DE2652535A1 - Verfahren zur herstellung von kieselsaeure-koerpern - Google Patents
Verfahren zur herstellung von kieselsaeure-koerpernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
agglomerierten Körpern auf der Basis von Kieselsäure,
Die Bedeutung von Körpern auf der Basis von Kieselsäure, vor allem von Körpern mit großer spezifischer Oberfläche für Anwendungsgebiete
wie Adsorption und Katalyse ist bekannt.
Diese Körper können nach verschiedenen allgemein bekannten Verfahren hergestellt werden, wie sie üblicherweise zur Formgebung
von Oxiden oder Hydroxiden angewandt werden, beispielsweise Agglomerieren durch Preßformen oder Strangpressen von
Pulvern oder klein Granulaten dieser Oxide oder Hydroxide
oder Gelieren von Soltröpfchen dieser Oxide oder Hydroxide in mit Wasser wenig oder nicht mischbaren Flüssigkeiten.
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Die durch Gelieren von Kieselsäuresoltröpfchen erhaltenen
Körper weisen geeignete Oberflächeneigenschaften auf und werden allgemein für Wirbelschichtverfahren eingesetzt, bei denen
sie eine bemerkenswerte Abriebfestigkeit zeigen. Für diese Anwendungen liegen die Abmessungen der Agglomerate allgemein
nicht über 1 mm.
Größere, sehr harte und abriebfeste Körper können ebenfalls mit Hilfe dieser Arbeitsweise der Gelierung erhalten werden,
weisen aber dann Nachteile auf, die auf der Entwicklung von Spannungen im Innern der Körper beruhen. Diese Spannungen werden
wahrscheinlich durch die zu schnellen Änderungen des Wassergehaltes des Mediums, in das diese Körper eingetaucht sind,
hervorgerufen. Dies bedingt, daß es beispielsweise sehr schwierig ist auf diese Weise brauchbare Katalysatoren durch Imprägnieren
der Körper mit Lösungen verschiedener Verbindungen herzustellen, wie dies allgemein für beispielsweise agglomerierte
Tonerdekörper üblich ist.
Die durch Agglomerieren mittels Formpressen oder Strangpressen von frischen Kieselsäuregelen erhaltenen Körper weisen zwar
die für zahlreiche Anwendungsgebiete gewünschten Oberflächeneigenschaften
auf, sind aber häufig nicht ausreichend mechanisch fest; sie werden je nach den Umständen durch Zerbrechen oder
Abrieb nachteilig veränderte Es wurden bereits verschiedene Verfahren erprobt, um die mechanischen Eigenschaften dieser
Körper zu verbessern; es ist vor allem bekannt, ihnen als Bindemittel Tone, Natriumsilicat oder Kieselsäuresol zuzusetzen.
Zwar wurden hierdurch gewisse Fortschritte hinsichtlich der mechanischen Festigkeit dieser agglomerierten Körper erzielt;
die Festigkeit reicht aber für zahlreiche Anwendungsgebiete immer noch nicht aus.
Es wurde nun ein neues Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die genannten Nachteile vermieden werden und das ohne irgendeinen
Zusatz zu groß bemessenen agglomerierten Kieselsäurekörpern mit hoher mechanischer Festigkeit führt, die außerdem
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ohne irgendeinen nachteiligen Effekt imprägniert werden
können.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von agglomerierten Kieselsäurekörpern, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man eine Zubereitung auf der Basis von Kieselsäurehydrogelgranulaten während einer Zeitspanne von weniger
als etwa 5 s in einem Medium erhitzt, dessen Eintrittstemperatur 300 bis 10000C beträgt, derart, daß der Wassergehalt
des Granulats 25 bis 50 Gew,-% ausmacht; anschließend wird verdichtet bzw. gepreßt.
