Способ получения гидроксида алюминия

Способ получения гидроксида алюминия

Реферат

Изобретение относится к способам получения активного гидроксида алюминия, пригодного для получения эффективного коагулянта - гидроксохлорида алюминия, а также катализаторов, осушителей и сорбентов.

Большинство существующих способов получения активного гидроксида алюминия заключается в его осаждении из растворов алюмината натрия или из растворов кислых солей алюминия под действием кислотных (HCl, HNO₃, CO₂) или основных реагентов (NH₃, NH₄OH, NaOH, Na₂CO₃, (NH₄)₂CO₃) соответственно. Главным недостатком этих способов является недостаточно высокая химическая активность получаемого гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте. Кроме того, эти способы характеризуются значительными материальными потоками, многооперационностью, трудностью отделения осадка гидроксида алюминия от раствора, а также связаны с образованием больших объемов сточных вод, что снижает их экологичность.

Известен способ получения гидроксида алюминия (см. пат. 2258035 РФ, МПК C01F 7/02, 2003), включающий обработку раствора основного сульфата алюминия AlOHSO₄, содержащего 75 г/л Al₂O₃, в непрерывном режиме путем смешения с 25%-ным водным раствором аммиака NH₄OH при pH 9,5-10,5 в течение 30-45 минут. Полученную суспензию фильтруют с отделением гидроксида алюминия, который подвергают автоклавной обработке в 5-7,5%-ном растворе аммиака при pH 10-11 и температуре 135-145°C в течение 1-2 часов. Полученный осадок гидроксида алюминия псевдобемитной структуры отфильтровывают, промывают химически обессоленной водой и сушат.

Основным недостатком данного способа является то, что получаемый гидроксид алюминия химически неактивней по отношению к соляной кислоте. Способ также характеризуется высокой энергоемкостью по причине повышенной влажности гидроксида алюминия и необходимостью использования автоклава. Кроме того, вследствие образования большого количества трудноутилизируемых разбавленных растворов сульфата аммония, способ является недостаточно экологичным.

Известен также принятый в качестве прототипа способ получения гидроксида алюминия (см. а.с. 852798 СССР, МПК³ C01F 7/34, 1977), включающий смешение в водном растворе кристаллических солей алюминия и бикарбоната аммония при их молярном соотношении 1:(3-7), перемешивание полученной смеси в течение 2 часов, выдерживание образовавшегося осадка под маточником 5-24 часа, отделение осадка фильтрацией со скоростью 100-102 л/(м²·ч), промывку его водой при 70-90°C и сушку.

Основным недостатком известного способа является недостаточно высокая химическая активность получаемого гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте. Кроме того, способ характеризуется длительностью выдерживания осадка под маточным раствором и низкой скоростью фильтрации вследствие образования сильнообводненного гидроксида алюминия. Следствием этого является наличие значительных объемов разбавленных растворов аммонийных солей, что снижает экологичность способа.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в получении химически активного по отношению к соляной кислоте гидроксида алюминия и в интенсификации способа. Кроме того, техническим результатом является снижение количества жидких отходов, что повышает экологичность способа.

Технический результат достигается тем, что в способе получения гидроксида алюминия, включающем смешение кристаллических солей алюминия и угольной кислоты, выделение алюминийсодержащего осадка, его промывку водой при повышенной температуре и сушку, согласно изобретению в качестве соли угольной кислоты используют карбонат натрия, смешение солей ведут в твердом виде при расходе карбоната натрия 4-6 моль на 1 моль Al₂O₃, полученную реакционную массу выщелачивают водой с образованием суспензии, из которой выделяют алюминийсодержащий осадок, а промывку осадка водой ведут до величины pH промывной воды не более 7,5.

Технический результат достигается также тем, что в качестве соли алюминия берут его нитрат Al(NO₃)₃·9H₂O или хлорид AlCl₃·6H₂O.

Технический результат достигается также и тем, что выщелачивание реакционной массы ведут при температуре не выше 50°C.

На достижение технического результата направлено то, что промывку осадка ведут при температуре 60-80°C.

При смешении кристаллических солей алюминия и карбоната натрия согласно изобретению, протекают следующие химические реакции:

Возможность протекания этих реакций при смешении солей в твердом виде обусловлена наличием слабосвязанной воды в составе кристаллогидратов солей алюминия. Образующийся при этом гидроалюмокарбонат натрия NaAl(OH)₂CO₃ имеет специфическую волокнистую структуру в результате преимущественного роста кристаллов вдоль одного направления. В процессе водного выщелачивания реакционной массы, полученной при расходе карбоната натрия 4-6 моль на 1 моль Al₂O₃, гидролитического разложения гидроалюмокарбоната натрия не происходит вследствие наличия в растворе достаточного количества ионов натрия. При смешении твердых солей в отсутствие жидкой фазы гидроалюмокарбонат натрия формируется в малогидратированной форме и поэтому легко выделяется из суспензии фильтрованием. При промывке осадка водой происходит постепенное разложение гидроалюмокарбоната натрия с получением гидроксида алюминия в форме псевдобемита, который наследует структуру гидроалюмокарбоната натрия, что и предопределяет его высокую химическую активность по отношению к соляной кислоте. При величине pH промывной воды не более 7,5 достигается полное разложение гидроалюмокарбоната натрия до гидроксида алюминия.

