DE2407238A1 - Verfahren zur herstellung von calciumfluorid aus hexafluorokieselsaeure - Google Patents

Verfahren zur herstellung von calciumfluorid aus hexafluorokieselsaeure

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DE2407238A1 DE19742407238 DE2407238A DE2407238A1 DE 2407238 A1 DE2407238 A1 DE 2407238A1 DE 19742407238 DE19742407238 DE 19742407238 DE 2407238 A DE2407238 A DE 2407238A DE 2407238 A1 DE2407238 A1 DE 2407238A1
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Description

Kali-Chemie 3 Hannover, 13. Februar 1974t
Aktiengesellschaft Z 3-PA.Dr.Scho/Br
Patentanmeldung
Verfahren zur Herstellung von Calciumfluorid aus Hexafluorokieselsäure
In den vergangenen Jahren sind mehrere Verfahren bekannt geworden, welche die Herstellung von Fluorwasserstoff, der wichtigsten Ausgangs verbindung der Fluorchemie, aus Kieselflußsäure ermöglichen. Soweit bekannt, wird jedoch keines dieser Verfahren technisch ausgeübt; der Grund dafür ist in den hohen Verfahrenskosten zu sehen.
Die industrielle Herstellung von Fluorwasserstoff geht auch heute noch ausschließlich von natürlichem Flußspat aus, der in Form des sogen. Säurespats mit mehr als 97 % CaF0 eingesetzt wird.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die in immer größeren Mengen bei der Herstellung von Superphosphat und Naßphosphorsäure als Nebenprodukt anfallende Kieselflußsäure zu CaI-ciumfluorid zu verarbeiten. Auf diese Weise kann das in solcher Form gewonnene Fluor in den bestehenden industriellen Anlagen sofort zu Fluorwasserstoff umgesetzt werden. Darüber hinaus stellt- ·. CaF2 eine unproblematische Fluorreserve dar, da es gefahrlos au"i;v: Halden deponiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Calciumfluorid aus Hexafluorokieselsäure ist durch die Umsetzung letzterer mit Calciumcarbonat gekennzeichnet, wobei man die Umsetzung in Gegenwart von Sulfat- oder Aluminiumionen in einem pH-Bereich von 2-6, vorzugsweise 3-5 durchführt, wobei das Mol-Verhältnis Sulfat zu Hexafluorokieselsäure von 1:2 bis 1 : 70, vorzugsweise 1 : 5 bis 1 : 20, oder das Mol-Verhältnis Aluminium zu Hexafluorokieselsäure 1 : 7 bis 1 : 100, vorzugsweise 1 : 10 bis 1 : 30 beträgt, danach den Calciumfluorid-Niederschlag von der wäßrigen Kieselsol-Phase abtrennt, ihn mit Wasser wäscht und trocknet.
509835/0430
Es sind bereits Verfahren bekannt, nach denen Calciumfluorid aus Kieselflußsäure durch Umsetzung mit CaCO, oder Ca(OH)2 gewonnen werden kann. So beschreiben die US-Patente 2 780 521 und 2 780 die Umsetzung verdünnter Kieselflußsäuren mit einem Gehaltvon 2,5 bis 3,8 % an H2SiF/- mit Kalk, gemäß der Reaktionsgleichung
H2SiF6 + 3 CaCO3 > 3 CaF2 + SiO2 · H3O + 3 CO2.
Wird die Reaktion in einem pH-Bereich von 3,5 - 6,7 (nach Anspruch 2 vorzugsweise 5,5 - 6,5) durchgeführt, so soll CaF2 in gut filtrierbarer Form von dem gleichfalls entstehenden SiO0-SoI abgetrennt werden können.
Ein erheblicher Nachteil des Verfahrens nach dem erstgenannten Patent ist darin zu sehen, daß man ein Calciumfluorid erhält, welches mit k - 7 % SiO2 verunreinigt ist. Ein solches Material ist für die Herstellung von Fluorwasserstoff wenig geeignet.
