DE2445303C3 - Basisches, zur Herstellung eines Kupfer enthaltenden Katalysators geeignetes Carbonat - Google Patents
Basisches, zur Herstellung eines Kupfer enthaltenden Katalysators geeignetes CarbonatInfo
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Description
wobei m einen beliebigen, auch nicht ganzzahligen Wert zwischen 2 und 6 bedeutet, erhältlich dadurch,
daß man etwa einmolare wäßrige Lösungen fällbarer Salze von Kupfer und Aluminium, die
Kupfer und Aluminium in einem Atomverhältnis wie m zu 6 enthalten, mischt und dann mit einer
Alkalicarbonat und -bicarbonat enthaltenden, an Alkalimetallionen etwa zweinormalen Lösung derart vermischt, daß in dieser Mischung ein pH-Wert
von 8 bis 9,5 und eine Mischungstemperatur von 60 bis 90° C eingehalten wird und daß man den
erhaltenen — gegebenenfalls gewaschenen — Niederschlag unter 100° C trocknet
2. Verwendung des basischen Carbonats nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Katalysators für
die Herstellung von Butindiol aus Formaldehyd und Acetylen.
Bekannt ist die Herstellung von basischen Carbonaten der allgemeine -. Formel
wobei das Atomverhältnis von zweiwertigen zu dreiwertigen Metallatomen also 3 :1 ist Diese Verbindungen besitzen nach der DE-PS 20 24 282 die Struktur
des natürlichen Mannasseits. Metalle, die in der Mannasseitphase kristallisieren können, sind beispielsweise:
zweiwertige: Nickel, Kobalt, Magnesium, Mangan,
Zink, Kupfer
dreiwertige: Aluminium, Eisen, Chrom.
Aus Verbindungen dieser Metalle mit der Kristallstruktur des Mannasseits können besonders aktive
Katalysatoren hergestellt werden.
Sie weisen jedoch eine oft nicht befriedigende thermische und auch chemische Beständigkeit auf. Hält so
man beispielsweise eine Verbindung mit der Metallzusammensetzung Cu4Mg2Al2 für 6 Stunden bei 350°C, so
liegt anschließend das Kupfer überwiegend in oxidischer Form vor, wie sich röntgenographisch nachweisen
läßt jedoch ist das Magnesium bereits gegen den « Angriff schwach saurer Medien nicht mehr beständig.
Katalysatoren, die durch gemeinsame Fällung von Oxiden, u.a. des Kupfers, erhalten worden sind, sind
schon beschrieben (DE-OS 15 42 222). Diese Katalysatoren sind jedoch für die Umsetzung von Kohlenoxid bo
mit Wasserdampf bestimmt und müssen außerdem Zink enthalten. Sie sind für bestimmte, hier besonders
interessierende Verfahren, nämlich die Umsetzung von Acetylen und Formaldehyd zu Butindiol nicht geeignet,
so daß auch im Hinblick auf diese Katalysatoren to weiterhin ein Bedarf an Kupfer enthaltenden Katalysatoren besteht, die die vorerwähnten Nachteile nicht
aufweisen.
gefunden, wobei m einen beliebigen, auch nicht ganzzahligen Wert zwischen 2 und 6 bedeutet, das
gegenüber den Carbonaten mit Mannasseit-Struktur eine Reihe von Vorteilen bietet
Ein basisches Carbonat der erfindungsgemäßen Zusammensetzung kann dadurch erhalten werden, daß
man etwa einmolare wäßrige Lösungen fällbarer Salze von Kupfer und Aluminium, die Kupfer und Aluminium
in einem Atomverhältnis von Kupfer zu Aluminium wie
m zu 6 enthalten mit einer Alkalicarbonat und/oder
-bicarbonat enthaltenden, an Alkalimetallionen etwa zweinormalen Lösung derart mischt, daß in dieser
Mischung ein pH-Wert von 8 bis 9,5, vorzugsweise 8,1 bis 8,5, und eine Mischungstemperatur von 60 bis 900C
eingehalten wird und den erhaltenen, gegebenenfalls gewaschenen Niederschlag bei einer Temperatur unter
iOOsC trocknet Die erfindungsgemäßen Carbonate
können auch bei einer gewissen Abwandlung der vorstehenden Vorschrift entstehen.
So können die erfindungsgemäßen Carbonate auch dadurch erhalten werden, daß man das Metailsalz z. B. in
zweimolarer Lösung bei der Herstellung des Carbonats verwendet Die angegebenen Bedingungen geben somit
lediglich eine exakt erprobte Verfahrensweise wieder.
