DE3217751C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft Preßlinge zur Verwendung als Katalysatorträger oder Katalysator aus hochdispersem pyrogen hergestelltem Titandioxid, sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung.
Pyrogenes Titandioxid wird durch Hochtemperaturhydrolyse einer verdampfbaren Titanverbindung, in der Regel Titantetrachlorid, in einer Knallgasflamme hergestellt. Dieses Verfahren wird in der DE-PS 8 70 242 (1953) beschrieben. Die entstehenden Produkte haben überwiegend Anatasstruktur. Sie sind hydrophil, sehr rein und äußerst feinteilig. Die Primärteilchen (DIN 53 206) zeigen in elektronenmikroskopischen Aufnahmen Kugelform und Durchmesser von 10-100 nm. Ein im Handel befindliches Produkt hat eine mittlere Primärteilchengröße von 30 nm. Definierte Agglomerate (nach DIN 53 206) existieren nicht, ihre Größe hängt von der Vorbehandlung bzw. Handhabung der Substanz ab. Die Oberfläche der Teilchen ist glatt und porenfrei. Es besteht nur eine äußere, leicht zugängliche Oberfläche. Die spezifische Oberfläche nach BET kann - je nach Produktionsbedingungen - zwischen 20 und 100 m²/g liegen. Das erwähnte Handelsprodukt weist eine spezifische Oberfläche von 50 ±15 m²/g auf.
Aufgrund der hohen Reinheit, der hohen spezifischen Oberfläche und des Fehlens von Poren wurde pyrogen hergestelltes Titandioxid als Titandioxid-Komponente oder als Trägermaterial in Katalysatorsystemen eingesetzt (V. Rives-Arnau, G. Munuera, Appl. Surface Sci. 6 [1980] 122; N. K. Nag, T. Fransen, P. Mars, J. Catal. 68, 77 [1981]; F. Solymosi, A. Erdöhelyi, M. Kocsis, J. Chem. Soc. Farady Trans 1, 77, 1003 [1981]; D. G. Mustard, C. H. Bartholomew, J. Catal. 67, 186 [1981]; M. A. Vannice, R. L. Garten, J. Catal. 63, 255 [1980], M. A. Vannice, R. L. Garten, J. Catal. 66, 242 [1980]).
In den aufgeführten Literaturzitaten werden jedoch nur pulverförmige Katalysataorsysteme behandelt. Soll pyrogen hergestelltes Titandioxid im technischen Maßstab in Katalysatorsystemen verwendet werden, ist es zweckmäßig, das pulverförmige Produkt in einen Formkörper unter weitgehender Erhaltung der spezifischen Oberfläche und deren leichter Zugänglichkeit zu überführen. Bisher bekannt ist die Herstellung von Formkörpern aus hergestellter feinteiliger Kieselsäure bzw. Aluminiumoxid unter Verwendung von Kieselsäuresol (Chem. Ing. Tech. 52 [1980] 628-634). Die erhaltenen Formkörper sind jedoch mit einer Bruchfestigkeit von nur (=0,438 N) (Siliciumdioxid) bzw. (=0,570 N) (Aluminiumoxid) für den Einsatz in Katalysatorschüttungen wenig geeignet.
Der wesentliche Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, daß als Bindemittel in jedem Fall Kieselsäuresol eingesetzt werden muß. Das führt dazu, daß die Formkörper neben dem feinteiligen Metalloxid immer auch in beträchtlichen Mengen Siliciumdioxid enthalten, das aus dem Bindemittel herrührt. Störend kann sich dieser Gehalt insbesondere dann auswirken, wenn als feinteiliges Metalloxid z. B. Aluminiumoxid eingesetzt wird, da aufgrund des erheblichen Anteils an Siliciumdioxid im Formkörper die katalytische Wirkung des Aluminiumoxids dann nicht mehr unverfälscht zum Tragen kommt.
Aufgabe der Erfindung ist ein Preßling aus pyrogen hergestelltem Titandioxid, der unter weitgehender Erhaltung der spezifischen Oberfläche im Vergleich zum Ausgangsmaterial hergestellt werden kann, eine für die Verwendung in Katalysatorschüttungen ausreichende Bruchfestigkeit aufweist und vor allem bis zu 99 Gew.-% aus TiO₂ bestehen kann. Der Einsatz von ansonsten gebräuchlichen Bindemitteln, wie Kieselsol, Wasserglaslösungen oder Kaolin, soll bei der Herstellung vermieden werden, um nicht zwangsweise eventuell katalytisch wirksame Fremdoxide in den Preßling einzubringen.