Nach dem zweiten Patent wird ein Calciumfluorid mit nur geringem SiOg-Gehalt (ca. 0,5 % und weniger) dadurch gewonnen, daß man der verdünnten Kieselflußsäure nicht mehr als .85 fo der zur Bildung von CaF0 stöchiometrisch erforderlichen Menge CaCO_ zufügt. Nach dem Abfiltrieren des auf diese Weise erhaltenen Produkts wird das Filtrat nochmals mit Calciumcarbonat versetzt, bis ein pH-Wert von 7-7,3 erreicht worden ist. Das in dieser Stufe anfallende Produkt stellt ein Gemisch von Calciumfluorid und Calciumsilicofluorid dar, welches nicht verwendbar ist. Zu diesem Nachteil des Verfahrens kommt noch ein weiterer, welcher in der verhältnismäßig langen Reaktionszeit von ca. 30 Minuten bis 2 Stunden zu erblicken ist. *-.*-*-■
Eine besonders erhebliche Schwäche beider in den US-Patenten dargelegten Verfahren besteht aber darin, daß nur relativ stark verdünnte, maximal 4-6 folge Kieselflußsäure verarbeitet wird. Das hat seine Ursache in der bekannten Erscheinung, daß SiO0-SoIe unstabil sind und abhängig von Parametern wie pH-Wert, Temperatur, Zeit und Fremdionengehalt zur Abscheidung von SiO2 unter Gelbildung neigen.
509835/0430
"Erfindung s geinäße
Demgegenüber erlaubt^; das/Verfahren den Einsatz von Hexafluorkieselsäure auch von hoher Konzentration, z.B. von 30-35 fo, wobei trotzdem ein Calciumfluorid erzeugt wird, das zur Herstellung von Fluorwasserstoff nach den bekannten Verfahren voll geeignet ist, während gleichzeitig ein Kieselsäuresol in einer solchen Konzentration anfällt, daß seine Verarbeitung zu Kieselsäuregelen und aktiven Kieselsäuren wirtschaftlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermag die Nachteile der bisher bekannten Verfahren zu vermeiden, indem dui'eh geeignete Zusätze die für die Reaktion und nachfolgende Abtrennung des gebildeten CaFo-Niederschlags erforderliche Zeitdauer stark verkürzt wird. Diese Zusätze, die in Form von Schwefelsäure, Sulfaten oder Aluminiumsalzen eingesetzt werden, ermöglichen weiterhin, daß das bei der Reaktion gebildete Calciumfluorid auch dann in einer außerordentlich leicht filtrierbaren Form entsteht, wenn die Hexafluorkieselsäure in vergleichsweise hoher Konzentration zur Anwendung gelangt. In diesem Fall muß der Einhaltung eines günstigen pH-Bereiches während der Umsetzung besondere Beachtung geschenkt werden, damit man sich nicht zu weit vom Gebiet der optimalen Stabilität von Kieselsäuresolen (pH 35O - 3,3) entfernt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man Calciumcarbonat als wäßrige Aufschlämmung vorlegt und die Hexafluorkieselsäure so schnell unter Rühren zulaufen läßt, daß während der Dauer der Reaktion ein pH-Wert von 4-5 aufrechterhalten wird, der gegen Ende der Umsetzung auf 3-3,5 gesenkt wird.
Durch diese Maßnahme können nach dem Abtrennen des Niederschlages Kieselsäuresole mit einem SiOg-Gehalt von 5 - 6 % erhalten werden, während der CaFp-Niederschlag nach dem Trocknen höchstens 2 - 3 % SiO ' enthält,'im Normalfalle nur i - 2 %.
Der bevorzugte pH-Bereich für die Reaktion liegt zwar innerhalb der Grenzen, die das US-Patent 2 780 521 nennt (etwa 3,5 - 6,7), jedoch stimmt er nicht mit dem dortgenannten bevorzugten Bereich (etwa 5j5 - 6>5) überein. Nach der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das pH-Gebiet zwischen 3 und 5 günstiger, weil in diesem die Kieselsäure nicht so schnell zur Aggregation unter Gelbildung neigt wie bei höheren pH-Werten.
