DE3415324C2 - Process for the preparation of sinterable powder from γ-LiAl0? 2? and its use - Google Patents
Process for the preparation of sinterable powder from γ-LiAl0? 2? and its useInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sinterfähigem Pulver aus γ-LiAlO2 mit einer Phasenreinheit größenordnungsmäßig 99%, bei welchem metallisches Aluminium in einer wäßrigen Lithiumhydroxid-Lösung aufgelöst wird. Es soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von γ-LiAlO2 geschaffen werden, bei welchem ein möglichst großer Anteil des Verfahrens in einer wäßrigen Lösung abläuft und bei geringem Zeitaufwand ein gut sinterfähiges Pulver des gewünschten Lithiumaluminats praktisch phasenrein erhalten wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) die durch die während der Lösereaktion entstehende Fällung sich bildende Suspension ohne weitere Zwischenbehandlung direkt mit Hilfe von Luft bei einer Temperatur zwischen 200°C und 450°C sprühgetrocknet wird und b) anschließend das Trocknungsgut direkt bei einer Temperatur zwischen 850°C und 1100°C, vorzugsweise bei 900°C, kalziniert und dabei in das γ-LiAlO2 überführt wird.The invention relates to a method for producing sinterable powder from γ-LiAlO2 with a phase purity of the order of 99%, in which metallic aluminum is dissolved in an aqueous lithium hydroxide solution. The aim is to create an improved process for the production of γ-LiAlO2, in which the largest possible proportion of the process takes place in an aqueous solution and a readily sinterable powder of the desired lithium aluminate is obtained in practically pure phases in a short time. The object is achieved according to the invention in that a) the suspension formed by the precipitation occurring during the dissolution reaction is spray-dried directly with the aid of air at a temperature between 200 ° C. and 450 ° C. without further intermediate treatment and b) then the material to be dried is added directly a temperature between 850 ° C and 1100 ° C, preferably at 900 ° C, calcined and thereby converted into the γ-LiAlO2.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sinterfähigem Pulver aus/-LiAlO2 mit einer Phasenreinheit
von 99% durch Auflösen von metallischem Aluminium in einer wäßrigen Lithiumhydroxid-Lösung unter
Entstehen einer Fällung.
Lithiumhaltige, oxidische Keramik-Materialien, beispielsweise LJthiumaluminat, wurden als Brutstoffe für
Fusionsreaktoren zur Gewinnung von Tritium bereits vorgeschlagen. Zur Herstellung von LiAlO2 wurden meist
feste Pulver von Li2CO3 und A12O3 feingemahlen und vermischt und entweder auf trockenem Wege, beispielsweise
als gepreßte Pellets, öder in Form von wäßrigen Schlämmen einer Wärmebehandlung unterzogen, weiche
Trocknung und Calcinierung bei erhöhten Temperaturen umfaßte (D. J. Suiter: »Lithium-Based Oxide Ceramics
for Tritium-Breeding Applications«, June 1983, Report MDC E2677 [McDonnel Douglas Astronautics Co, St
Louis MO, USA], Seiten 2-4 bis 2-6). Das Mahlen der Ausgangssubstanzen wurde über mehrere Stunden hinweg
durchgeführt. Danach wurde das Malzprodukt verdichtet und zur Calcination ein bis zwei Tage lang diffusionsgeglüht
Danach mußte das Reaktionsprodukt noch einmal aufgemahlen werden, damit das gewünschte sinterfähige
Pulver erhalten werden konnte.
Das Mahlen und Brechen nicht nur der Ausgangssubstanzen, sondern auch des calcinieren Reaktionsproduktes
kann eine Quelle für Verunreinigungen sein. Außerdem ist bei diesen Feststoffreaktionen im allgemeinen nur
mit einem Anteil von 90 bis 95% der gewünschten Phase im Endprodukt zu rechnen. Schließlich ist die für die
Gewinnung von Tritium erforderliche Wärmeleitfähigkeit des LiAlOrProduktes durch die Anwesenheit anderer
Phasen beeinträchtigt
Es wurde daher als wünschenswert erachtet, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von /-LiAlO2 zu
schaffen, mit welchem die Verunreinigungen im Endprodukt, sowie der große Zeitaufwand bei den zum Stande
der Technik gehörigen Verfahren (ca. 3 bis 4 Tage) vermieden werden können. Um die Schritte des Mahlens und
der Diffusionsglühung zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, einen möglichst großen Teil des Verfahrens in
wäßriger Lösung ablaufen zu lassen. Es ist bekannt, daß Aluminium von wäßrigen LiOH-Lösungen aufgelöst
wird (Gmelin's Handbuch der Anorganischen Chemie, System Nr. 35, Aluminium, Teil A [1934, Nachdruck 1953],
Seite 408, Verlag Chemie GmbH, Weinheim). Es wird dort berichtet, daß sich nach Kochen einer solchen Lösung
ein schwerlösliches Aluminat der Formel LiH(AlO2J2 - 5 H2O ausscheiden soll (Am. ehem. J. 24 [1900], S. 309).
