DE2832947A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von zeolith a - Google Patents
Verfahren zur kontinuierlichen herstellung von zeolith aInfo
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Description
PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT1 DIPLOMCHEMIKER
S KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90
- 3 Beschreibung;
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen industriellen Herstellung von Zeolith A.
Die Anwendung von Zeolithen beruht auf ihren kationischen
Austauscheigenschaften, die beispielsweise in "Comprehensive treatise on Ionorganic and Theoretical Chemistry" von
J.W. MELLOR, Band VI, Teil 2, Longman Editors, 1925,
S. 575-579 beschrieben sind: Behandlung von Wasser und insbesondere Einarbeiten in Waschmittelzusammensetzungen
zum Unschädlichmachen von Kalzium in Waschwasser.
Der am häufigsten verwendete Zeolith ist Zeolith A der Formel Na3O " Al3O3 " 2 SiO3 " χ H3O, wo χ eine Zahl zwischen
1 und 8 gemäß den Trocknungsbedingungen des Produktes sein kann, wobei χ bei den am meisten verwendeten Produkten zwischen
4 und 5 liegt.
Für die genannten Anwendungszwecke sind die Struktur und
das Kristallgitter nicht die einzigen in Betracht zu ziehenden Kriterien.
Um die Austauschfähigkeit von Ca und die Selektivität des
Zeolithen zu begünstigen, muß dieser so rein wie möglich und folglich gut kristallisiert sein, da jede Verunreinigung
entweder inaktiv oder weniger selektiv sein kann.
Die Selektivität des Austausches von Na durch Ca wird ferner durch Verwendung von Zeolithkörnern verbessert, die
durch Agglomeration von Kristallen derart gebildet werden,
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daß der Porendurchmesser wenig größer.als der Durchmesser
des Ca -Ions ist, das von e
Wassermolekülen umgeben ist.
Wassermolekülen umgeben ist.
des Ca -Ions ist, das von einer Kugel von zugeordneten
Wenn dieser Zeolith schließlich in ein Waschmittel eingearbeitet wird, ist es wichtig, daß die Korngrößenverteilung
um einen mittleren Durchmesser von 2 bis 3 μΐη eingeschränkt
ist, der genügend klein ist, damit vermieden wird, daß das Produkt in den Textilfasern zurückgehalten wird, jedoch
ausreicht, um eine leichte Trennung zwischen der festen und flüssigen Phase während der Herstellung zu ermöglichen.
Die Synthese und die Ionenaustauscheigenschaften von synthetischen
Zeolithen und insbesondere von Zeolith A sind seit langen Jahren bekannt (vergleiche "Ion Exchange" von
Friedrich Helfferich, 1962, Mc Graw Hill Book Company,
Kap. 2, S. 10-16).
Die Syntheseverfahren werden alle diskontinuierlich durch Mischen der Elemente Si, Al und Na durchgeführt, die in
verschiedener Form zugesetzt werden, wobei auf diese Weise ein Silicoaluminatgel gebildet wird, das niederschlägt.
Dieses Gel wird dann durch Reifen in der Stammlösung, die. eine Menge an freiem Natrium- und löslichem Aluminiumhydroxid
enthält, das mit dem erhaltenen Zeolithtyp verträglich ist, zu Zeolith A kristallisiert. Derartige Verfahren
sind beispielsweise in der US-PSen 2 841 4 71 und 2 847 280 sowie in der FR-PS 1 404 467 und der DE-AS
2 517 218 beschrieben.
Dieses diskontinuierliche Ausfällen führt zu wesentlichen Änderungen der Gehalte an Na„0, Al3O3 und SiO- in der Lösung,
die die Mischung liefert. Es ergibt sich daher eine bedeutende Heterogenität des erhaltenen Produktes in Bezug
auf Korngrößenverteilung, Kristallinität und Austauschselektivität (Größe der Poren).
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Andererseits wird bei allen beschriebenen Verfahren die Ausgangslösung für die Kristallisation, die noch nicht
vernachlässigbare Mengen an Natrium- und Aluminiumhydroxid enthält, weggeworfen r wodurch sich ein wesentlicher Verbrauch
an Ausgangsmaterial und eine entsprechende Umweltverschmutzung ergibt.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen, daß diese Nachteile beseitigt.
Dieses Verfahren ist ein Verfahren zum homogenen Niederschlagen und Kristallisieren, das kontinuierlich arbeitet
und es ermöglicht, Zeolith A in homogener und konstanter
Qualität zu erhalten.
Die verschiedenen Stufen des Verfahrens sind in der beigefügten Figur 1 dargestellt.