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h
Als Zusätze zur Beschleunigung der Fällung eines leicht filtrierbaren CaFg-Niederschlags werden erfindungsgemäß Sulfationen enthaltende Verbindungen sowie Aluminiumsalze angewandt. In besonderem Maße sind Schwefelsäure und Calciumsulfat geeignet, da sie das gefällte Calciumfluorid nur mit Calciumsulfat verunreinigen, das bei der Weiterverarbeitung zu Fluorwasserstoff ohnehin entsteht. Auch andere Metallsulfate, insbesondere diejenigen des zwei- und dreiwertigen Eisens, Aluminiums und Magnesiums und die der Alkalimetalle können Verwendung finden. Sie sind in ihrem Einfluß auf die Filtrierbarkeit des CaFg-Niedei-sehlags teilweise der Schwefelsäure bzw. dem.Calciumsulfat noch überlegen, bedingen aber andererseits eine mehr oder weniger unerwünschte Verunreinigung der Folgeprodukte, also des Kieselsäuresole oder des bei der HF-Herstellung anfallenden Anhydrits. Als Zusätze hochwirksam sind ferner Aluminiumsalze, wie z.B. Sulfat, Chlorid, Nitrat, ferner Alkaliaüame und basische Salze des Aluminiums.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nach verschiedenen Methoden durchgeführt werden. So kann analog zu den oben zitierten US-Patenten das Calciumcarbonat zu der Sulfat- oder Aluminiumhaltigen Hexafluorkieselsäure gegeben werden, man kann das Calciumcarbonat mit Wasser anschlämmen und die erfindungsgemäßen Zusätze zu dieser Aufschlämmung geben,' die Reaktion läßt sich so führen, daß man diese Aufschlämmung und die Hexafluorkieselsäure kontinuierlich einem Reaktionsbehälter zuführt.
Im folgenden und in den Beispielen werden einige Ausführungsformen beschrieben, ohne daß damit andere mögliche Ausführungen ausgeschlossen sein sollen, welche die Reaktion mit den erfindungsgemäßen Zusätzen ablaufen lassen.
Wie soeben erwähnt, werden die Zusätze in der Regel der Calciumcarbonat-Aufschlämmung zugefügt. Wird Schwefelsäure als Zusatz gewählt, so ist-es vorteilhaft, sie in Form verdünnter Säure der Hexafluorkieselsäure zuzumischen. Es können hierzu auch verdünnte Abfallschwefelsäuren, soweit sie keine störenden Verunreinigungen enthalten, zur Verwendung kommen. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn Sulfationen enthaltende Zusätze im Mol-Verhältnis SO, zu Hexafluorkieselsäure wie 1 : 2 bis 1 : 70, vor-4 509835/0430
zugsweise 1 : 5 bis 'i_.:., 20,~ Aluiiiiniumionen enthaltende Zusätze im Mol-Verhältnis Al zu SiPg wie 1 : 7 bis 1 : 100, vorzugsweise 1 : 10 bis 1 : 30, eingesetzt werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt einen Temperaturbereich von 10 - 30 C, was die Anwendung anderer Temperaturbereiche nicht ausschließt.
Gegenüber dem bekannten Stand der Technik stellt die erfindungsgemäße Herstellung von Calciumfluorid aus Hexafluorkieselsäure in Gegenwart der genannten Zusätze ein Novum insofern dar, als eine so gute Kristallinität und damit Filtrierl'ähigkeit des CaF2-Niederschlages bisher nicht erreicht werden konnte, selbst wenn in großer Verdünnung gearbeitet wurde. Es ist ferner überraschend, daß die Zusätze in den vorgesehenen Mengen die Stabilität des SiO2-SoIs nicht .beeinträchtigen, so daß weitgehend SiOg-freie Calciumfluoridniederschlage erhalten werden können.
Die nachfolgenden Beispiele offenbaren den Fortschritt, der durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt wird.
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NACHGEREICHT
Beispiel 1 2407238
In einem 2 1-Beeherglas wurde eine Aufschlämmung von 303 g fein ^
■j pulverisiertem Calciumcarbonat in 1 1 ¥asser bereitet und dazu aus einem Tropftrichter ein Gemisch von 391 g Hexafluorokieselsäure, welche 35 % H2SiFg enthielt, und 30 g Schwefelsäure mit 50 % H2SO. innerhalb von 10 Minuten unter Rühren einlaufen gelassen.
Während der Umsetzung wurde ein pH-Wert von ca.4,5 festgestellt, der nach Beendigung der Reaktion auf 3,5 gefallen . war. Beide Reaktionskomponenten besaßen zu Beginn eine Temperatur von 180C.