Die Herstellung von /-LiAlO2 wird dort jedoch nicht angesprochen.The invention relates to a process for the production of sinterable powder from / -LiAlO 2 with a phase purity of 99% by dissolving metallic aluminum in an aqueous lithium hydroxide solution with the formation of a precipitation.
Oxidic ceramic materials containing lithium, for example lithium aluminate, have already been proposed as breeding materials for fusion reactors for the production of tritium. For the production of LiAlO 2 , solid powders of Li 2 CO3 and A1 2 O3 were usually finely ground and mixed and either subjected to a heat treatment in a dry way, for example as pressed pellets, or in the form of aqueous slurries, which included drying and calcination at elevated temperatures ( DJ Suiter: "Lithium-Based Oxide Ceramics for Tritium-Breeding Applications", June 1983, Report MDC E2677 [McDonnel Douglas Astronautics Co, St Louis MO, USA], pages 2-4 to 2-6). The grinding of the starting substances was carried out over several hours. The malt product was then compacted and diffusion annealed for one to two days for calcination. The reaction product then had to be ground again so that the desired sinterable powder could be obtained.
Milling and crushing of not only the starting materials but also the calcined reaction product can be a source of impurities. In addition, in these solids reactions, only 90 to 95% of the desired phase is generally to be expected in the end product. Finally, the thermal conductivity of the LiAlOr product required for the extraction of tritium is impaired by the presence of other phases
It was therefore considered desirable to create a simple process for the production of / -LiAlO 2 , with which the impurities in the end product, as well as the large amount of time required for the prior art processes (approx. 3 to 4 days) can be avoided . In order to avoid the steps of milling and diffusion annealing, it has been proposed to run as large a part of the process as possible in aqueous solution. It is known that aluminum is dissolved by aqueous LiOH solutions (Gmelin's Handbuch der Inorganischen Chemie, System No. 35, Aluminum, Part A [1934, reprint 1953], page 408, Verlag Chemie GmbH, Weinheim). It is reported there that after boiling such a solution, a sparingly soluble aluminate of the formula LiH (AlO 2 J 2 - 5 H 2 O is said to be precipitated (Am. Formerly J. 24 [1900], p. 309)) / -LiAlO 2 is not addressed there.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und verbessertes Verfahren zur Herstellung von /-LiAlO2 zu schaffen, bei welchem ein möglichst großer Anteil des Verfahrens in einer wäßrigen Lösung abläuft und bei geringem Zeitaufwand ein gut sinterfähiges Pulver des gewünschten Lithiumaluminats praktisch phasenrein erhalten wird.The invention is based on the object of creating a simple and improved process for the production of / -LiAlO 2 , in which the largest possible proportion of the process takes place in an aqueous solution and a readily sinterable powder of the desired lithium aluminate is obtained in practically pure phases in a short time .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erhaltene Suspension ohne weitere Zwischenbehandlung mit Hilfe von Luft bei einer Temperatur zwischen 20O0C und 4500C sprühgetrocknet wird und das Trocknungsgut anschließend direkt bei einer Temperatur zwischen 8500C und 11000C calciniert wird.The object is achieved according to the invention in that the suspension obtained is spray-dried with the aid of air at a temperature between 20O 0 C and 450 0 C without further intermediate treatment and the material to be dried is then calcined directly at a temperature between 850 0 C and 1100 0 C.
so Die Auflösung des metallischen Aluminiums in der LiOH-Lösung erfolgt vorteilhafterweise uncrr ständigem Rühren. Ein Erhitzen der Lösung ist zwar nicht notwendig, jedoch wird die erwartete Fällung des Lithiumhydroxoaluminats nach der ReaktionsgleichungThe dissolution of the metallic aluminum in the LiOH solution is advantageously non-permanent Stir. Although heating the solution is not necessary, the expected precipitation of the lithium hydroxoaluminate will occur according to the reaction equation
2 LiOH + 2 Al + aq = Li[Al2(OH)7] · π H2O + LiOH + aq2 LiOH + 2 Al + aq = Li [Al 2 (OH) 7 ] · π H 2 O + LiOH + aq
dann nicht zu grobkörnig, wenn die Lösung auf ca. 40 bis 500C zuvor erwärmt wurde. Wird der Sprühtrocknungsschritt im Bereich zwischen 3500C und 4000C durchgeführt, und der Calcinierungsschritt bei der bevorzugten Temperatur von 90O0C, so werden Pulverteilchen mit einem äußeren Durchmesser zwischen 5 und 15 μπι erhalten. Die Verwendung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, sinterfähigen Pulvers aus reinem LiAlO2 als Brutstoff für Fusionsreaktoren bringt unerwartete Vorteile mit sich für die Gewinnung von Tritium, da das erhaltene Pulver zu Formkörpern mit Dichten bis zu 95°/o der theoretischen Dichte verarbeitbar ist.then not too coarse-grained if the solution was previously heated to approx. 40 to 50 ° C. Is carried out of the spray-drying step is in the range between 350 0 C and 400 0 C, and the calcination step at the preferred temperature of 90O 0 C, then powder particles are obtained μπι having an outer diameter 5 to 15 The use of the sinterable powder of pure LiAlO 2 produced by the process according to the invention as breeding material for fusion reactors has unexpected advantages for the recovery of tritium, since the powder obtained can be processed into molded bodies with densities of up to 95% of the theoretical density.