Gegenstand der Erfindung sind Preßlinge zur Verwendung als Katalysatorträger oder Katalysator, bis zu 99 Gew.-% bestehend aus pyrogen hergestelltem Titandioxid mit einem SiO₂-Gehalt von 0 bis 1 Gew.-% und einem zugänglichen Porenvolumen von 45-55% des Preßlingvolumens und einer Bruchfestigkeit von mindestens 1,630 N.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Preßlinge aus pyrogen hergestelltem Titandioxid, wobei man das pyrogen hergestellte Titandioxid vorlegt, dann intensiv mit einem Preßhilfsmittel vermengt und das gesiebte Gemisch auf bekanntem Wege in ein fließfähiges Pulver überführt und durch Pressen formt, die erhaltenen Preßlinge langsam vortrocknet und die vorgetrockneten Preßlinge bei Temperaturen von 450-700°C tempert, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses Gemenge mit einer bei höherer Temperatur leicht flüchtigen und/oder zersetzbaren flüssigen anorganischen oder organischen Säure oder einem Gemisch derselben und/oder der wäßrigen Lösung einer in Wasser sauer reagierenden Verbindung vermischt und anschließend durchsiebt, unter der Maßgabe, daß die Vermengung mit einem Preßhilfsmittel auch nach der Vermischung von Titandioxid und sauer reagierender Verbindung erfolgen kann.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind prinzipiell alle Mischer oder Mühlen geeignet, die eine gute Homogenisierung ermöglichen, wie Schaufel-, Wirbelschicht-, Kreisel- oder Luftstrommischer. Besonders geeignet sind Mischer, mit denen eine zusätzliche Verdichtung des Mischgutes möglich ist, z. B. Pflugscharmischer, Kollergänge, Kugelmühlen oder Schwingmühlen.
Die flüssigen Komponenten können dabei auf das in den genannten Geräten vorgelegte Oxid aufgesprüht oder in sonst geeigneter Form eindosiert werden. Als Preßhilfsmittel werden mehrfunktionelle Alkohole eingesetzt, davon bevorzugt Äthandiol, Glycerin, Erythrite, Pentite, Hexite, wie Sorbit.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird pulverförmiger Graphit in einer Menge von 2-15 Gew.-%, bevorzugt von 3-10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Mischung, als Preßhilfsmittel mit dem vorgelegten Titandioxid vermengt. Als Säuren besonders geeignet sind flüssige organische Säuren, wie Ameisen-, Essig-, Chloressig-, Propion- oder Buttersäure bzw. ein Gemisch derselben.
Bevorzugt eingesetzt werden vor allem auch die wasserlöslichen organischen Säuren, wie Malon-, Oxal-, Citronen-, Isocitronen-, Äpfel-, Wein- oder Glykolsäure bzw. ein Gemisch derselben. Außer diesen Säuren, deren Acidität durch Carboxylgruppen verursacht wird, sind auch organische Säuren besonders geeignet, die anorganische saure Gruppen enthalten, wie Paratoluolsulfonsäure. Flüssige anorganische Säuren, wie Salzsäure oder Salpetersäure, eignen sich ebenfalls. Besonders geeignet sind Säuremengen von 2-20 Gew.-%, bevorzugt 3-10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgemenge. Dabei reichen bei der Anwendung von stärkeren Säuren kleinere Mengen aus als bei der Anwendung von schwächeren Säuren.
Es ist jedoch nicht notwendig, eine freie Säure einzusetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die wäßrige Lösung von hydrolysierenden, saure Lösungen bildenden Metallsalzen verwendet werden. Diese Variante erweist sich dann als besonders wertvoll, wenn die Imprägnierung des Preßlings z. B. mit einem katalytisch aktiven Metall(oxid) vorgesehen ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren erhält man durch Verwendung einer sauer hydrolysierenden Verbindung dieses Metalls als Produkt einen mit Metalloxid imprägnierten Preßling. Das Metalloxid kann anschließend gegebenenfalls auch zum Metall reduziert werden. Bevorzugt eingesetzt werden sauer hydrolysierende Verbindungen von Übergangsmetallen.