T. Die wesentliche Stufe ist das Niederschlagen und Kristallisieren
des Zeolith A, das kontinuierlich in C erfolgt. Es besteht in einem kontinuierlichen Mischen einer Lösung L1
aus Natriumsilikat mit einer Lösung L„ aus Natriumaluminat bei einer Temperatur zwischen 40 und 90° C.
Da das Verfahren kontinuierlich mit Kreislaufführung durchgeführt wird, wird auf L.. und L2 später eingegangen.
Von der Verwirklichung des kontinuierlichen Mischens hängt
die Qualität des erhaltenen Produktes ab.
Dieses Mischen muß schnell und derart wirksam vorgenommen
werden, daß sich in keinem Moment ein lokaler Überschuß an Siliziumoxid gegenüber Aluminiumoxid ergibt (man muß
eine Anzahl von Molen von Al3O3 ^ 2 Mole SiO2 vorliegen
haben). Ein derartiger Siliziumdioxidüberschuß, selbst
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wenn er momentan auftritt, bewirkt eine Verringerung der Qualität des Produktes, indem er das Niederschlagen und
Kristallisieren eines Silicoaluminats auslöst, das kein Zeolith A ist.
Das Mischen wird in einem Reaktor vorgenommen, der schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Die Zugabe der beiden
reaktionsfähigen Lösungen, deren Dosierung geregelt wird, findet in einem Bereich mit starker Saugwirkung statt,
die durch eine Turbine erzeugt wird. Die Wirkung dieser Turbine wird noch verstärkt, wenn man sie zwischen zwei
untertassenähnlichen Platten mit entsprechenden öffnungen anordnet, die feststehen oder sich mit der Turbine drehen.
Die beiden Platten sind mit ihrem konkaven Teil zur Turbine gerichtet angeordnet und umschließen ein Volumen, in das
die beiden Lösungen eingespritzt oder angesaugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt eine große Flexibilität in seiner Anwendung: Es ist möglich, das Volumen des
Reaktors als Funktion der für das endgültige Produkt gewünschten Korngröße zu berechnen. Eine Vergrößerung des
Volumens des Reaktors bewirkt eine Vergrößerung der Aufenthaltszeit der Suspension des Silicoaluminats, das beständig
aus Silizium- und Aluminiumoxid gebildet wird, und führt somit zu einem Wachsen des Produktes.
Um die Homogenität bezüglich der Korngrößenverteilung weiter zu verbessern, kann man mehrere Reaktoren der beschriebenen
Art in Serie anordnen.
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2. Dem oder den Reaktoren folgen nicht dargestellte Kristallisationsbehälter,
die gerührt und auf einer konstanten Temperatur in einem Bereich von 75 bis 100° C gehalten werden.
Die Verweilzeit muß derart sein, daß die gewünschte Kristallinität
erhalten wird.
Die Natriumhydroxidkonzentration der Lösung nach dem Niederschlagen,
in der diese Kristallisation vorgenommen wurde, darf 135 g/l NaOH nicht überschreiten damit die Kristallisation
von Silicoaluminaten vom inaktiven Feldspattyp vermieden wird, muß jedoch über 26 g/l NaOH liegen, damit die
Kristallisationsgeschwindigkeit des Zeolith A für ein industrielles Verfahren brauchbar ist.
Der übergang von Kristallisationsbehälter zu Kristallisationsbehälter
wird vorgenommen, indem die Suspension am Boden der Krxstallisationsbehälter durch geeignete Mittel
derart entnommen wird, daß die schwereren und daher größeren Teilchen vorzugsweise extrahiert werden, wodurch die
Homogenität der Herstellung aufrechterhalten wird.
3. Die durch die vorstehend beschriebene Stammlösung gebildete Suspension und der kristallisierte Zeolith A erreichen
D, wo die Trennung von fester und flüssiger Phase durch geeignete Mittel (beispielsweise Dekantieren, Filtrieren
usw.) erfolgt.
Der Feststoff wird mit Wasser gewaschen und dann getrocknet. Das Waschwasser wird aufgefangen und mit der von dem
Feststoff abgetrennten Flüssigkeit vermischt und bildet die Flüssigkeit L3.
Die Bedingungen für das in C vorgenommene Mischen ermöglichen
es, einen sehr geringen Überschuß an Aluminiumhydroxid in Bezug auf Siliziumdioxid derart einzuführen,
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daß die erhaltene Mischung ein Molverhältnis von 22
von etwa 0,54 aufweist. Es ergibt sich dann, daß die Lösung L.., die in D von dem niedergeschlagenen und kristallisierten
Zeolith A abgetrennt wurde, einen genügend geringen Restgehalt an Aluminiumhydroxid (2 bis 10 g/l Al3O3) aufweist, um
in E und B erneut leicht gesättigt und kontinuierlich zu C im Kreislauf zurückgeführt zu werden.