Durch Bestimmung des Kohlendioxids, des nach Fischer titrierbarea Wassers und des Gesamt-Glühverlustes sowie eine übliche Bestimmung des Kupfers
und Aluminiums an entsprechenden Proben konnte die vorstehende formelmäßige Zusammensetzung wahr-
Die Röntgendiagramme der Verbindungen (F i g. 1;
die Verbindung entspricht der Zusammensetzung
Cu5AI6(CO1MOH)17O,)
deuten auf ein Schichtgitter hiw. Es i.J' eine entfernte
Ähnlichkeit mit dem Röntgendiagramm des Mannasseits (F i g. 2), zeigt jedoch charakteristische Eigenheiten, die bisher noch nicht beschrieben wurden.
45 Tabelle
d-Werte von Guinier-Aufnahmen (CuIC,)
Erfindungsgemäße Verbindung Cu]MgJ Ab-Mannasseii | relative | (Fig· 2) | relative |
CuiAle-Carbonat (F i g. 1) | Intensität | d | Intensität |
d | 100 | 100 | |
90 | 7,65 | 80 | |
7,6s | 50 | 3.80 | |
3.80 | 70 | 80 | |
2,72 | 40 | 2,58 | |
2,52 | 10 | ||
2,41 | 50 | 60 | |
2,39 | 20 | 23 | |
2,24 | 50 | 40 | |
2,03 | 30 | 1,94 | 10 |
1,89 | 10 | 1,73 | 10 |
1.72 | 30 | 1,63 | |
1,59 | 10 | ||
1,56 | 30 | 30 | |
1,54 | 30 | 1,53 | 30 |
1,52 | 30 | 1,50 | |
1,47 | |||
1,44 |
Bemerkungen zur Tabelle
Die £/-Werte können bei wechselndem Wassergehalt
der Proben Weine Abweichungen von den angeführten Werten zeigen. Geringe Verunreinigungen (AI(OH)3)
sind in der Regel erkennbar.
Linien geringer relativer Intensität wurden nicht vermessen; die Liste enthält also nur die wesentlichen
Linien.
Bei der erfindjngsgemäßen Verbindung kann angenommen werden, daß die konstanten Elemente des
Schichtgitters von einem Aluminiumoxidhydrat gebildet werden; in die Zwischengitterplätze wird basisches
Kupfercarbonat in wechselnder Menge eingelagert; das Schichtgitter selbst scheint aber zu seiner Bildung einer
gewissen minimalen Besetzung eben dieser Zwischengitterplätze zu bedürfen.
Beim Erhitzen über 800C hinaus gibt die erfindungsgemäße Verbindung Wasser und Kohlendioxid ab und
wird röntgenamorph. Die in der erfindungsgemäßen Verbindung enthaltene Verteilungsstruktur von Kupfer
und Aluminium scheint jedoch erhalten im bleiben, und
zwar überraschenderweise auch bei längerem Aufenthalt bei Temperaturen, bei denen eben diese Veteilung
bei bisher bekannten ähnlichen Verbindungen verlorengeht
Wird eine Probe der erfindungsgemäßen Verbindung, die z. B. Kupfer und Aluminium im Verhältnis Cu^A\b
enthält, 6 Stunden bei 350° C aufbewahrt, so findet man
im Röntgendiagramm keinerlei Linien mehr. Auch nach 6stündiger Temperung bei 500° C bleibt aber die Probe
amorph, d.h., eine Rekristallisation scheint nicht stattzufinden, woraus sich die aus anderen Anhaltspunkten zu gewinnende gleichmäßige Verteilung des
Kupfers in der im erfindungsgemäßen Carbonat enthaltenen Form zu erklären scheint
Die Begrenzung des Existenzbereichs der erfindungsgemäßen Verbindung ergibt sich durch zwei verschiedene Einflüsse, wie bereits angedeutet wurde:
Auf der kupferreicheren Seite Findet man zunehmend die Tendenz, Jaß das Kupfer nicht mehr als Mischkristall in Form der erfindungsgemäßen Verbindung
ausfällt, sondern als reine Kupferverbindung in Form des Malachits. Schon bei einem Atomverhältnis von
Kupfer zu Aluminium wie 11:10 gelang die Herstellung der reinen Verbindung nicht mehr; es wurden stets
gleichzeitig Anteile der erfindungsgemä3en Verbindung
und Malachit gefunden. Bei noch größeren Kupferkonzentrationen wurde die erfindungsgemäße Verbindung
nicht mehr gefunden. Man kann daraus schließen, daß die Zahl der für Kupfer verfügbaren Zwischengitterplätze begrenzt ist bzw. daß bei großem Kupferüberschuß die Malachitstruktur thermodynamisch begünstigt ist.