Nach der vollständigen Zugabe des Säuregemisches wurde noch 5 Minuten unter Rühren gewartet, bis das Reaktionsgemisch kein Kohlendioxid mehr abgab. Danach wurde der Niederschlag auf einer Porzellanfilternutsche von 15 cm Durchmesser unter Verwendung eines Weißbandrundfilters (Fa. Schleicher & Schüll) abgesaugt. Der Unterdruck wurde mit Wasserstrahlpumpe erzeugt und erreichte einen Endwert von rund 27 mbar. Unter diesen Bedingungen betrug die Filtrationszeit 6 Minuten.
Der Niederschlag wurde mit 550 g Wasser nachgewaschen und besaß danach ein Gewicht von 514 g. Nach mehrstündigem Trocknen bei 1200C wurden 253 g erhalten. Die Analyse ergab einen Gehalt von 42,9 % F und 1,05 % SiO2. Carbonat ließ sich nicht nachweisen.
Das Filtrat besaß ein Gewicht von 1045 g und enthielt 5j2 % SiO9 und 80 ppm F.
Gegenbeispiel
Unter sonst gleichen Bedingungen wurden 303 g CaCO- mit 410 g Hexafluorokieselsäure (35 % ^-o^^fO zur Umsetzung gebracht.
Der gelatinöse CaF2-Niederschlag konnte nur unvollständig durch Filtration von dem Kieselsäuresol getrennt werden, von welchem nach ca. 1 h 730 g erhalten wurden. Der Filtorrückstand enthielt größere Mengen an Kieselsäuregel.
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u y
t " """-Zu einer Suspension von"30,3 g CaCO, in 200 ml Wasser wurden 3,0 g CaSO^ * l/2 H2O hinzugefügt und unter Rühren 43 g HgSiPg (33j5 $·) in 5 Minuten zugegeben. Nach 10 Minuten Nachreaktionszeit wurde ein pH-Wert von 3 registriert; der Niederschlag wurde auf einer Nutsche von 11 cm Durchmesser unter sonst gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 abgesaugt, wozu eine Filtrationszeit von 1 Minute benötigt wurde. Der getrocknete Niederschlag enthielt 42,6 % F und 0,68 %
Beispiel 3
Zu einer Suspension von 30,3 g CaCO„ in 100 ml Wasser wurden 2,9 g Al2(SO,)„ · 18 HpO zugefügt und während einer Zeit von 8 Minuten unter Rühren 43 g H0SiP/- (33,5 %) eingetropft. Danach wurde noch 5 Minuten weitergerührt; nach Beendigung der COg-Entwicklung wurde ein pH-Wert von 3 gemessen.
Der Niederschlag wurde wie in Beispiel 2 behandelt. Es wurde eine Filtrationszeit von 30 Sekunden benötigt. Die Analyse des getrockneten CaF2-NiederSchlages ergab 42,5 % F, 1,83 % SiO2 und 1,64 <?o Al2O3.
Beispiel 4
Das Beispiel 3 wurde mit der Änderung wiederholt, daß anstelle von Aluminiumsulfat 0,9 g basisches Aluminiumchlorid (Analyse : 29,5 % Al2O3, 27,35 % Cl', 6,64 % SO4'1) als Zusatz verwendet wurde.
Die Filtrationsdauer betrug unter den in Beispiel 2 angegebenen Bedingungen rund 30 Sekunden. Nach dem Trocknen wurden 46,5 % F, 3,2 <?o SiO2, 1,1 % Al2O3 gefunden.
Beispiel 5
Statt mit Aluminiumsulfat wurde das Beispiel 3 mit 1,75 g FeSO, · 7 H0O wiederholt.
Unter sonst vergleichbaren Bedingungen wurde eine Filtrationsdauer
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- 6 von 30 Sekunden gemessen. ο/ π η ο ο ο
Der Rückstand wog nach dem Trocknen 24,S g und enthielt 44,1 % F, 1,4 % SiO2 und 1,95 % Fe 2°3-
Beispiel 6
Im Beispiel 3 wurde Aluminiumsulfat durch 1 g Na0SO/ ersetzt. Unter Einhaltung der dort beschriebenen Arbeitsbedingungen dauerte das Abfiltrieren des Niederschlags 25 Sekunden. Analyse : 44,0 % F, 5,1 % SiO2, 0,22 % Na.
