JP2006213591A - 金属酸化物粉末の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高いBET表面積と狭い粒度分布を有する均一な粉末を得ることができ、そしてkg/hの範囲の量で製造するのに適した金属酸化物粉末の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも20m/gのBET表面積を有する金属酸化物粉末を、エーロゾルと酸素とを反応空間中で700℃より高い反応温度で反応させ、引き続き、得られた粉末を気体状物質から分離することによって製造する方法において、少なくとも1種の出発材料を、それ自体の液体形で又は溶液で、かつ少なくとも1種の噴霧用ガスを、多成分ノズルを用いて噴霧させることによってエーロゾルを生成させ、容量に対するエーロゾルの平均滴径D30が30〜100μmであり、かつ100μmより大きいエーロゾル小滴の数が全滴数に対して10%以下であるようにする。
【選択図】なし

Description

本発明は、噴霧熱分解法による金属酸化物粉末の製造方法に関する。更に本発明は前記方法によって得られた金属酸化物粉末及びその使用に関する。
EP−A−1142830号から、有機溶剤中に溶解された有機前駆物質からなるエーロゾルの燃焼によって金属酸化物粉末を得ることは公知である。この場合に、エーロゾルは平均滴径<1〜500μmを有してよい。こうして製造された金属酸化物粉末は、BET表面積1〜600m/gを有する。しかしながら、該金属酸化物粉末はしばしば広範な一次粒度分布を有するということが欠点である。更に、実施例が示されているものの、そこでは少量の生成物しか得ることができず、これをより多量に転用することができない。
WO2004/005184号A1では、溶液から小滴を生成し、これを火炎中で酸化させる金属酸化物の製造方法が特許請求されている。該溶液は、少なくとも1種の出発材料と、溶液全体に対して少なくとも60%のカルボン酸を溶剤として含有している。平均滴径は0.1〜100μmであるが、より小さい小滴が好ましい。この方法での欠点は、より多量の製造には不適であることである。
WO01/36332号A1から、酸化セリウムの製造方法が知られている。この方法は、酸化セリウム前駆物質のエーロゾルを700〜1100Kの高温帯域で燃焼させることを必要とし、その際、エーロゾルの滴径は100μm未満でなければならない。該出願の詳細な説明からは、滴径の影響は明らかにされておらず、実施例においても滴径の値は挙げられていない。更に、この方法では種々の寸法の不均一な酸化セリウム粒子が得られる。
EP−A−1142830号 WO2004/005184号A1 WO01/36332号A1
本発明の課題は、高いBET表面積と狭い粒度分布を有する均一な粉末を得ることができ、そしてkg/hの範囲の量で製造するのに適した金属酸化物粉末の製造方法を提供することである。
本発明の対象は、少なくとも20m/gのBET表面積を有する金属酸化物粉末を、エーロゾルと酸素とを反応空間中で700℃より高い反応温度で反応させ、引き続き、得られた粉末を気体状物質から分離することによって製造する方法において、
− 少なくとも1種の出発材料を、それ自体の液体形で又は溶液で、かつ少なくとも1種の噴霧用ガス(Zerstaeubungsgas)を多成分ノズルを用いて噴霧させることによってエーロゾルを生成させること、
− 容量に対するエーロゾルの平均滴径D30が30〜100μmであること、及び
− 100μmより大きいエーロゾル小滴の数が全滴数に対して10%以下であること
を特徴とする方法である。
本発明の範囲での金属酸化物粉末は、混合金属酸化物粉末及びドープされた金属酸化物粉末をも含む。
混合金属酸化物粉末とは、混合酸化物成分を一次粒子又は凝集体のレベルで均質混合したと解される粉末と解されるべきである。この場合に、一次粒子は酸素を介して結合されたM−O−M−結合の形の金属成分を示してよい。その他に、個々の酸化物MO、MO、MO、…の領域が一次粒子中に存在してよい。
ドープされた金属酸化物粉末とは、ドープ成分が主に又は専ら金属酸化物格子の格子点に位置すると解されるべきである。ドープ成分は、この場合に、金属形又は酸化物形で存在してよい。ドープされた金属酸化物粉末のための例は、インジウム−スズ酸化物であって、酸化インジウムの格子中の複数の点をスズ原子が占めているものである。
容量に対する平均滴径D30は:
Figure 2006213591
に従って計算される。
出発材料とは、反応条件下に金属酸化物に変換される金属化合物を表す。ドープされた金属酸化物の場合には、ドープ成分の出発材料を金属成分に変換することができる。