Auf der kupferarmen Seite reicht schließlich die Kupferkonzentration nicht mehr zur ausschließlichen
Ausbildung bzw. Stabilisierung des neuen Gitters aus und man erhält stets das Hydrargillitgitter. Dies ist bei
Atomverhältnissen von Kupfer zu Aluminium von weniger als 2 :6 regelmäßig der Fall.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen können durch Fällung aus wäßrigen Salzlösungen mit einem basischen,
carbonathaltigen Fällungsmittel in wäßriger Lösung hergestellt werden. Wesentlich ist dabei die Einhaltung
eines relativ engen pH- und Temperaturbereichs. Als besonders günstig erwies sich ein im basischen Bereich
von 8,0 bis 8,5 eingestellter pH-Wert und eine TemDeratur von 60 bis 90.insbesondere 75 bis 85°C. Als
Salze eignen sich beispielsweise Nitrate, Sulfate, Acetate, Formiate und andere wasserlösliche Salze.
Als Fällungsmittel eignen sich Alkalicarbonate und -bicarbonate, insbesondere Natriumbicarbonat bzw.
ϊ Mischungen von Natriumcarbonat und -bicarbonat, gegebenenfalls auch in Mischung mit Natriumhydroxid,
sofern die verwendeten Salze stärker sauer reagieren. Besonders geeignet als Fällungsmittel ist eine Lösung,
die man durch Erhitzen von Wasser mit — schwerlösli-
I» chem — Natriumbicarbonat in einer Menge von 100 bis
200 g/l erhält, wobei das Erhitzen einfach bis zur vollständigen Lösung des Bicarbonate fortgesetzt wird.
Bekanntlich wird hierbei Kohlendioxid abgegeben und ein Teil des Bicarbonats in Carbonat übergeführt,
jeweils ein- bis zweimolarer bzw. -normaler Lösung
angewandt Die Fällung kann sowohl kontinuierlich als
auch absatzweise erfolgen.
amorph und kristallisiert erst während der folgenden Behandlung. Nach dem Auswaschen .;:r Mutterlauge
mit kaltem Wasser und anschließendem Ire· "".knen bei 70
bis 800C hat der Niederschlag jedenfalls die erfindungsgemäße Zusammensetzung und Struktur.
ji Sofern die erfindungsgemäße Verbindung zur herstellung eines Katalysators (z. B. eines Kupferkatalysators für die Herstellung von Butindiol aus Formaldehyd
und Acetylen oder die CO-Konvertierung) verwendet wird, wird sie zunächst für 1 bis 8 Stunden auf 350 bis
jo 6000C, bevorzugt auf 500 bis 550° C, gehdten (»getempert«). Nach anschließendem Mahlen und Aussieben auf
eine geeignete Korngrößenverteilung, z. B. auf Durchmesser von 60 bis 200 μ, erhält man eine katalytisch
besonders aktive Form, die vorzugsweise für die
j', Suspensionskatalyse eingesetzt wird. Die getemperte
Praxis zur Herstellung von Katalysatoren verwendet Letztere sind geeignet für Äthinylierungen (insbesondere ft die vorerwähnte Herstellung von Butindiol),
CO-Konvertierung — besonders bei tiefer Temperatur — und Methanolsynthese.
4-, Es wird nun an einem Beispiel die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungen beschrieben; erfindungsgemäße Verbindungen mit einer anderen als der
beispielsgemäßen Zusammensetzung werden in analoger Weise, unter Variation des Mischungsverhältnisses
von Kupfer und Aluminiumsalzen erhalten.