Je nach den Bedingungen der Herstellung und Vorbehandlung der Kieselsäurehydrogele läßt sich eine breite Palette von Kiesels
äurekörpern mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen. Zusätzlich zu den Bedingungen, welche die Merkmale des
Arbeitsganges beim Erhitzen definieren; mit dessen Hilfe ein agglomerierfähiges Kieselsaurehydrogelgranulat mit einem
Wassergehalt von 25 bis 50 % erhalten wird, gibt es eine große Anzahl von Parametern, deren Änderung die Herstellung
sehr unterschiedlicher Kieselsäurekörper ermöglicht. Diese Parameter sind vor allem die Beschaffenheit der Vorläuferverbindungen
der Kieselsäurehydrogele, die verschiedenen Art und Weisen wie die Gelierung durchgeführt wird, die Abmessungen,
die Korngrößenverteilung und die Formen der Hydrogelgranulate, die agglomeriert werden sollen; der bei der Herstellung
oder beim Waschen der Granulate eingehaltene pH-Wert, die Ausführungsform der verwendeten Presse, die beim Pressen
eingehaltenen Bedingungen, vor allem die entwickelten Drucke, die Beschaffenheit der Preßhilfsmittel, die üblicherweise angewandt
werden, beispielsweise Stearate oder Graphit, die angestrebten Abmessungen der Kieselsäurekörper, die die Form
von Zylindern, Rohren, Ringen oder Kugeln annehmen können, sowie die nachfolgenden Behandlungen, denen diese Körper
unterworfen werden können.
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Es hat sich gezeigt, daß die Festigkeit der agglomerierten Körper mit dem pH-Wert zunimmt, der im übrigen eine bekannte
Wirkung auf die spezifische Oberfläche dieser Agglomerate ausübt.
Die Kieselsaurehydrogelgranulate, die sich besonders gut für
die erfindungsgemäßen Zwecke eignen, sind daher solche, die vor dem Erhitzen in einem Medium mit einem pH-Wert gleich
oder größer 6 erhalten oder behandelt worden sind. Vorzugsweise werden Mikrokügelchen verwendet? die beim Gelieren
von Kieselsäuresol in einer mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit erhalten werden; dieses Kieselsäuresol wird
durch Ansäuern von Natriumsilicat (Wasserglas) mit üblichen
Säuren erhalten. In diesem Falle erhält man Granulen, deren Durchmesser, bestimmt an den trockenen Granulen, 40 bis
300 /um beträgt. Der einzelne Korndurchmesser und die Korngrößenverteilung sind jedoch keine kritischen Faktoren; es
können ebenfalls Hydrogelgranulate für die erfindungsgemäßen
Zwecke eingesetzt werden, die durch Zerkleinern und Sieben von in der Masse verfestigten Hydrogelen erhalten worden
sind.
Unter den verschiedenen Paramiern, die das Granulat, das agglomeriert werden soll, bestimmen, spielt der Wassergehalt
eine entscheidende Rolle. Allgemein enthält das Kieselsäurehydrogelgranulat, das für die erfindungsgemäßen
Zwecke eingesetzt wird zunächst etwa 80 Gew.-% Wasser und muß deshalb in einem heißen Medium behandelt werden, damit
der Wassergehalt in den erfindungsgemäß kritischen Bereich fällt. Eine sehr kurz dauernde Behandlung von allgemein
weniger als einigen Sekunden in einem heißen Medium ist besonders vorteilhaft. Um einen Wassergehalt im Bereich
von 25 bis 5Q Gew.-% zu erzielen liegt bei einer Behandlungszeit von etwa 2 s die Eintrittstemperatur des heißen Mediums
vorteilhafterweise bei etwa 4000C. Selbstverständlich sind
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Verweilzeit und Eintrittstemperatur des heißen Mediums voneinander
abhängige Faktoren bei der Herstellung des Granulats mit einem Wassergehalt von 25 bis 50 Gew.-?6e Unter Berücksichtigung
dieser gegenseitigen Abhängigkeit wird für Eintrittstemperaturen des Heizmediums von 300 bis 100O0C eine Verweilzeit
von weniger als 3 s bevorzugt.
Vorzugsweise wird das sehr kurzzeitige Erhitzen des Hydrogelgranulats
dadurch bewirkt-t daß man das Granulat in einen Heißgasstrom
einbringt, der durch Verbrennen eines beliebigen Heizgases oder einer beliebigen Heizflüssigkeit erhalten worden
ist. Diese Art des Erhitzens ist allgemein bekannt und wird vor allem für die Herstellung von aktiven Tonerdepulvern
ausgehend von Tonerdehydrat angewandt, wobei das erhaltene aktive Tonerdepulver die Eigenschaft besitzt, bei Zusatz von
Wasser analog den hydraulischen Bindemitteln abzubinden. Es ist bemerkenswert, daß eine analoge Behandlung der Kieselsäurehydrogele
diese nicht in der gleichen Weise modifiziert^ aufgrund der unterschiedlichen chemischen Beschaffenheit der
Kieselsäurehydrogele, die große Mengen Wasser enthalten und nachfolgend ohne Zusatz von Wasser agglomeriert werden. Diese
Gele könnten im übrigen nicht, agglomeriert werden, wenn ihr Trocknungsgrad der gleiche wäre wie bei der aktiven Tonerde
(Al2O3).