Die Konzentrationen dieser Verbindungen in der Mischung sind so zu wählen, daß sie dem gewünschten Gehalt an katalytisch aktivem Metall(oxid) im Preßling entsprechen.
Sollte die gewünschte Konzentration sehr gering sein, kann zusätzlich eine der erfindungsgemäß verwendbaren Säuren zugesetzt werden, um Preßlinge mit ausreichender Festigkeit herzustellen.
Gemäß Erfindung ist auch die Dotierung der Preßlinge mit Nichtmetalloxiden möglich wie Phosphoroxid.
Zu diesem Zweck wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Säure Phosphorsäure eingesetzt. Nach dem Mischprozeß wird das gesiebte, pulverförmige Gemisch bei Temperaturen bis 120°C, bevorzugt zwischen 80 und 120°C, gegebenenfalls teilweise getrocknet, bis man ein fließfähiges Pulver erhält. Als fließfähig bezeichnet man dabei ein Pulver, das selbständig beispielsweise aus dem Einfüllstutzen der Preßvorrichtung in die Preßmatrize fließt und diese homogen füllt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann man nach dem Mischprozeß 0,1-3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgemisch, einer pyrogen hergestellten, hydrophobierten Kieselsäure, wie Aerosil R 972, zusetzen, die zu 85 Gew.-% Wasser in adsorbierter Form enthält.
In diesem Fall erhält man, ohne daß eine teilweise Trocknung notwendig wäre, ein freifließendes Pulver, das anschließend verpreßt werden kann.
Dieser Weg der Überführung in ein fließfähiges Pulver kann natürlich nur dann gewählt werden, wenn die so eingeführten geringen SiO₂-Mengen bei der weiteren Verwendung des Preßlings nicht stören. Das Verpressen kann man mit jeder Vorrichtung durchführen, die einen Stempeldruck von 0,0005 bis 0,0020 bar erreicht. Bevorzugt wendet man einen Bereich von (=0,001 bis 0,0020 bar) an. Die erhaltenen Preßlinge werden anschließend bei Temperaturen von 20 bis 100°C, bevorzugt von 20 bis 50°C, vorgetrocknet.
Die vorgetrockneten Preßlinge können anschließend bei einer Temperatur von 450 bis 700°C, vorzugsweise von 500 bis 600°C, getempert werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Produkte sind als Katalysatorträger bzw. Katalysatoren geeignet.
45-55% des Preßlingvolumens bestehen aus zugänglichen Hohlräumen. Das bedeutet, daß die Preßlinge aus pyrogen hergestelltem Titandioxid, die im Mittel ein Volumen von 0,38 cm³ besitzen, ein zugängliches Porenvolumen von 0,17-0,21 cm³/Preßling aufweisen. Das Schüttgewicht beträgt etwa 1200 g/l. Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß die hergestellten Preßlinge eine Bruchfestigkeit von mindestens (=1,630 N) besitzen und so z. B. in Katalysatorschüttungen gegen mechanische Beanspruchung widerstandsfähig sind. Zugleich besitzen die Preßlinge eine hohe Oberfläche, die nur in begrenztem Umfang den Oberflächenwert des Ausgangsoxides unterschreitet.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es weiterhin möglich, ohne Verwendung von SiO₂-haltigen Bindemitteln aus pyrogen hergestelltem Titandioxid Preßlinge zu gewinnen. Es können also auf der einen Seite TiO₂-Preßlinge hergestellt werden, deren TiO₂-Gehalt allein durch die Reinheit des eingesetzten TiO₂ bestimmt wird, da die bevorzugt eingesetzten organischen Säuren, wie Essigsäure oder Citronensäure, und das Preßhilfsmittel Graphit nach der vorgeschriebenen Temperaturbehandlung des Preßlings verdampft bzw. oxidiert oder zersetzt sind.
