DE102007049742A1 - Verfahren zur Herstellung einer Titan-Silicium-Mischoxid enthaltenden Dispersion - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellungeiner wässrigen Dispersion mit einem pH-Wert von 9 bis 14, welche Partikel eines pyrogenen Titan-Silicium-Mischoxidpulvers mit einem Anteil an Siliciumdioxid von 75 bis 99,99 Gew.-% und an Titandioxid von 0,01 bis 25 Gew.-% enthält, deren mittlere Aggregatdurchmesser in der Dispersion maximal 200 nm betragen, und wenigstens eine basische, quaternäre Ammoniumverbindung enthält.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Titan-Silicium-Mischoxidpulver enthaltenden Dispersion.
- Aus
EP-A-814058 EP-A-814058 - Nachteilig an dem in
EP-A-814058 - Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher ein Verfahren zur bereitzustellen, in das Titan-Silicium-Mischoxid in einer Form vorliegt, die eine hohe katalytische Aktivität bei der Weiterverarbeitung zu Zeolithen gewährleistet.
- Gegenstand der Erfindung ist Verfahren zur Herstellung einer wässerigen Dispersion mit einem pH-Wert von 9 bis 14, welche
- a) Partikel eines pyrogenen Titan-Silicium-Mischoxidpulvers mit einem Anteil an Siliciumdioxid von 75 bis 99,99 Gew.-% und an Titandioxid von 0,01 bis 25 Gew.-% enthält, deren mittlere Aggregatdurchmesser in der Dispersion maximal 200 nm, vorzugsweise weniger als 100 nm, betragen
- b) und wenigstens eine basische, quaternäre Ammoniumverbindung enthält und für die
- c) 5 ≤ mol Wasser/mol Titan-Silicium-Mischoxid ≤ 30, vorzugsweise 10 ≤ mol Wasser/mol Titan-Silicium-Mischoxid ≤ 20 und
- d) 0,005 ≤ mol Ammoniumverbindung/mol Titan-Silicium-Mischoxid < 0,20 ist, bei dem man
- e) zu einer aus einer Vorlage über eine Rotor-/Statormaschine im Kreis geführten flüssigen Phase aus Wasser und einer oder mehreren basischen, quaternären Ammoniumverbindungen, die in einer Menge vorliegen, dass der pH-Wert 10 bis 12 ist,
- f) über eine Einfüllvorrichtung bei laufender Rotor-/Statormaschine eine solche Menge Titan-Silicium-Mischoxidpulver gemäß der Ansprüche 1 bis 5 in die Scherzone zwischen den Schlitzen der Rotorzähne und der Statorschlitze einbringt, dass eine Dispersion mit einem Gehalt an Titan-Silicium-Mischoxidpulver von 20 bis 40 Gew.-% resultiert, wobei man den pH-Wert durch kontinuierliche, weitere Zugabe der basischen, quaternären Ammoniumverbindung auf 10 bis 12 hält, und
- g) man nachdem alles Titan-Silicium-Mischoxidpulver zugegeben ist, die Einfüllvorrichtung schließt und so weiterschert, dass die Scherrate im Bereich zwischen 10000 bis 40000 s–1 liegt, und
- h) anschließend gegebenenfalls Wasser und/oder weitere basische, quaternäre Ammoniumverbindung hinzugibt um den Gehalt an Titan-Silicium-Mischoxidpulver und den pH-Wert einzustellen.
- Es wurde gefunden, dass bei Verwendung dieser Dispersion, die Partikel dieser Feinheit enthält, die Reaktionszeit, die zur Herstellung von titanhaltigen Zeolithen deutlich verringert wird. Vorzugsweise beträgt der mittlere Aggregatdurchmesser weniger als 100 nm.
- Unter pyrogen sind durch Flammenoxidation und/oder Flammenhydrolyse erhaltene Metallmischoxidpartikel zu verstehen. Dabei werden oxidierbare und/oder hydrolysierbare Ausgangstoffe in der Regel in einer Wasserstoff-Sauerstoffflamme oxidiert beziehungsweise hydrolysiert. Die erfindungsgemäßen Metallmischoxidpartikel sind weitestgehend porenfrei und weisen auf der Oberfläche freie Hydroxylgruppen auf. Sie liegen in Form aggregierter Primärpartikel vor.