Vorteilhafterweise werden die Kieselsaurehydrogelgranulen
unmittelbar nach der Wärmebehandlung agglomeriert; man erhält auf diese Weise die höchstmögliche Festigkeit. Man erhält
aber auch noch brauchbare feste Agglomerate, wenn das wärmebehandelte Kieselsäuregranulat erst nach 2tägigem Ruhenlassen
agglomeriert wirdo Vorzugsweise werden weiterhin die Hydrogelgranulate vor dem Erhitzen abgeschleudert; es kann
aber auch eine Aufschlämmung der Hydrogelgranulen in das Heizmedium zerstäubt werden, um das Abschleudern zu vermeiden;
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in diesem Falle müssen die Heizbedingungen der zusätzlichen
Wassermenge, die verdampft werden soll, angepaßt werden.
Selbstverständlich können dem erfindungsgemäßen Agglomerierverfahren
auch Kieselsäurehydrogelgranulate unterworfen werden, die in kleinen Mengen verschiedene weitere Komponenten,
vor allem solche Komponenten enthalten, die katalytische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise fein zerteilte Oxide
oder Vorläuferverbindungen dieser Oxide, die im übrigen keinerlei Rolle bei dem Agglomeriervorgang selbst spielen. Das
Kieselsaurehydrogelgranulat kann weiterhin mit weiteren Komponenten
in Pulver- oder Granulatform kombiniert werden, die den bei der nachfolgenden Formgebung erhaltenen Körpern zusätzliche
Eigenschaften verleihen. Diese Pulver oder Granulate können ebenfalls katalytische Eigenschaften aufweisen, aber
auch beispielsweise adsorbierende Eigenschaften wie im Falle der synthetischen Zeolithe. Es lassen sich auf diese Weise
komplex aufgebaute Katalysatorträger herstellen, in denen ein amorphes Kieselsäurematerial die Elemente enthält, die
kristallisiert werden können, wobei jedoch dafür Sorge getragen wird, daß die zugesetzte Menge derartiger Elemente
nicht die angestrebte Festigkeit der erhaltenen Kieselsäurekörper beeinträchtigt. Schließlich können den Kieselsäurehydrogelgranulaten
auch solche Komponenten zugesetzt werden, die anschließend wieder entfernt werden, beispielsweise Schwefel,
Graphit oder Holzkohle, wodurch in an sich bekannter Weise die Porisitätseigenschaften der erhaltenen agglomerierten
Körper modifiziert werden.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
manchmal angezeigt, das Kieselsäurehydrogelgranul.at, das durch Pressen agglomeriert werden soll, zwischen einzelnen
Heizgängen zu waschen, um auf diese Weise geringe Anteile bestimmter Verbindungen zu entfernen, die üblicherweise in den
Kieselsäurehydrogelen infolge der Beschafiäiheit der jeweili-
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gen Vorläuferverbindungen vorhanden sind; es handelt sich hierbei meist um Alkalisilicate, die durch Zugabe von Säuren
geliert werden und die diesen Säuren entsprechenden Alkalisalze liefern, deren Anwesenheit sich in manchen
Fällen als nachteilig erweist.
Schließlich werden die erfindungsgemäß erhaltenen Kieselsäurekörper,
die im übrigen in unterschiedlichen Anteilen chemische Verbindungen enthalten, die meist aus deiHerstellungsverfahren
der Gele stammen, allgemein anschließend weiteren bekannten Behandlungen unterworfen, wie Trocknen,
Brennen, Waschen, um ihnen die für eine jeweilige Anwendung erforderlichen Eigenschaften zu verleihen .
Das Agglomerieren der erfindungsgemäß erhaltenen Kieselsäurekörper
erfolgt mittels Pressen, wobei die angewandten Drucke innerhalb weiter Grenzen schwanken können. Werden jedoch
agglomerierte Körper mit hoher Zerdrückfestigkeit angestrebt, so werden vorzugsweise Agglomerier- oder Preßdrucke oberhalb
70 bar angewandt.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Kieselsäurekörper lassen sich
auf zahlreichen Gebieten einsetzen, vor allem auf dem Gebiet der Katalyse, wo sie als Träger für unterschiedliche Katalysatoren
dienen, auf dem Gebiet der Chromatographie und ganz allgemein auf allen Gebieten, bei denen Stoffe mit Adsorbiereigenschaften
benötigt werden«,
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.