Использование карбоната натрия в качестве соли угольной кислоты позволяет при условии смешения солей в твердом виде получить алюминийсодержащий осадок в виде гидроалюмокарбоната натрия, обладающего специфической волокнистой структурой, которую наследует гидроксид алюминия, что и обусловливает его высокую химическую активность по отношению к соляной кислоте. Кроме того, смешение солей в твердом виде позволяет интенсифицировать способ, так как в этом случае гидроалюмокарбонат натрия формируется в малогидратированной хорошо фильтруемой форме и дополнительной выдержки осадка под маточным раствором не требуется.

Расход карбоната натрия 4-6 моль на 1 моль Al₂O₃ позволяет обеспечить величину pH образующейся суспензии, наиболее благоприятную для формирования волокнистой структуры гидроалюмокарбоната натрия. При расходе карбоната натрия менее 4 моль на 1 моль Al₂O₃ часть алюминия при смешении реагентов превращается в аморфный гидроксид алюминия, что приводит к резкому снижению химической активности получаемого гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте. Увеличение расхода карбоната натрия более 6 моль на 1 моль Al₂O₃ является избыточным и приводит к неоправданному увеличению количества промывной воды.

Выщелачивание реакционной массы водой позволяет получить суспензию, твердая фаза которой представляет собой нерастворимый алюминийсодержащий осадок в виде гидроалюмокарбоната натрия, а жидкая фаза - раствор солей натрия.

Промывка алюминийсодержащего осадка водой до величины pH промывной воды не более 7,5 обусловлена тем, что при этом происходит полное разложение гидроалюмокарбоната натрия с образованием гидроксида алюминия, который также обладает хорошей фильтруемостью, что способствует снижению количества промывных вод. Величина pH промывной воды более 7,5 свидетельствует о неполноте разложения гидроалюмокарбоната натрия, что приводит к существенному снижению химической активности получаемого гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в получении химически активного по отношению к соляной кислоте гидроксида алюминия и в интенсификации способа за счет сокращения продолжительности операций при одновременном снижении количества жидких отходов.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие режимные параметры.

Использование в качестве соли алюминия нитрата алюминия Al(NO₃)₃·9H₂O или хлорида алюминия AlCl₃·6H₂O обусловлено наличием в них кристаллизационной воды в количестве, необходимом для протекания реакции в соответствии с уравнениями (1) и (2) при условии смешения солей в твердом виде.

Проведение выщелачивания реакционной массы при температуре не выше 50°C гарантирует, наряду с наличием в растворе достаточного количества ионов натрия, предотвращение гидролитического разложения гидроалюмокарбоната натрия до гидроксида алюминия в процессе выщелачивания.

Промывка осадка при температуре 60-80°C способствует ускорению процесса разложения гидроалюмокарбоната натрия и минимизации количества промывной воды.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения получения химически активного по отношению к соляной кислоте гидроксида алюминия, интенсификации способа и снижения количества жидких отходов.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1. 500 г Al(NO₃)₃·9H₂O и 282,7 г кристаллического карбоната натрия Na₂CO₃ (расход карбоната натрия 4 моль на 1 моль Al₂O₃) смешивают в твердом виде в лопастном смесителе в течение 20 минут. Полученную реакционную массу весом 714,4 г выщелачивают 1500 мл воды при температуре 40°C в течение 15 минут. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением алюминийсодержащего осадка. Скорость фильтрации составляет 1340 л/(м²·ч). Из полученного осадка отбирают пробу массой 5 г, высушивают при 105°C до постоянной массы и анализируют методом рентгенофазового анализа РФА. По данным РФА основной фазой алюминийсодержащего осадка является гидроалюмокарбонат натрия NaAl(OH)₂CO₃. Алюминийсодержащий осадок промывают 5 раз порциями воды по 250 мл с температурой 60°C до величины pH 5-й порции промывной воды 7,1. Промытый алюминийсодержащий осадок сушат при 105°C до постоянной массы. Получают 88,7 г сухого осадка с содержанием Al₂O₃ 74,1%. Влажность осадка составляет 77,6%. По данным РФА осадок представляет собой гидроксид алюминия в форме псевдобемита.