Entsprechend der Reaktionsgleichung
2 LiOH + 2 Al + aq — Li[Af2(OH)7] ■ η H2O + LiOH + aqAccording to the reaction equation
2 LiOH + 2 Al + aq - Li [Af 2 (OH) 7 ] ■ η H 2 O + LiOH + aq
wurden die in der Tabelle zusammengestellten Ansätze durch Lösen von metallischem Aluminium in einer wäßrigen Lithiumhydroxidlösung unter ständigem Rühren bei Zimmertemperatur hergestelltwere the approaches compiled in the table by dissolving metallic aluminum in a aqueous lithium hydroxide solution prepared with constant stirring at room temperature
Ansätze zum Sprühtrocknen von LithiumaluminatTabel:
Approaches to the spray drying of lithium aluminate
fe)fe)
(g)(G)
(cm3)(cm 3 )
(g/i)(g / i)
Ansätzeapproaches
47,9023.95
47.90
53S62638
53S6
17501000
1750
100 90
100
11
1
2 1
2
Bei dem Ansatz der Nr. 2 ist industriell hergestelltes Aluminiumblech, bei dem Ansatz 1 ist Aluminiumband hoher Reinheit verwendet worden. Das LiOH kann sowohl als wasserfreies wie als kristallwasserhaltiges Hydroxid (LiOH - H2O) zur Herstellung der wäßrigen Löstaig eingesetzt werden. Das Sprühtrocknen der 15 entstandenen Suspension, bestehend aus sehr fein verteiltem Lieiiumheptahydroxoaluminafin Lithiumhydroxidlösung, erfolgte im Temperaturbereich von 250—4000C. Die Ausbeute an sprühgetrocknetem Pulver, eine stöchiometrische Mischung aus Lithiumhydroxoaluminat und lithiumhydroxid, betrug jeweils mehr als 90%. Durch die Handhabung der Lithiumhydroxidlösungen und der Suspensionen an Luft enthielten die Pulver bis zu 5 Gew.-% Karbonatanteile, die während des Calcinierungsschrittes entfernt wurden. 20In batch no. 2, industrially manufactured aluminum sheet was used, and in batch 1, high-purity aluminum tape was used. The LiOH can be used both as an anhydrous hydroxide and as a hydroxide containing water of crystallization (LiOH - H 2 O) for the preparation of the aqueous solvents. Spray-drying the resultant suspension 15, consisting of very finely divided Lieiiumheptahydroxoaluminafin lithium hydroxide solution was carried out in the temperature range of 250-400 0 C. The yield of spray dried powder, a stoichiometric mixture of Lithiumhydroxoaluminat and lithium hydroxide were respectively more than 90%. As a result of the handling of the lithium hydroxide solutions and the suspensions in air, the powders contained up to 5% by weight of carbonate components, which were removed during the calcination step. 20th
Beim Calcinienf nder Pulver (zwei Stunden) entstand aus der zunächst vorliegeaden feindispersen, stöchiometrischen Puivermischung das gewünschte LithiummonoaiuminaL je nach Calcinationstemperatur wurden hierbei Gemische aus ac- und /2-IiAlO2 (bei 6000C), «- und ^-LiAlO2 (bei 8000C) und reines ^LiAIO2 (oberhalb 9000C) beobachtet Bei 9000C calcinierte Pulver ließen sich durch Pressen und Sintern bei etwa 12500C zu 80—85% und bei etwa 14500C in sechs Stunden zu 90—95% der theoretischen Dichte verdichten. Die Sinterpro- 25 ben ergaben jeweils einphasiges ^-LiAlO2.Direction When Calcinienf powder (two hours) was finely dispersed in the first vorliegeaden stoichiometric powder mixture the desired LithiummonoaiuminaL depending on the calcination temperature in this case were mixtures of AC and / IiAlO 2-2 (at 600 0 C), "- and ^ -LiAlO 2 ( at 800 0 C) and pure LiAIO ^ 2 (above 900 0 C) observed at 900 0 C calcined powder settled by pressing and sintering at about 1250 0 C to 80-85% and at about 1450 0 C in six hours at 90 - Compress 95% of the theoretical density. The sintering samples each gave single-phase ^ -LiAlO 2 .
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