- Die BET-Oberfläche des eingesetzten pyrogenen Titan-Silicium-Mischoxidpulvers ist nicht limitiert. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die BET-Oberfläche in einem Bereich von 20 bis 400 m2/g und insbesondere von 50 bis 300 m2/g liegt. Die Verwendung eines Titan-Silicium-Mischoxidpulvers mit hoher BET-Oberfläche in Kombination mit einem kleinen mittleren Aggregatdurchmesser in der Dispersion ist für die Herstellung von titanhaltigen Zeolithen besonders vorteilhaft.
- Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das eingesetzte pyrogene Titan-Silicium-Mischoxidpulver weniger als 50 ppm, bevorzugt weniger als 25 ppm, der Elemente Na, K, Fe, Co, Ni, Al, Ca und Zn enthält.
- Als basische, quaternäre Ammoniumverbindung kann beispielsweise Tetraethylammoniumhydroxid, Tetra-n-propylammoniumhydroxid und/oder Tetra-n-butylammoniumhydroxid eingesetzt werden. Basische, quaternäre Ammoniumverbindungen dienen als Template, die die Kristallstruktur durch Einbau in das Kristallgitter bestimmen. Tetra-n-propylammoniumhydroxid wird vorzugsweise für die Herstellung von Titansiliaklit-1 (MFI-Struktur), Tetra-n-butylammoniumhydroxid für die Herstellung von Titansilikalit-2 (MEL-Struktur) und Tetraethylammoniumhydroxid für die Herstellung von Titan-β-Zeolithen (BEA Kristallstruktur) eingesetzt.
- Der Anteil an quaternärer, basischer Ammoniumverbindung in der erfindungsgemäßen Dispersion ist nicht limitiert. Soll die Dispersion längere Zeit gelagert werden, kann es vorteilhaft sein, ihr nur einen Teil der zur Herstellung eines titanhaltigen Zeolithen nötigen Menge der Dispersion hinzuzufügen. Vorzugsweise kann die quaternäre, basische Ammoniumverbindung in einer Menge zugegeben werden, dass ein pH-Wert von 9 bis 11 resultiert. Die Dispersion zeigt in diesem pH-Bereich eine gute Stabilität.
- Soll die Dispersion beispielsweise unmittelbar nach ihrer Herstellung zur Herstellung eines titanhaltigen Zeolithen eingesetzt werden, kann die Dispersion bereits auch die gesamte Menge an quaternärer, basischer Ammoniumverbindung enthalten. Vorzugsweise gilt dann 0,08 ≤ mol Ammoniumverbindung/mol Silicium-Titan-Mischoxid < 0,17.
- Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Dispersion kann zur Herstellung eines titanhaltigen Zeolithen eingesetzt werden. Dabei wird die Dispersion, gegebenenfalls unter weiterer Zugabe der basischen, quaternären Ammoniumverbindung, bei einer Temperatur von 150 bis 220°C über einen Zeitraum von weniger als 12 Stunden behandelt. Die erhaltenen Kristalle werden durch Filtrieren, Zentrifugieren oder Dekantieren abgeschieden und mit einer geeigneten Waschflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, gewaschen.
- Die Kristalle werden dann bei Bedarf getrocknet und bei einer Temperatur zwischen 400°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 500°C und 750°C calciniert, um das Templat zu entfernen.
- Der titanhaltige Zeolith wird in Pulverform erhalten. Für seine Verwendung als Oxidationskatalysator wird er bei Bedarf mit bekannten Methoden zum Gestalten von pulverförmigen Katalysatoren, wie zum Beispiel Pelletisierung, Sprühtrocknen, Sprühpelletisierung oder Extrusion, in eine für den Gebrauch geeignete Form, z. B. in Mikropellets, Kugeln, Tabletten, Vollzylinder, Hohlzylinder oder Honigwaben, umgewandelt.
- Der titanhaltige Zeolith kann als Katalysator in Oxidationsreaktionen mit Wasserstoffperoxid zum Einsatz kommen. Insbesondere kann er als Katalysator in der Epoxidierung von Olefinen mit Hilfe von wässrigem Wasserstoffperoxid in einem mit Wasser mischbaren Lösungsmittel verwendet werden.