4. In E wird die Flüssigkeit L_., die in D durch das Waschwasser
verdünnt wurde, durch Verdampfen konzentriert. In E führt man gleichzeitig die Natronlauge ein, die notwendig ist,
um diejenige zu kompensieren, die bei der Bildung von Zeolith A verbraucht wurde. Die Flüssigkeit L«, die auf diese
Weise erhalten wird, enthält:
90 bis 120 g/l NaOH
2 bis 12 g/l Al3O3 und
0,3 bis 0,8 g/l
0,3 bis 0,8 g/l
5. Die Flüssigkeit L. wird B zugeführt, wo sie mit Aluminiumhydroxid
in Form von Hydrargillit in einer genügenden Menge vermischt wird, die ausreicht, um den Verlust an Aluminiumhydroxid,
das zur Bildung des Zeolith A verwendet wurde, zu kompensieren.
Das zugesetzte Aluminiumhydroxid wird in einer Reihe von gerührten und auf einer Temperatur zwischen 90 und 120° C
gehaltenen Behältern bei atmosphärischem Druck in Lösung überführt. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit L4, die aus
den in C, D und E durchgeführten Verfahrensschritten stammt, ermöglicht das Arbeiten bei atmosphärischem Druck.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß verschiedene Lösungen L~, L_ und L. vorliegen, die Siliziumdioxidgehalte
aufweisen, die weder in E noch in B das Niederschlagen von Siliziumdioxid in Form eines Silicoaluminats
bewirken.
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6. Die -Flüssigkeit L2 verläßt B und wird zum Schließen
des Kreislaufs in C eingeführt. Sie besitzt folgende Zusammensetzung:
80 bis 110 g/l NaOH
50 bis 65 g/l Al3O3 und 0,2 bis 0,7 g/l SiO3.
50 bis 65 g/l Al3O3 und 0,2 bis 0,7 g/l SiO3.
7. Die Lösung L1 aus Natriumsilikat wird in A aus verschiedenen
Ausgangsmaterialien für Siliziumdioxid und Natronlauge entsprechend ökonomischen Kriterien hergestellt, etwa
aus industriellen Waschlaugen von Natriumsilikat, oder Siliziumdioxid, das in Sand enthalten ist, und Natronlauge,
oder Natronlauge und Silicagel, das aus Fluorsiliziumsäure wiedergewonnen wird, das bei der Herstellung von Aluminiumfluorid
oder Fluorwasserstoffsäure oder bei der Behandlung von natürlichen Phosphaten freigesetzten Gasen anfällt. Man
kann ferner natriumhaltige Siliziumdioxidlösungen verwenden,
die aus der Enfsilikatisierung von Bauxiten vor der Behandlung in Einrichtungen zur Herstellung von Aluminiumoxid
stammen, wobei die Siliziumdioxidgehalte zwischen 15 und 40 g/l und die Natronlaugengehalte zwischen 65 und 155 g/l
variieren.
Die Lösung L. muß eine minimale Menge an Natronlauge enthalten,
damit die Lösung L. einen Natronlaugengehalt derart aufweist, daß die Lösung von Aluminiumhydroxid in B
leicht vorgenommen werden kann. Zu diesem Zweck ist in der Lösung L1 ein Molverhältnis von SiO„/Na?O größer oder
gleich 2,8 erforderlich.
Der Konzentrationsbereich von L1 ist im allgemeinen folgender:
NaOH : 45 bis 105 g/l
SiO2 : 120 bis 350 g/l.
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Jedoch ermöglicht es die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens, in C kontinuierlich, Silicagel mit einer Natriumaluminatlösung
reagieren zu lassen, die im Kreislauf geführt wird oder aus einer Einrichtung zur Herstellung von Aluminiumhydroxid
stammt, wobei die Gesamtheit der notwendigen Natronlauge für diese Reaktion durch die Alumxniumhydroxidlösung
mitgeführt wird, die 25 bis 140 g/l NaOH enthält.
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zeolith A besitzt folgende Eigenschaften:
Eine beschränkte Korngrößenverteilung, 90 % der Körner befinden sich in einem Bereich von 4 μΐη um einen mittleren
Durchmesser zwischen 1 und 10 μπι, der als Funktion der vorgesehenen
Verwendung einstellbar ist. Die Ionenaustauschkapazxtät des trockenen Produktes ist
größer als 85 mg Ca /g.