Beispiel 1
Aus handelsüblichen Nitraten des Kupfers
(Cu(NO1)? 3H2O)
und des Aluminiums
(AI(NO1), 9 H2O)
wird eine M'schlösung hergestellt, die 1 Grammatom
Cu+ Al pro Liter enthält. Das Atomverhältnis Kupfer zu Aluminium wird durch Einwaage der Salze
eingestellt auf 1:1,2. Die Fällungslösung ist zunächst b-, 2molar an Natriumbicarbonat Um das schwerlösliche
Natriumbicarbonat ii. Lösung zu bringen, wird der
Ansatz bei gelegentlichem Rühren eine Stunde auf 800C
erwärmt. Das Fällungsmittel wird in einem solchen
Überschuß angewendet, daß das Molverhältnis Natrium- zu Nitrationen bei 1,55 ist. Im zur Fällung
verwendeten Röhrbehälter (Inhalt 101) wird so viel Wasser von 800C vorgelegt, daß das Rührblatt
eintaucht. Die beiden Lösungen werden ebenfalls auf 80°C gehalten. Bei laufendem Rührer läßt man zuerst
Fällungsmittel in den RUhrbehälter laufen, bis hier ein pH von 8,0 erreicht ist. Dann beginnt der Zulauf der
Nitratlösung mit einer Zulaufgeschwindigkeit von 5 l/h. Die Zulaufgeschwindigkeit der Fällungslösung wird so
reguliert, daß der pH-Wert im Rührbehälter während der Fällzeit stets zwischen 8,0 und 8,5 liegt. Nach
beendeter Fällung wird so viel Wasser zugegeben, daß eine Temperatur um 70"C erreicht wird. Nach
einstündigem Nachriihren ist die Temperatur auf etwa 60"C gefallen. Eine aus der Fällung entnommene Probe
zeigt im Röntgendiagramm keine Struktur. Die Hauptmenge der Fällung wird nunmehr so oft mit
kaltem Wasser gewaschen, bis im filtrierten Waschwasser nach der Brucin-Methode kein Nitrat mehr
nachweisbar ist.
Die Fällung wird mechanisch möglichst weitgehend vom Waschwasser befreit und dann bei 70 bis 80°C im
Trockenschrank getrocknet. Die äußerlich trocken erscheinende Fällung hat nach dieser Behandlung eine
türkisblaue Farbe und zeigt im Röntgendiagramm die für die erfindungsgemäße Verbindung typischen Linien.
Nach 6stündiger Temperung bei 350°C ist die Farbe
olivgrün, nach 6sliindiger Temperung bei OTC ist die
Farbe dunkeloliv. Die Röntgendiagramme der beiden getemperten Proben zeigen keine Linien.
Zum Vergleich dazu wurde aus der Reihe der Cu-Mg-AI-Mannasseite nach bekannter Vorschrift eine
Verbindung mit gleicher Atomkonzentration an Cu hergestellt wie im Beispiel 1; die in der Verbindung
vorliegenden Metalle standen zueinander im Atomverhältnis
Cu : Mg : Al = 3.6 :2,4 :2,0.
Diese Verbindung mit dem typischen Röntgendiagramm des Mannasseits (Fig.2) wurde für 4 Stunden
bei 350°C getempert. Die dabei erhaltene Substanz zeigte im Röntgendiagramm diffuse, aber deutliche
Linien des CuO(Fig. 3).
Beispiele 2 bis 5
Durch Veränderung des entsprechenden Mengenverhältnisses können mit den im Beispiel 1 beschriebener
in Mitteln entsprechende Verbindungen erhalten werden
die die folgenden Metallverhältnisse aufweisen:
Cu6AI6; Cu4AU; Cu)Al6; Cu2AI6.
r> Die restlichen Bestandteile (COj *, OH-Reste, O]
entsprechen der Bruttoformel des Beispiels 1.
Anwendung'ibcispiel
Die nach Beispiel I hergestellte Verbindung wurde
2 Stunden bei 550°C getempert. Eine Probe des so
erhaltenen Produkts erwies sich als röntgenamorph, die Farbe war dunkeloliv; die Korngröße lag zwischen 6C
und 200 μ.
Von diesem Produkt wurde so viel in 30%iger wäßriger Formaldehydlösung aufgeschlämmt, daß eine
ISgewichtsprozentige Suspension entstand. Die Suspension
wurde in ein heheizhares ReaklionsgefäG
überführt und unter Normaldruck durch den Boden des Reaktionsgefäßes Acetylen eingeleitet, wobei durch
pH-gesteigerte Zugabe von wäßriger Natronlauge eine neutrale Reaktion aufrechterhalten wurde.
Die Umwandlung des Produkts in den Katalysator und damit die Umwandlung des zweiwertigen Kupfers
zum Acetylid des einwertigen Kupfers beginnt oberhalt von etwa 60°C und wurde bei 70°C zu Ende geführt.
Nach Erhöhen der Temperatur auf 85° C wurde dei Abbau des Formaldehyds durch Reaktion mit dem
Acetylen zu Butindiol analytisch verfolgt. Nach
3 Stunden Reaktionszeit waren 75% des anfänglich vorhandenen Formaldehyds zu Butindio! umgesetzt.
Hierzu 1 ßliitt Zci
Claims (1)
1. Basisches, Kupfer und Aluminium enthaltendes Carbonat der allgemeinen Zusammensetzung
Es wurde nun ein basisches, Kupfer und Aluminium enthaltendes Carbonat der allgemeinen Zusammensetzung
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