- Beispiele
- Einsatzstoffe:
- Titan-Silicium-Mischoxidpulver 1 (Ti-Si-MOX 1): 6,0 kg/h Siliciumtetrachlorid und 0,26 kg/h Titantetrachlorid werden verdampft. Die Dämpfe werden mittels 15 Nm3/h Stickstoff als Traggas in eine Mischkammer überführt. Getrennt hiervon werden 3,3 Nm3/h Wasserstoff und 11,6 Nm3/h Primärluft in die Mischkammer eingebracht. In einem Zentralrohr wird das Reaktionsgemisch einem Brenner zugeführt und gezündet. Dabei brennt die Flamme in ein wassergekühltes Flammrohr. Zusätzlich werden in den Reaktionsraum 13 Nm3/h Sekundärluft und 0,5 Nm3/h Mantelwasserstoff eingebracht. Das entstandene Pulver wird in einem nachgeschalteten Filter abgeschieden und anschließend im Gegenstrom mit Wasserdampf bei 520°C behandelt.
- Ti-Si-MOX 1 weist eine BET-Oberfläche von 305 m2/g, eine DBP-Zahl 275 g/100 g, einen Anteil an SiO2 von 95 Gew.-% und einen Anteil an TiO2 von 5 Gew.-% auf. Der Anteil an Na beträgt < 10 ppm, an K < 10 ppm, an Fe ≤ 1 ppm, an Co < 1 ppm, an Ni < 1 ppm, an Al < 10 ppm, an Ca < 10 ppm und an Zn < 10 ppm. Ti-Si-MOX 1 weist einen pH-Wert in einer 4 prozentigen Dispersion in Wasser von ca. 3,6 auf.
- Titan-Silicium-Mischoxidpulver 2 (Ti-Si-MOX 2) entspricht Beispiel 18 in
EP-A-1553054 . Ti-Si-MOX 2 weist eine BET-Oberfläche von 43 m2/g, einen Anteil an SiO2 von 83 Gew.-% und einen Anteil an TiO2 von 17 Gew.-% auf. - Beispiel 1: Herstellung einer Dispersion (erfindungsgemäß)
- In einem 100 l Edelstahl-Ansatzbehälter werden 32,5 kg VE-Wasser vorgelegt. Anschließend wird mit Tetra-n-propylammoniumhydroxid-lösung (TPAOH) (40 Gew.-% in Wasser) ein pH von ca. 11 eingestellt. Nun werden mit Hilfe des Saugrüssels der Ystral Conti-TDS 4 (Statorschlitze: 6 mm Kranz und 1 mm Kranz, Rotor/Stator-Abstand ca. 1 mm) unter Scherbedingungen 17,5 kg Ti-Si-MOX 1 eingezogen. Dabei wird während des Einsaugens des Pulvers durch weitere Zugabe des TPAOHs der pH-Wert zwischen 10 und 11 gehalten. Nach Beendigung des Einziehens wird der Einsaugstutzen geschlossen, der pH mit TPAOH auf 11 eingestellt und die 33 gewichtsprozentige Vordispersion noch bei 3000 U/min 10 min lang nachgeschert. Einer unerwünschten Aufwärmung der Dispersion durch den hohen Energieeintrag wird durch einen Wärmetauscher begegnet und der Temperaturanstieg auf max. 40°C beschränkt.
- Um eine sehr hohe Lagerstabilität sicherzustellen wird mit 25,8 kg VE-Wasser verdünnt, durchmischt und noch einmal mit etwas TPAOH der pH-Wert von 11,0 nachgestellt.
- Konzentration Silicium-Titan-Mischoxid: 22 Gew.-%. Es werden insgesamt 3,8 kg Tetra-n-propylammoniumhydroxidlösung (40 Gew.-% in Wasser) verwendet.
- Die Dispersion weist folgende Werte auf:
Wasser/Silicium-Titan-Mischoxid 11,5, mittlerer Aggregatdurchmesser 92 nm (bestimmt mit Horiba LA 910) - Beispiel 2: Herstellung einer Dispersion (Vergleich)
- In einem 100 l Edelstahl-Ansatzbehälter werden 32,5 kg VE-Wasser vorgelegt. Anschließend werden mit Hilfe des Saugrüssels der Ystral Conti-TDS 4 (Statorschlitze: 6 mm Kranz und 1 mm Kranz, Rotor/Stator-Abstand ca. 1 mm) unter Scherbedingungen 13,6 kg Ti-Si-MOX 1 eingezogen.
- Es entsteht ein Dispersion mit einem Gehalt an Silicium-Titan-Mischoxid von 28 Gew.-%, die eine hohe Viskosität und eine geringe Stabilität besitzt.