Es wurden Kieselsäurehydrogelkügelchen durch Gelieren eines Kieselsäuresols vom pH-Wert 9 hergestellt; das Sol war ausgehend
von Natriumsilicat und Salpetersäure erhalten worden.
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Der Durchmesser der trockenen Mikrokügelchen betrug 40 bis 200 /um, ihre spezifische Oberfläche 250 bis 300 m2/g. Die
nassen Mikrokügelchen wurden abgeschleudert und dann in einem Rohr in einen Heißgasstrom gegeben, der ein Gemisch aus Luft
und Verbrennungsgasen von Propan war; Eintrittstemperatur der heißen Gase 4000C; Verweilzeit der Mikrokügelchen 2s.
Am Austritt des Rohres betrug die Temperatur des Gasstromes nur noch 2000C und der Wassergehalt der gesammelten Mikrokügelchen
lag bei 32 %, bestimmt durch Trocknen bei 2500C.
Diese Mikrokügelchen wurden in folgender Weise agglomeriert: jeweils 7 g Mikrokügelchen wurden in der Matrize mi"t Durchmesser
27,2 mm einer hydraulischen Presse verdichtet -·· Je nach dem ausgeübten Druck erhielt man verschieden hohe
Pastillen oder Pellets. Die Pellets wurden anschließend getrocknet und dann bei 600°C gebrannt. Um den Einfluß des
Agglomerierdruckes zu untersuchen, wurden mehrere Versuche bei unterschiedlichen Drucken durchgeführt .und anschließend
die verschiedenen Parameter an den erhaltenen Pellets bestimmt, Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
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T a b e 1 1 e 1
O
(D
OO
Preßdruck | Höhe der frisch ge | Höhe mm |
bei | 600°C gebrannte Pellets | Gesamtpora- sität cm3/i00 g |
spezifische Oberfläche m2/g |
bar | preßten Pellets mm |
19,4 | Durchmesser mm |
mittlere Zer drückfestigkeit kg |
118 | 200 |
40 | 20,5 | 18,7 | 24,1 | 2 | 113 | Il |
50 | 19,7 | 17,5 | Il | 10,8 | 110 | Il |
60 | 18,5 | 16,5 | Il | 17 | 100 | " I |
70 | 17,5 | 16,4 | Il | 24 | 100 | |
80 | 17 | 16 | Il | 25 | 94,4 | Il |
90 | 16,8 | 15 | Il | 35 | 95 | Il |
100 | 15,7 | It | 45 | |||
-Λ
απ ro cn oo
(SX
Die Tabelle zeigt, daß die spezifische Oberfläche von den angewandten Preßdrucken sehr wenig beeinflußt wird, während
die Gesamtporosität sich in Abhängigkeit vom Druck etwas ändert. Die mittlere Druckfestigkeit reicht in weitem Maße
aus, damit die agglomerierten Stoffe technisch eingesetzt werden können; sie nimmt mit angewandtem Druck zu.
Dieses Beispiel zeigt die Einfluß der verschiedenen Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Eigenschaften der
nach dem Trocknen, Waschen und Brennen bei 600°C erhaltenen agglomerierten Körper.
Die Versuche wurden mit Agglomeraten durchgeführt, die mit
Hilfe einer mechanischen Preßvorrichtung, ausgerüstet mit drei Stempeln vom Durchmesser 9 mm unter einem Druck von
bar hergestellt worden waren. Das zum Agglomerieren eingesetzte Granulat war entweder durch Zerkleinern einer durch
Ausfällen von Natriumsilicat mit Salpetersäure erhaltenen und dann in der Masse abgebundenen Kieselsäuregelmasse erhalten
worden war oder in. Form von Mikrokügelchen mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich pH-Wert und Korngrößenverteilung.
Die Heißgasbehandlung dieses Granulats erfolgte in der gleichen Vorrichtung wie im Beispiel 1·
Durch Regulieren der Eintrittstemperatur der Heißgase sowie des Zutritts des Granulats wurden Granulen mit unterschiedlichem
Wassergehalt nach der Heißgasbehandlung, bestimmt durch Trocknen bei 2500C erhalten» Zum Agglomerieren bzw.