Der auf diese Weise erhaltene Zeolith A ist insbesondere für Waschmittel zum Weichmachen von kalkhaltigem Wasser
geeignet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert.
Eine Lösung L1 von Natriumsilikat wird aus 542 kg Natriumsilikat
enthalten in 1360 kg industriellem Waschwasser und einem Zusatz von 1,36 m3 Wasser hergestellt.
Dxe | Lösung | L1 | enthält: | 329 | kg |
SiO2 | 113 | If | |||
Na2O | 2.278 | Il | |||
H2O | |||||
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sie wird C mit einer Flüssigkeit L„ gemischt, die im Kreislauf
geführt und deren Herstellung nachfolgend beschrieben wird.
Die Lösung L2 aus Natriumaluminat enthält:
SiO2 3 kg
Al2O3 330 "
Na2O 480 "
H2O 5.700 "
Das Niederschlagen und Kristallisieren erfolgt unter den vorbeschriebenen Bedingungen bei einer Temperatur von 90° C
und bei einer gesamten Verweilzeit von 6 h.
Der kristallisierte Feststoff und die resultierende Flüssigkeit werden durch Filtrieren in D getrennt.
Der Feststoff wird über dem Filter mit 1500 kg Wasser gewaschen und dann kontinuierlich in einem Schneckentrockner
getrocknet.
Man erhält auf diese Weise 1.000 kg Zeolith A enthaltend:
SiO2 | 329 | kg |
Al2O3 | 279 | Il |
Na2O | 170 | Il |
HO | 222 | Il |
95 % der Körner des erhaltenen Zeoliths besitzen einen Durchmesser
zwischen 1 und 5 μπι.
Die Austauschkapazität beträgt 105 mg Ca/g des Produktes.
809885/1062
Die Flüssigkeit L3, die durch Mischen der von dem Zeolith A
abgetrennten Flüssigkeit und dem Waschwasser für den Zeolith A gemischt wird, enthält:
SiO2 | 8 | 3 | kg |
Al2O3 | 51 | Il | |
Na2O | 423 | Il | |
H 0 | .500 | Il | |
SiO2 | 2°3 |
Al | 2° |
Na | 0 |
H2 |
Diese Flüssigkeit wird durch Verdampfen konzentriert, wonach 57 kg Natronlauge (ausgedrückt in Na2O) zugesetzt werden,
um einen Teil der in dem Zeolith A niedergeschlagenen Natronlauge zu kompensieren.
Man erhält auf diese Weise eine Flüssigkeit L4, die enthält:
3 kg
51 "
480 "
5.550 "
51 "
480 "
5.550 "
In der Flüssigkeit L4 werden in B 279 kg Aluminiumhydroxid
(ausgedrückt in Al2O3) gelöst, das in 516 kg feuchtem Hydrargillit
enthalten ist.
Dieses Lösen wird bei 100 bis 102° C während einer Verweilzeit von 1 h vorgenommen.
Die Lösung L3, die in C eingeführt und wie oben verwendet
wird, wird auf diese Weise erhalten.
In diesem Beispiel ist das Ausgangsmaterial, das die notwendige Menge an Siliziumdioxid liefert, ein sehr billiges
Ausgangsmaterial, das aus einer Wiederverwertung stammt.
809885/1052
Dieses siliziumdioxidhaltige Ausgangsmaterial ist ein Silicagel
aus H-SiFg/ einem Rückstand aus de'r Herstellung von AIuminiumfluorid
oder der Behandlung von natürlichen Phosphaten zur Herstellung von Phosphaten oder Phosphorsäure.
Die Lösung L1 von Natriumsilikat wird daher hergestellt,
indem 1080 kg Silicagel enthaltend 329 kg Siliziumdioxid
(ausgedrückt in SiO2) pro 265 kg einer Natronlauge enthaltend
113 kg Natriumhydroxid (ausgedrückt in Na2O) bei 85° C während
60 min behandelt wurden.
Dann wird mit Wasser verdünnt, um 2,4 m3 an Lösung L- zu
erhalten, die enthält:
SiO2 | 2 | 329 kg |
Na2O | 113 " | |
H2O | .300 " | |
Die Lösung L1 wird in C mit der Lösung L2 gemischt, die wie
in Beispiel 1 im Kreislauf geführt wird.