本発明による方法では、容量に対する平均滴径D30が30〜100μmであり、かつ同時に10%以下の小滴が完全に100μmより大きければ、高表面積を有する金属酸化物粉末を製造することが可能であると判明した。それによって、粉末のBET表面積の目立った低下を受けずに、溶液の流量を先行技術に対して高めることができる。本発明による方法により得られる粉末のBET表面積は、少なくとも20m/g、有利には20〜200m/gである。
絶対滴径の測定は、二相ドップラ流速計(dualen Phasen-Doppler-Anemometrie)の原理に従って5Wのアルゴンイオン連続波レーザを用いて実施する。
有利な実施態様では、小滴の全数に対する100μmより大きい小滴の数は3%〜8%であってよい。
更に、250μmより大きい小滴の割合が>100μmの小滴の数に対して10%以下である場合に好ましいことがある。
特に、容量に対する平均滴径D30がエーロゾルの噴霧幅に対して以下の依存関係を有する実施態様が好ましいことがある:
噴霧幅[mm] D30[μm]
0 10〜30
±20 20〜40
±40 30〜60
±60 50〜80
±80 80〜120
出発材料を含有する溶液の流量は、有利には1.5〜2000kg/h、特に有利には100〜500kg/hであってよい。
この場合に、溶液中の出発材料の含量は2〜60質量%、有利には5〜40質量%であってよい。
出発材料の金属成分は、有利には、Al、Ce、Fe、Mg、In、Ti、Si、Sn、Y、Zn及び/又はZrであってよい。本発明の範囲では、二酸化ケイ素は金属酸化物と見なされるべきである。Al、Ce又はZnを含有する出発材料が好ましいことがある。
種々の金属成分を有する出発材料を使用する場合に、混合金属酸化物粉末が得られる。この場合に、規定の出発材料の割合に、従って混合金属酸化物粉末中の相応の金属酸化物成分の割合に制限はない。
出発材料は、有機金属的性質及び/又は無機的性質であってよく、その際、有機金属化合物が好ましいことがある。無機の出発材料の例は、特に金属塩化物及び金属硝酸塩であってよい。有機金属化合物としては、特に金属アルコレート及び/又は金属カルボン酸塩を使用してよい。アルコレートとしては、有利にはエチレート、n−プロピレート、イソプロピレート、n−ブチレート及び/又はt−ブチレートを使用してよい。カルボン酸塩としては、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ヘキサン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、オクタン酸、2−エチル−ヘキサン酸、吉草酸、カプリン酸及び/又はラウリン酸の基礎となる化合物を使用してよい。特に有利には2−エチルヘキサン酸塩及び/又はラウリン酸塩を使用してよい。
無機出発化合物は、有利には水中に溶解されて、有機金属出発材料は、有利には有機溶剤中に溶解されて存在してよい。
有機溶剤もしくは有機溶剤混合物の成分としては、有利にはアルコール、例えばメタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール又はt−ブタノール、ジオール、例えばエタンジオール、ペンタンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、ジアルキルエーテル、例えばジエチルエーテル、t−ブチルメチルエーテル又はテトラヒドロフラン、C〜C12−カルボン酸、例えば酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ヘキサン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、オクタン酸、2−エチルヘキサン酸、吉草酸、カプリン酸、ラウリン酸であってよい。更に酢酸エチルエステル、ベンゼン、トルエン、ナフサ及び/又はベンジンであってよい。有利には、C〜C12−カルボン酸、特に2−エチルヘキサン酸及び/又はラウリン酸を含有する溶液を使用してよい。
有利には、溶液中のC〜C12−カルボン酸の含量は、溶液の全量に対して、60質量%未満、特に有利には40質量%未満である。
特に有利な実施態様では、出発材料の溶液は、同時にカルボン酸塩及びその基礎となるカルボン酸及び/又はアルコレート及びその基礎となるアルコールを含有する。特に出発材料として、2−エチルヘキサン酸を含有する溶剤混合物中で2−エチルヘキサン酸塩を使用してよい。
噴霧用ガスとしては、本発明による方法では、反応性ガス、例えば空気、酸素富化された空気及び/又は不活性ガス、例えば窒素を使用してよい。一般に空気が噴霧用ガスとして使用される。