Для оценки химической активности по отношению к соляной кислоте берут навеску полученного гидроксида алюминия массой 5 г, помещают в эксикатор над 37% соляной кислотой и выдерживают в течение 30 минут. После этого навеску помещают в 100 мл воды с температурой 25°C, в которой она полностью растворяется, что свидетельствует о высокой химической активности полученного гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте.

Пример 2. 500 г Al(NO₃)₃·9H₂O и 424,1 г кристаллического карбоната натрия Na₂CO₃ (расход карбоната натрия 6 моль на 1 моль Al₂O₃) смешивают в твердом виде в лопастном смесителе в течение 30 минут. Полученную реакционную массу весом 855,6 г выщелачивают 2200 мл воды при температуре 50°C в течение 30 минут. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением алюминийсодержащего осадка. Скорость фильтрации составляет 1280 л/(м²·ч). Из полученного осадка отбирают пробу массой 5 г, высушивают при 105°C до постоянной массы и анализируют методом рентгенофазового анализа РФА. По данным РФА основной фазой алюминийсодержащего осадка является гидроалюмокарбонат натрия NaAl(OH)₂CO₃. Алюминийсодержащий осадок промывают 7 раз порциями воды по 250 мл с температурой 80°C до величины pH 7-й порции промывной воды 7,5. Промытый алюминийсодержащий осадок сушат при 105°C до постоянной массы. Получают 83,1 г сухого осадка с содержанием Al₂O₃ 79,2%. Влажность осадка составляет 72,8%. По данным РФА осадок представляет собой гидроксид алюминия в форме псевдобемита.

Для оценки химической активности по отношению к соляной кислоте берут навеску полученного гидроксида алюминия массой 5 г, помещают в эксикатор над 37% соляной кислотой и выдерживают в течение 30 минут. После этого навеску помещают в 100 мл воды с температурой 25°C, в которой она полностью растворяется, что свидетельствует о высокой химической активности полученного гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте.

Пример 3. 322 г AlO₃-6H₂O и 353,3 г кристаллического карбоната натрия Na₂CO₃ (расход карбоната натрия 5 моль на 1 моль Al₂O₃) смешивают в лопастном смесителе в течение 25 минут. Полученную реакционную массу весом 539,7 г выщелачивают 2000 мл воды при температуре 45°C в течение 20 минут. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением алюминийсодержащего осадка. Скорость фильтрации составляет 1310 л/(м²·ч). Из полученного осадка отбирают пробу массой 5 г, высушивают при 105°C до постоянной массы и анализируют методом рентгенофазового анализа РФА. По данным РФА основной фазой алюминийсодержащего осадка является гидроалюмокарбонат натрия NaAl(OH)₂CO₃. Алюминийсодержащий осадок промывают 6 раз порциями воды по 250 мл с температурой 70°C до величины pH 6-й порции промывной воды 7,3. Промытый алюминийсодержащий осадок сушат при 105°C до постоянной массы. Получают 86,3 г сухого осадка с содержанием Al₂O₃ 76,4%. Влажность осадка составляет 74,1%. По данным РФА осадок представляет собой гидроксид алюминия в форме псевдобемита.

Для оценки химической активности по отношению к соляной кислоте берут навеску полученного гидроксида алюминия массой 5 г, помещают в эксикатор над 37% соляной кислотой и выдерживают в течение 30 минут. После этого навеску помещают в 100 мл воды с температурой 25°C, в которой она полностью растворяется, что свидетельствует о высокой химической активности полученного гидроксида алюминия по отношению к соляной кислоте.

Из приведенных Примеров видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет получить в условиях твердофазного процесса гидроксид алюминия, химически активный по отношению к соляной кислоте. Способ является менее длительным, так как скорость фильтрации возрастает в 12,5-13,4 раз при меньшей продолжительности предшествующих операций. Соответственно снижается количество жидких отходов, что повышает экологичность способа. Предлагаемый способ относительно прост и может быть реализован с привлечением стандартного технологического оборудования.

1. Способ получения гидроксида алюминия, включающий смешение кристаллических солей алюминия и угольной кислоты, выделение алюминийсодержащего осадка, его промывку водой при повышенной температуре и сушку, отличающийся тем, что в качестве соли угольной кислоты используют карбонат натрия, смешение солей ведут в твердом виде при расходе карбоната натрия 4-6 моль на 1 моль Al₂O₃, полученную реакционную массу выщелачивают водой с образованием суспензии, из которой выделяют алюминийсодержащий осадок, а промывку осадка водой ведут до величины pH промывной воды не более 7,5.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соли алюминия берут его нитрат Al(NO₃)₃·9H₂O или хлорид AlCl₃·6H₂O.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выщелачивание реакционной массы ведут при температуре не выше 50°C.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промывку осадка ведут при температуре 60-80°C.