Die Lösung L2 von | Natriumaluminat enthält: | kg |
SiO2 | 3 | Il |
Al2O3 | 330 | Il |
Na2O | 480 | Il |
H2O | 5.7OO |
Das Niederschlagen, Kristallisieren des Zeolith A und Filtrieren,
Waschen und Trocknen desselben, werden wie gemäß Beispiel 1 durchgeführt.
Auf diese Weise erhält man 1.000 kg kristallisierten Zeolith
A, der enthält:
SiO2 329 kg
Al2O3 279 "
Na2O 170 "
H2O 222 "
809885/1052 .
95 % der erhaltenen Körner besitzen einen Durchmesser zwischen 1 und 5 μπι.
Die Austauschkapazität beträgt 102 mg Ca/g des Produktes.
In diesem Beispiel ist das siliziumdioxidhaltige Ausgangsmaterial eine industrielle Waschlösung von Natriumsilikat,
die wie in Beispiel 1 die Herstellung einer Lösung L1 ermöglicht,
die enthält:
SiO2 | 2. | 329 | kg |
Na2O | 113 | Il | |
H2O | 278 | Il | |
Aluminiumhydroxid wird in Form einer Natriumaluminatlosung
eingeführt, das aus einer Einrichtung zur Herstellung von Aluminiumhydroxid stammt.
Die industrielle Natriumaluminatlosung bildet die Flüssigkeit
L2.
6 m3 werden entnommen, die enthalten:
SiO2 | 2 | kg |
Al2O3 | 450 | Il |
Na2O | 480 | Il |
Die Flüssigkeiten L1 und L2, die vorher auf 90° C erhitzt
wurden, werden in C entsprechend der vorstehenden Beschreibung gemischt. Es ergibt sich ein amorpher Niederschlag
von Natrxumsilicoaluminat, ein Gel, das in Kontakt mit der Stammlösung bei 95° C während 3 h kristallisiert.
80988.5/1052
Der kristallisierte Feststoff wird abfiltriert und dann mit 1200 kg heißem Wasser gewaschen. Anschließend wird
er kontinuierlich in einem Schneckentrockner getrocknet.
1000 kg Zeolith A werden auf diese Weise erhalten, die enthalten:
SiO2 329 kg
Al2O3 279 "
Na2O 170 "
H2O 222 "
95 % der Körner des erhaltenen Zeolith A besitzen einen Durchmesser
zwischen 1 und b μπι.
Die Austauschkapazxtät liegt bei 99 mg Ca/g des Produktes.
Die Flüssigkeit L3, die aus Mischen der Stammlösung und
des Waschwassers für den kristallisierten Zeolith gebildet wird, enthält:
SiO2 | 2 | kg |
Al2O3 | 171 | Il |
Na2O | 423 | Il |
H2O | 3.300 | Il |
Diese Flüssigkeit wird in der Einrichtung zur Herstellung
von Aluminiumhydroxid wiederverwendet, in die sie zurückgeführt wird.
809885/1052
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von Zeolith A, wobei eine
Natriumsilikatlösung und eine Natriumalumxnatlösung miteinander gemischt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Lösungen zur Erzielung einer konstanten und homogenen Qualität augenblicklich und kontinuierlich gemischt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stammlösung, die einen geringen Aluminiumoxidgehalt
aufweist, nach Konzentrieren durch Verdampfen in den Kreislauf zurückgeführt wird, worauf dieser Natronlauge
und Aluminiumhydroxid in solchen Mengen zugesetzt wird, daß die Natrium- und Aluminiumhydroxidniederschlage während
der Bildung von Zeolith A kompensiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aluminatlösung in einer Einrichtung zur Herstellung von Aluminiumhydroxid und nach der Verwendung dieser
wieder zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Natriumaluminatlosung mit Aluminiumhydroxid bei atmosphärischem Druck gesättigt ist.
809885/1052
ORIGINAL INSPECTED
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumsilikatlösung aus industriellen Waschlaugen
von Natriumsilikat hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumsilikatlösung aus Natronlauge und Siliziumdioxid
aus Sand hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumsilikatlösung aus Natronlauge und Silikagel
hergestellt wird, das aus Fluorsiliziumsäure wiedergewonnen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumsilikatlösung aus natriumhaltigen Siliziumdioxidlösungen
hergestellt wird, das aus der Entsilikatisierung von Bauxiten stammt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumsilikatlösung eine Natronlaugenmenge enthält,
so daß das molare Verhältnis von SiO2/Na,,O gleich oder
größer 2,8 ist.
10. Zeolith A hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1,
der eine eingeschränkte Korngrößenverteilung mit 90 % in einem Bereich von 2 bis 5 μπι besitzt.
809885/1052
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