Auf der anderen Seite kann aber durch die gezielte Auswahl von sauer hydrolysierenden Metallsalzen ein TiO₂-Trägerkatalysator mit einem bestimmten Metalloxid- bzw. nach der eventuellen Reduktion Metallgehalt hergestellt werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Die Bruchfestigkeit wird mit einem handelsüblichen Bruchfestigkeitstester des Typs ZE/205 der Fa. Dr. K. Schleuniger & Co. gemessen. Das Porenvolumen der Preßlinge wird auf einfache Weise so bestimmt, daß man die Preßlinge in einem Glas bei Zimmertemperatur so lange Wasser aufnehmen läßt, bis keine Luftblasen mehr aufsteigen. Anschließend werden die Preßlinge aus dem Wasser genommen, an der Oberfläche mit einem Papier abgetrocknet und gewogen. Aus der Differenz zwischen dem Gewicht vor und nach der Wasserabsorption ergibt sich die Menge des absorbierten Wassers und damit das Porenvolumen der Preßlinge, das jeweils in Prozenten des Preßlingvolumens von 0,38 cm³ in den Beispielen aufgeführt wird.
Die Messung der spezifischen Oberflächen der Preßlinge erfolgt nach der BET-Methode (DIN 66 131) (J. Am. Chem. Soc. 60 [1938] 309).
Beispiel 1
50 g Titandioxid (Spez. Oberfläche: 48 m²/g, Stampfdichte 150 g/l) werden mit 2,5 g Pudergraphit in einem Schlagkreuzmischer homogenisiert. Das Gemenge gibt man in eine Retsch-Mühle (Kollergang) und gießt eine Lösung von 2,5 g Citronensäure in 5 g Wasser unter Mahlen hinzu. Das Gemisch wird durch ein Sieb von 1,5 mm Maschenweite gerieben und ca. 1 Stunde im Trockenschrank bei 120°C getrocknet. Das nach dieser Behandlung gut fließende Pulver verpreßt man mit einem Preßdruck von ca. 0,0015 bar. Die Preßlinge werden ca. 24 Stunden bei Raumtemperatur vorgetrocknet und danach 30 Minuten bei 550°C getempert.
Bruchfestigkeit:1,732 N Spez. Oberfläche:44 m²/g Porenvolumen:47,3% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,3 cm³/g
Beispiel 2
Wie Beispiel 1, nur mit 10 g Oxalsäure in 10 g Wasser
Bruchfestigkeit:2,038 N Spez. Oberfläche:45 m²/g Porenvolumen:45% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,27 cm³/g
Beispiel 3
Wie Beispiel 1, nur mit 4 g Malonsäure in 2 g warmem Wasser und Trocknung bei 100°C
Bruchfestigkeit:1,834 N Spez. Oberfläche:45 m²/g Porenvolumen:50% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,35 cm³/g
Beispiel 4
Wie Beispiel 1, nur mit 4 g Eisessig
Bruchfestigkeit:1,630 N Spez. Oberfläche:44 m²/g Porenvolumen:50% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,37 cm³/g
Beispiel 5
Wie Beispiel 1 nur 4 g Toluolsulfonsäure in 2 g Wasser und Trocknung von 30 Minuten bei 65°C. Die Tabletten zeigen folgende Werte:
Mittlere
Bruchfestigkeit:1,936 N Spez. Oberfläche:30 m²/g Porenvolumen:47,3% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,36 cm³/g
Beispiel 6
Wie Beispiel 1 nur wird ein pyrogenes Titandioxid mit 68 m²/g spez. Oberfläche eingesetzt. Die Tabletten zeigen folgende Werte:
Mittlere
Bruchfestigkeit:1,630 N Spez. Oberfläche:61 m²/g Porenvolumen:52,6% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,43 cm³/g
Beispiel 7
50 g Titandioxid (Spez. Oberfläche: 48 mg²/g) werden mit 2,5 g Zitronensäure in 5 g Wasser langsam in einer Retschmühle versetzt. Dann gibt man 2,5 g Glycerin hinzu und mahlt. Danach wird das Gemisch durch ein Sieb mit 1,5 mm Maschenweite gerieben und 1 Stunde im Trockenschrank bei 120°C getrocknet. Anschließend werden 2,5 g "trockenes Wasser" (pulverförmiges Gemisch aus 85% Wasser und 15% pyrogener, hydrophobierter Kieselsäure) im Schüttelmischer zugemischt und das entstandene, gut fließfähige Pulver mit einem Preßdruck von (=0,001 bar) verpreßt. Die Preßlinge werden nach 24 Stunden Lagerung bei Raumtemperatur 30 min bei 550°C geglüht.