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Beispiel 7
1200 g gemahlener Kalkstein, enthaltend 0,86 % SiO,,, Korngröße < 0,05 nun wurde mit 4000 g Leitungswasser aufgeschlämmt und unter Rühren mit 120 g 50%iger H2SO7 versetzt. In einem Riihrgefäß I von 1 1 Inhalt mit Überlauf wurden 500 ml Leitungswasser vorgelegt. Unter Rühren wurden gleichzeitig ca. 2,3 l/h der GaGO^-Aufschlämmung und ca. 0,78 l/h wässrige Kieselfluorwasserstoffsäure mit 22,1 Gew.-% F~ zugeführt, wobei die Zugabe der Kieselfluorwasserstoffsäure so dosiert wurde, daß ein pH-Wert von 3 im Riihrgefäß I aufrechterhalten wurde. Nach 14 Min. hatte die Füllhöhe des Rührgefäßes den Überlauf erreicht, die Reaktionsmischung floß - entsprechend der Zugabe von CaCO„-Suspension und Kieselfluorwasserstoffsäure - in ein gleichartiges Riihrgefäß II. Auch in diesem Rührgefäß wurde durch entsprechende Höhe des Überlaufrohres eine mittlere Verweilzeit von 14 Min. eingestellt.
Die aus dem Rührgefäß II abfließende CaF^-Suspension wurde einer Filternutsche zugeführt, die alle 30 Min. gewechselt wurde, Nach dem Wechsel wurden die Ruckstandsfraktionen jeweils mit 500 ml Leitungswasser gewaschen und bei 12O0G getrocknet. Die folgende Tabelle zeigt die SiO2 und CaCO^-Gehalte der getrockneten GaF9-RUcIcS tände
Versuchs Rucks tand Rückstand % SiO2 <fo GaCO, 6,3
dauer (h) filterfeucht
(g)
120°G (g) 3 5,3
0,5 281 - 16O 1,7 1,8
1,0 411 247 1,8 1,9
1,5 390 233 1,8 1,9
2,0 303 200 1,9
2,5 350 220 1,8
Der Versuch zeigt, daß sich bei kontinuierlicher und gleichzeitiger Zuführung der Ausgangsstoffe nach kurzer Versuchszeitgleichhleibende Werte an SiOQ und CaCO, in synthetischem Flußspat einstellen.
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Claims (9)

NAOHGEREICHTJ Patentansprüche 2^-07238
1. Verfahren zur Herstellung von Calciumfluorid aus Hexafluorkieselsäure durch Umsetzung mit Calciumcarbonat, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart· von· Sulfatoder Aluminiumionen in einem pH-Bereich von 2-6', vörzügsweise 3-5 durchführt, wobei das Mol-Verhältnis Sulfat zu Hexafluorkieselsäure von 1 : 2 bis 1 : 70, vorzugsweise 1 : 5 l>is 1 : 20, oder das Mol-Verhältnis Aluminium zu Hexafluorkieselsäure 1 : 7 bis 1 : 100, vorzugsweise 1 : 10 bis 1 : 30 beträgt, danach den Calciumfluorid-Niederschlag von der wässrigen Kieselsol-Phase abtrennt, ihn mit ¥asser wäscht und trocknet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß CaI-ciumcarbonat in wässriger Aufschlämmung eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wässrigen Aufschlämmung des Calciumcarbonate oder der Hexafluorkieselsäure Schwefelsäure zugesetzt wird.
li. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz Calciumsulfat angewandt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz Sulfate des zwei- oder dreiwertigen Eisens, Magnesiums oder der Alkalien angewandt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumsalze, bevorzugt Aluminiumsulfat angewandt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hexafluorokieselsäure der Aufschlämmung von Calciumcarboiiat so schnell zugegeben wird, daß' während der Umsetzung ein pll-¥erfc von 4-5 aufrechterhalten wird und dieser bei Beendigung der Reaktion auf 3-3,5 fällt. .
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, ,daß das erhaltene Calciumfluorid --t—^nd zur Herstellung von Fluorwasserstoff verwendet wird.
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9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 "bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erhaltene Kieselsäure-Sol zur Herstellung von Kieselgel oder aktiver Kieselsäure verwendet wird.
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DE2407238A 1974-02-15 1974-02-15 Verfahren zur Herstellung von Calciumfluorid aus Hexafluorokieselsäure Expired DE2407238C3 (de)

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