- Beispiel 3: Herstellung einer Dispersion (Vergleich)
- In einem 100 l Edelstahl-Ansatzbehälter werden 32,5 kg VE-Wasser vorgelegt. Anschließend wird mit Tetra-n-propylammoniumhydroxid-lösung (TPAOH) (40 Gew.-% in Wasser) ein pH von ca. 13,5 eingestellt. Nun werden mit Hilfe des Saugrüssels der Ystral Conti-TDS 4 (Statorschlitze: 6 mm Kranz und 1 mm Kranz, Rotor/Statur-Abstand ca. 1 mm) unter Scherbedingungen 17,5 kg Ti-Si-MOX 1 eingezogen. Dabei kommt es zu starkem Schäumen der Dispersion. Eine weitere Dispergierung ist nicht möglich.
- Beispiel 4: Herstellung einer Dispersion (gemäß Erfindung)
- Durchführung analog Beispiel 1, jedoch unter Verwendung von Ti-Si-MOX 2 anstelle von Ti-Si-MOX 1.
- Die Dispersion weist folgende Werte auf: Wasser/Silicium-Titan-Mischoxid 11,5, mittlerer Aggregatdurchmesser 131 nm (bestimmt mit Horiba LA 910)
- Die Beispiele, zeigen, dass, obwohl das eingesetzte Titan-Silicium-Mischoxidpulver überwiegend aus Silciumdioxid besteht, eine bei Siliciumdioxid bekannte Dispergiertechnik im sauren pH-Bereich nicht zur Herstellung extrem feinteiliger (< 200 nm) und hochgefüllter Dispersionen geeignet ist. Stattdessen führt die Dispergierung gemäß der Erfindung im alkalischen Bereich zu einer Dispersion mit der gewünschten Teilchenfeinheit und Feststoffgehalt.
- Eine Dispersion von reinem Siliciumdioxid mit vergleichbarer BET-Oberfläche, beispielsweise CAB-O-SIL® H-5, Fa. Cabot, BET-Oberfläche = 300 m2/g), würde unter diesen Bedingungen nicht zur gewünschten Teilchenfeinheit und Feststoffgehalt führen.
- Die Beispiele zeigen auch, dass ein Teil der basischen, quaternären Ammoniumverbindung zusammen mit dem Titan-Silicium-Mischoxidpulver zugegeben werden muß, die komplette Zugabe der Base vor Einbringen des Pulvers also nicht zum Ziel führt.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 814058 A [0002, 0002, 0003]
- - EP 1553054 A [0019]
Claims (1)
- Verfahren zur Herstellung einer wässerigen Dispersion mit einem pH-Wert von 9 bis 14, welche a) Partikel eines pyrogenen Titan-Silicium-Mischoxidpulvers mit einem Anteil an Siliciumdioxid von 75 bis 99,99 Gew.-% und an Titandioxid von 0,01 bis 25 Gew.-% enthält, deren mittlere Aggregatdurchmesser in der Dispersion maximal 200 nm betragen b) und wenigstens eine basische, quaternäre Ammoniumverbindung enthält und für die c) 5 ≤ mol Wasser/mol Titan-Silicium-Mischoxid ≤ 30 und d) 0,005 ≤ mol Ammoniumverbindung/mol Silicium-Titan-Mischoxid < 0,20 ist, bei dem man e) zu einer aus einer Vorlage über eine Rotor-/Statormaschine im Kreis geführten flüssigen Phase aus Wasser und einer oder mehreren basischen, quaternären Ammoniumverbindungen, die in einer Menge vorliegen, dass der pH-Wert 10 bis 12 ist, f) über eine Einfüllvorrichtung bei laufender Rotor-/Statormaschine eine solche Menge Titan-Silicium-Mischoxidpulver gemäß der Ansprüche 1 bis 5 in die Scherzone zwischen den Schlitzen der Rotorzähne und der Statorschlitze einbringt, dass eine Dispersion mit einem Gehalt an Titan-Silicium-Mischoxidpulver von 20 bis 40 Gew.-% resultiert, wobei man den pH-Wert durch kontinuierliche, weitere Zugabe der basischen, quaternären Ammoniumverbindung auf 10 bis 12 hält, und g) man nachdem alles Titan-Silicium-Mischoxidpulver zugegeben ist, die Einfüllvorrichtung schließt und so weiterschert, dass die Scherrate im Bereich zwischen 10000 bis 40000 s–1 liegt, und h) anschließend gegebenenfalls Wasser und/oder weitere basische, quaternäre Ammoniumverbindung hinzugibt um den Gehalt an Titan-Silicium-Mischoxidpulver und den pH-Wert einzustellen.
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