Mittlere
Bruchfestigkeit:1,834 N Mittlere
Spez. Oberfläche:42 m²/g Porenvolumen:47,3% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,3 cm³/g
Beispiel 8
Wie Beispiel 7, nur mit 7,5 g 20%iger Salpetersäure
Mittlere
Bruchfestigkeit:1,936 N Mittlere
Spez. Oberfläche:46 m²/g Porenvolumen:47,3% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,3 cm³/g
Beispiel 9
Wie Beispiel 7, nur mit 9 g 40%iger Phosphorsäure
Phosphoroxidgehalt (P₂O₅) 7,1%
Mittlere
Bruchfestigkeit:2,038 N Mittlere
Spez. Oberfläche:48 m²/g Porenvolumen:45% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,29 cm³/g
Beispiel 10
Wie Beispiel 7 nur mit 2,5 g Zirkonoxichlorid in 5 g Wasser suspendiert.
Zirkonoxidgehalt 1,7 g
Mittlere
Bruchfestigkeit:1,732 N Mittlere
Spez. Oberfläche:48 m²/g Porenvolumen:47,3% des Preßlingvolumens Porenvolumen/g:0,3 cm³/g
Beispiel 11
50 g Titandioxid (Spez. Oberfläche 48 m²/g, Stampfdichte 150 g/l) werden in der Retsch-Mühle (Kollergang) mit einer Lösung von 6 g Nickel(II)chlorid-Hexahydrat und 2,5 g Glycerin in 10 g Wasser unter Mahlen versetzt. Das Gemisch wird durch ein Sieb mit 1 mm Maschenweite gerieben und anschließend in einem Taumelmischer mit 1,5 g eines Pulvers aus 83 Gew.-Teilen Wasser und 17 Gew.-Teilen hydrophobierter, pyrogener Kieselsäure vereinigt. Das nach dieser Behandlung freifließende Pulver wird mit einem Druck von (=0,001 bar) verpreßt. Die entstandenen Preßlinge werden 2 Stunden bei 80°C getrocknet und danach 1 Stunde bei 500°C getempert. Die Bruchfestigkeiten liegen im Mittel über 2,038 N. Die spezifische Oberfläche beträgt 43 m²/g. Der Nickeloxidgehalt beläuft sich auf 1,8 g.

Claims (5)

1. Preßlinge zur Verwendung als Katalysatorträger oder Katalysator, bis zu 99 Gew.-%, bestehend aus pyrogen hergestelltem Titandioxid mit einem SiO₂-Gehalt von 0 bis 1 Gew.-% und einem zugänglichen Porenvolumen von 45-55% des Preßlingvolumens und einer Bruchfestigkeit von mindestens 1,630 N.
2. Verfahren zur Herstellung von Preßlingen aus pyrogen hergestelltem Titandioxid gemäß Anspruch 1, wobei man das pyrogen hergestellte Titandioxid vorlegt, dann intensiv mit einem Preßhilfsmittel vermengt und das gesiebte Gemisch auf bekanntem Wege in ein fließfähiges Pulver überführt und durch Pressen formt, die erhaltenen Preßlinge langsam vortrocknet und die vorgetrockneten Preßlinge bei Temperaturen von 450-700°C tempert, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses Gemenge mit einer bei höherer Temperatur leicht flüchtigen und/oder zersetzbaren flüssigen anorganischen oder organischen Säure oder einem Gemisch derselben und/oder der wäßrigen Lösung einer in Wasser sauer reagierenden Verbindung vermischt und anschließend durchsiebt, unter der Maßgabe, daß die Vermengung mit einem Preßhilfsmittel auch nach der Vermischung von Titandioxid und sauer reagierender Verbindung erfolgen kann.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Preßhilfsmittel mehr funktionelle Alkohole, bevorzugt Äthandiol, Glycerin, Erythrite, Pentite, Hexite, wie Sorbit, oder bevorzugt 2-15 Gew.-% pulverförmigen Graphit, bezogen auf die Gesamtmenge des Gemisches eingesetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Säure zu 2-20 Gew.-% einsetzt, bezogen auf die Gesamtmenge des Gemisches.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die wäßrige Lösung eines sauer hydrolysierenden Metallsalzes einsetzt.
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