Παραγωγή νανο-κρυσταλλικού βαϊμίτη από αργιλικά διαλύματα

Abstract

Precursors of γ-Al2O3, and of all activated transition aluminas (η-, δ- και θ- Al2O3) used in catalytic applications, are aluminium hydroxide (also known as gibbsite, Al(OH)3) and aluminium oxy-hydroxide (boehmite, AlOOH). The performance of such products is enhanced when the raw materials used are nano-structured powders.Gibbsite, product of the Bayer process, comprises the predominant and the most used raw material for the production of commercial activated alumina, although it requires its transformation to boehmite, before it can be transformed to the aforementioned transition aluminas. The current work, aims at precipitating nano-crystalline boehmite from supersaturated sodium aluminate (SSA) solutions that are by-products of the Bayer process. The main goal is the homogeneous precipitation of nano-crystalline boehmite, with no added boehmite seeds, at temperatures lower than 100οC. A SSA solution with Na2O/Al2O3 molar ratio equal to that of Bayer liquors was used as neutralization agent of various acids. Nano-crystalline boehmite was the only precipitate formed at temperatures between 30 and 90οC, pH 5-7 and for ageing times varying from zero to 48hours. The experimental results showed that the precipitation of nano-crystalline boehmite was a factor of the anions present, while there is an optimum combination of T – pH- ageing time for which the first nano-boehmite precipitates are detectable. It was also revealed that a rise in temperature lowers the required pH and ageing time for the development of boehmite crystallites. Among various acids, the neutralization of HCl at atmospheric conditions resulted in the precipitation of nano-crystalline boehmite with mean crystallite size of 4 – 4.5nm, specific surface area between 85 and 171m2/g and a narrow pore size distribution in the mesoporous range. The corresponding calcination products (γ-Al2O3) also comprised of nanocrystalls, presented specific surface areas from 180 to 280 m2/g, meso-porosity and thermal stability up to 900οC. These properties are comparable to the corresponding ones of γ-Al2O3 resulting from boehmites synthesized by the Ziegler process.

Πρόδρομο υλικό για την παρασκευή γ-Al2O3, καθώς και όλων των υπολοίπων μεταβατικών ή ενεργών αλουμινών (η-, δ- και θ- Al2O3) που χρησιμοποιούνται σε καταλυτικές εφαρμογές, αποτελεί τόσο το υδροξείδιο του αργιλίου (γιββσίτης, γ-Al(OH)3) όσο και το οξυ-υδροξείδιο του αργιλίου (βαιμίτης, γ-AlOOH). Η απόδοση των προϊόντων αυτών ενισχύεται όταν παρασκευάζονται από νανο-δομημένες σκόνες. Τα διαλύματα που προκύπτουν κατά τη διεργασία Bayer είναι υπέρκορα αργιλικά διαλύματα (ΥΑΔ) και οδηγούν στη σύνθεση γιββσίτη. Ο γιββσίτης αυτός αποτελεί την κυρίαρχη πρώτη ύλη και συγχρόνως την παλαιότερη για την παρασκευή εμπορικών προϊόντων ενεργής αλούμινας, παρ’όλο που για τη μετατροπή του στις προαναφερθείσες ενεργές αλούμινες απαιτείται ο μετασχηματισμός του σε βαιμίτη. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής, ήταν από τα διαλύματα αυτά να παραχθεί νανο-κρυσταλλικός βαιμίτης με ομογενή καταβύθιση (απουσία φύτρων) σε θερμοκρασία χαμηλότερη από 100οC. Για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε συνθετικό ΥΑΔ (γραμμομοριακού λόγου Na2O/Al2O3 ίδιου με τα διαλύματα Bayer). Το διάλυμα αυτό λειτούργησε ως μέσο εξουδετέρωσης διαλυμάτων οξεών, με αποτέλεσμα την καταβύθιση νανο-κρυσταλλικού βαιμίτη σε θερμοκρασίες 30-90οC, pH 5-7 και για χρόνους γήρανσης του προκύπτοντα πολφού στο μητρικό διάλυμα από καθόλου έως 48 ώρες. Από τα πειράματα αυτά, φάνηκε οτι τα ανιόντα που είναι παρόντα επηρεάζουν τις συνθήκες καταβύθισης, ενώ υπάρχει ένας βέλτιστος συνδυασμός Τ – pH - χρόνου γήρανσης για τον οποίο τα πρώτα κατακρημνίσματα νανο-κρυσταλλικού βαιμίτη είναι ταυτοποίησιμα, με την αύξηση της θερμοκρασίας να μειώνει το απαιτούμενο pH και το χρόνο γήρανσης για την ανάπτυξη των κρυστάλλων βαιμίτη. Μεταξύ διαφόρων οξέων, η εξουδετέρωση του HCl σε ατμοσφαιρικές συνθήκες, οδήγησε στην καταβύθιση βαιμιτών με μέσο μέγεθος κρυσταλλιτών της τάξης των 4 - 4,5nm, ειδικής επιφάνειας από 85 έως 171m2/g και με στενή κατανομή πόρων στο μεσο-πορώδες. Τα αντίστοιχα προϊόντα θερμικής επεξεργασίας (γ-Al2O3) αποτελούνταν επίσης από νανο-κρυστάλλους, παρουσίασαν ειδικές επιφάνειες από 180 έως 280 m2/g, μέσο-πορώδες καθώς και θερμική σταθερότητα μέχρι τους 900οC, ιδιότητες συγκρίσιμες με την γ-αλούμινα που προέρχεται από βαιμίτες που συντίθενται βιομηχανικά με τη μέθοδο Ziegler.