DE3415326A1 - Verfahren zur herstellung von sinterfaehigem pulver aus lithiumorthosilikat li(pfeil abwaerts)4(pfeil abwaerts)sio(pfeil abwaerts)4(pfeil abwaerts) und dessen verwendung - Google Patents

Description

341532G

Verfahren zur Herstellung von sinterfähigem Pulver aus Lithiumorthosilikat Li₄SiO₄.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sinterfähigem Pulver aus Lithiumorthosilikat Li₄SiO₄ mit einerPhasenreinheit von mehr als 95 %.

Lithiumhaltige, oxidische Keramik-Materialien, beispielsweise Lithiumorthosilikat, wurden als Brutstoffe für Fusionsreaktoren zur Gewinnung von Tritium bereits vorgeschlagen. Zur Herstellung von Li₄SiO₄ wurden meist feste Pulver von Li₃CO₀ und SiO„ feingemahlen und vermischt und entweder auf trockenem Wege oder in Form von zu trocknenden Schlämmen einer Wärmebehandlung unterzogen, welche Trocknung und Kalzinierung bzw. Schmelzen bei erhöhten Temperaturen umfaßte. Bei diesen Wärmebehandlungen, die meist von langer Dauer waren (zwischen 20 Stunden und 2 Tagen), wurden Temperaturen von 700°C und mehr verwendet. Lag die Partikelgröße nach dem Abkühlen im Bereich zwischen 30 und 10 ,um, so mußten die Partikel 3 bis 48 Stunden lanc gemahlen werden um die gewünschte Größe zu erhalten.

Das Mahlen und Brechen nicht nur der Ausgangssubstanzen, sondern auch des kalzinierten Reaktionsproduktes kann eine Quelle für Verunreinigungen sein. Außerdem ist bei diesen Feststoffreaktionen im allgemeinen nur mit einem Anteil von 90 - 9 5 % der gewünschten Phase im Endprodukt zu rechnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Li₄SiO₄ zu schaffen, mit

welchem die Verunreinigungen im Endprodukt, sowie der große Aufv/and an Zeit und Energie bei den zum Stande der Technik gehörigen Verfahren vermieden werden können. Die Schritte des Mahlens und der stundenlangen Diffusionsglühung bei Temperaturen über 700°C sollen ebenfalls vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verfahrensschritte

a) Herstellung einer wäßrigen Lithiumhydroxid-Lösung,

b) Einbringen von amorphem SiO- in die Lösung aus Schritt a) unter Bildung einer Suspension und Zugabe von H-O- zu dieser,

c) Sprühtrocknen der Suspension aus Schritt b) zu einem pulvrigen Trockenrückstand und

d) Erhitzen des Trockenrückstandes aus Schritt c) zur Reaktion und Kalzination bei einer Temperatur im Bereich von 500⁰C bis 1000 C.

In der Lithiumhydroxid-Lösung findet folgende Reaktion statt:

4 LiOK + aq + SiO₃ (amorph) +· H₃O₃ ^ Li₃SiO₃ * XH₃O + Li₃O₃ + aq + H₃O₃

Die Zugabe von H-O- ist für die Qualität des entstehenden Pulvers nach der Wärmebehandlung wichtig, denn bei Abwesenheit von H„0- verklebt das Pulver beim Kalzinieren. Nach dem Sprühtrocknen erhält man einen pulvrigen Trockenrückstand, der aus einem stöchiometrischen Gemisch aus

Li₂SiO., · x Hn und Li₃O₂ besteht. Durch das abschließende Erhitzen des Trockenrückstandes reagiert das Pulvergemisch zu Li₄SiO₄. Reaktion und Kalzination wird vorzugsweise bei 600 C mit einer Dauer von ca. 2 Stunden durchgeführt. Das Verfahrensprodukt besteht aus zusammengefallenen kleinen Kügelchen mit einer Partikelgröße von ca. 2 bis 6 ,um. Das Pulver ist gut sinterfähig. Man erreicht beim Sintern Dichten über 90 % TD.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lithiumorthosilikat ist wegen seiner hohen Reinheit und seiner hohen Lithiumdichte im Molekül als Brutstoff für Fusionsreaktoren zur Gewinnung von Tritium besonders gut geeignet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Durchführungsbeispiels näher erläutert.

Beispiel:

Gemäß der Reaktionsgleichung

4 LiOH + SiO₂ + aq + H₃O₂ —^ Li₂SiO₃ · xH₂o + Li₃O₂ +aq

wurde eine wäßrige Suspension von amorphem SiO„ (AEROSIL der Fa. DEGUSSA) unter ständigem Rühren in eine wäßrige Lösung von Lithiumhydroxid eingebracht und innerhalb von etwa 1 Stunde zunächst das Lithiummetasilikat gebildet .

Um die spätere Kalzination des getrockneten Pulvers zu verbessern, wurde das überschüssige LiOH unmitteJLbar vor

dem Sprühtrocknen in der Suspension mit H„0„ (im überschuß) zu Li 0~ umgesetzt.

Tabelle: Ansätze zum Sprühtrocknen von Lithium-

	in	orthosilikat	als	Suspension:	(g/i)	i 0? Zahl der An
Nr.	LiOH (g)	Lösung:	SiO (g)	2 H2° 3* (cmJ)		sätze
		H2O (cm3)

1 63,87 750 40,06 250 ^ 90

Das Sprühtrocknen der Suspension erfolgte bei 250 C bzw. 35O°C. Die Ausbeute betrug mehr als 90 %. Durch die Handhabung der Lithiumhydroxid-Lösungen und der Suspensionen an Luft enthielten die Pulver bis zu 6 Gew.-% Karbonatanteile, die während des Kalzinierungsschrxttes entfernt wurden.

Die sprühgetrocknete stöchiometrische Pulvermischung ließ sich bei 500 - 600 C kalzinieren. Durch die Umwandlung des überschüssigen Lithiumhydroxids in Li₂O₂ wird

hierbei ein Aufschmelzen (T_M(LiOK) = 45O°C) nahezu vollständig unterdrückt.

Nach dem Kalzinieren ließ sich das Pulver durch Pressen und Sintern bei 1100°C/6 Stunden bis zu> 90 % der theoretischen Dichte verdichten. Die Sinterproben ergaben jeweils einphasiges Li₄SiO₄.

Claims (2)

1. 341532G

   Kernforschungszentrum Karlsruhe, 13.04.1984

   Karlsruhe GmbH PLA 8421 Gl/hr

   ANR 1 002 59 7
   Patentansprüche:

   I.Verfahren zur Herstellung von sinterfähigem Pulver aus Lithiumorthosilikat Li₄SiO₄ mit einer Phasenreinheit von mehr als 95 %, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

   a) Herstellung einer wäßrigen Lithiumhydroxid-Lösung,

   b) Einbringen von amorphem SiO- in die Lösung aus Schritt a) unter Bildung einer Suspension und Zugabe von H₉O₉ zu dieser,

   c) Sprühtrocknen der Suspension aus Schritt b) zu einem pulvrigen Trockenrückstand und

   d) Erhitzen des Trockenrückstandes aus Schritt c) zur Reaktion und Kalzination bei einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 1000⁰C.
2. 2.Verwendung des gemäß Anspruch 1 hergestellten, sinterfähigen Pulvers aus reinem Li₄SiO₄ als Brutstoff für Fusionsreaktoren zur Gewinnung von Tritium.