использование посторонних реагентов и образование каких-либо дополнительных отходов, а также дает возможность радикально снизить себестоимость продукции. По предварительной оценке себестоимость байеритового антипирена в 2-2,5 раза ниже, чем аналогичного продукта традиционной гиббситовой полиморфной модификации.