Formpressen wurde dem Granulat 1 Gew.-% Calciumstearat als Zusatz beigemengt. Die Agglomerate oder Preßkörper wurden
dann bei 1000C getrocknet, in fließendem Wasser gewaschen
und bei 6000C gebrannt. In der folgenden Tabelle 2 sind die
Versuchsbedingungen und die erzielten Ergebnisse zusammengefaßt. Die Verweilzeit des Granulats im Heißgasstrom betrug
in allen Versuchen 2s.
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- 11 -
Versuch Eigenschaften des unbehan-N delten Granulats
pHForm
Siebanalyse
Eintrittstemp. des Heißgases 0C
8 Mikrokugeln 20/150 /um mittl.0 80 /Ur
8 Mikrokugeln 40/300 /um mittl.0 150 /τ
40/150 /um Restwasser Eigenschaften der Agglomerate nach
im Granulat Trocknen, Waschen und Brennen
mittlere spez.Ober- Gesamtporo-Zerdrückfläche sität festigkeit m2/g cm3/1Q0 g
Gew. -9
1
2
3
2
3
5
6
7
6
7
10
11
11
8 zerkleiner-
XlI
8 zerkleiner-XlI
8 Mikrokugeln 20/150
ittl0 8
8 Mikrokugeln
8 Mikrokugeln
8 Mikrokugeln
8 Mikrokugeln
8 Mikrokugeln
8 Mikrokugeln
8 Mikrokugeln
7 Mikrokugeln
5 Mikrokugeln
5 Mikrokugeln
20/150 /u mittl.0 80 / 20/150 /um
180 /um
,um
,um
/150 /t mittl.0 80 /um
20/150 /um mittl.0 80
20/150 /um mittl.0 80 /um
20/150 /um mittl.0 80 /um
20/150 /um mittl.0 80 /um
20/150 /um mittl.0 80 /um
400 400 400
40/300 /um
tlif 1βδ
700
400
350
.400
400 400 37 42 42 45
20 30 57 31
42 40 37
10
300
300
320
350
55
55
50
55
Agglomerierung erschwert
300
55
nicht agglomerierbar, Austritt JL
von H2O oo
11 | 290 | 55 | 605 |
10 | 300 | 55 | ro CD |
6 | 500 Agglomerierung |
55 erschwert |
ro CTl OO cn |
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Aus diesen Versuchen geht deutlich hervor, daß pH-Wert und Restwassergehalt der erhitzten Granulen (der unmittelbar
von der Behandlungszeit und der Behandlungstemperatur abhängt) diejenigen Parameter sind, deren Wert für die angestrebten
guten Eigenschaften der agglomerierten Körper kritisch ist«
Dieses Beispiel wurde zu Vergleichszwecken durhhgeführt
und zeigt, daß es wichtig ist, die Wärmebehandlung der Hydro gelgranulen schnell (innerhalb einiger Sekunden) durchzuführen
O
Gleiche Mikrokügelchen aus Kieselsäuregel wie in Beispiel 1 wurden im Ofen auf 1500C erhitzt, bis ihr Restwassergehalt
37 % betrug; hierzu wurden einige Minuten benötigt. Dann wur den diese Kügelchen unter den gleichen Bedingungen wie in
Beispiel 2 agglomeriert unter Zusatz von 1 Gew.-% Calciumstearat.
Die nach dem Trocknen, Waschen und Brennen bei 600°C erhaltenen Kieselsäurekörper waren sehr zerreibbar
bzw. bröckelig.
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Claims (2)
- Patentansprücheλ 1./ Verfahren zur Herstellung von Kieselsäure-Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Kieselsäurehydrogelgranulat während einer Zeitspanne von weniger als 5 s in einem Medium mit Eintrittstemperatur 300 bis 100O0C auf einen Wassergehalt von 25 bis 50 % bringt und dann verdichtet.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kieselsäurehydrogelgranulat vor dem Erhitzen aus einem Medium mit einem pH-Wert ^ erhalten oder in diesem behandelt hat.3β Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kieselsäurehydrogel Mikrokugeln sind, die durch Gelieren von Kieselsauresoltröpfchen in einer mit Wasser wenig oder nicht mischbaren Flüssigkeit erhalten worden sind.7288709821/0936
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