噴霧用ガスの量については、本発明による方法では、出発材料の溶液の流量/噴霧用ガス量の比が、有利には2〜25kg/Nm、特に有利には5〜10kg/Nmである。
多成分ノズルとしては、本発明による方法のためには、特に3成分ノズル又は4成分ノズルが適している。
3成分ノズル又は4成分ノズルを使用する場合には、噴霧用ガスの他に、2種もしくは3種の別個の溶液であって、
− 同一又は異なる出発材料を、
− 同一又は異なる溶剤中に
− 同一又は異なる濃度で
含有する溶液を噴霧することができる。
こうして、例えば異なる濃度の出発材料を有する2種の溶液を同時に同一の溶剤又は溶剤混合物で噴霧することができる。それによって、エーロゾル小滴は種々の寸法で得られる。
更に、例えば噴霧用ガスを2つのノズルを介して供給できるか、又は異なる噴霧用ガス、例えば空気又は水蒸気を使用できる。
異なる出発材料の別個の溶液を、混合酸化物粉末の製造のために使用できる。
本発明による方法で必要な700℃より高い反応温度は、有利には水素含有燃焼ガスと場合により酸素富化された(一次)空気との反応により生ずる火炎によって得ることができる。好適な燃焼ガスは、水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン及び/又は天然ガスであってよく、その際、水素が特に好ましい。反応温度は、火炎の0.5m下方に生ずる温度として定義される。
更に、付加的な二次空気を反応空間に導入する場合に好ましいことがある。一般に、二次空気の量は、二次空気と一次空気との比が0.1〜10であるようにする。
λが1.5以上である場合に特に好ましく、その際、λは、それぞれモル/hで、使用される空気(一次空気、二次空気及び噴霧用空気)中の酸素含量の合計を出発材料と水素含有燃焼ガスとの合計によって除算した商である。殊に有利には2<λ<5であってよい。
反応混合物からの粉末の分離前に、一般に冷却工程がある。この工程は、直接的に、例えば急冷ガスによって、又は間接的に、例えば外部冷却によって実現できる。
本発明の更なる対象は、本発明による方法により得られる金属酸化物粉末である。この場合に、金属酸化物粉末は、出発材料及び/又は方法に左右される不純物を含有してよい。アニーリングされた金属酸化物粉末の純度は、少なくとも98質量%、一般に少なくとも99質量%である。少なくとも99.8質量%の含量が特に有利なことがある。
一般に、金属酸化物粉末は、主に又は専ら、一次粒子の凝集体の形で存在し、その際、凝集体はセノスフェア構造を有する。本発明の範囲でのセノスフェア構造とは、0.1〜20μmの寸法を有し、壁厚0.1〜2μmを有するほぼ中空球状であることを意味する。主にとは、TEM像が10%以下の割合で個別の凝集していない粒子を示すことを表す。
金属酸化物粉末は、有利には30〜200m/gのBET表面積を有してよい。
本発明による金属酸化物粉末における>45μmの粗粒の含量は、有利には100ppm未満、特に有利には50ppm未満である。
本発明による金属酸化物粉末は、有利には、0.15質量%未満の炭素含量を有し、そして300ppm未満の塩化物、ナトリウム及びカリウムの含量を有する。
本発明による金属酸化物粉末は、有利には30〜90m/gのBET表面積を有する酸化セリウム粉末であってよい。
更に、本発明による金属酸化物粉末は、pH値9〜11に等電点が存在する酸化セリウム粉末であってよい。
本発明による酸化セリウム粉末は、2時間の時間にわたって温度900℃で空気にさらすと、35m/g以下のBET表面積を有することがある。
酸化セリウム粉末の平均一次粒子径は、有利には5〜20nm、特に有利には8〜14nmであってよい。
酸化セリウムの平均凝集体径は20〜100nm、特に有利には30〜70nmであってよい。
本発明の更なる対象は、分散液の製造のため、ガラス表面及び金属表面の研磨のため、触媒として及び触媒担体としての、本発明による金属酸化物粉末の使用である。
比表面積は、DIN66131に従って測定する。
TEM像は、日立社製のH−75000−2型のTEM機器を用いて得られる。TEM機器のCCDカメラを用いて、引き続きの画像分析によって、それぞれ約2000個の凝集体を一次粒子径と凝集体径に関して評価する。これらの粉末はこのために、イソプロパノール/水中に分散させる(1分間、超音波プロセッサUP100H、Dr. Hielscher GmbH社、100W)。
45μmより大きい粒子の含量は、DIN EN ISO787のパート18に従って測定する。
ゼータ電位は、pH範囲3〜12で動電音響増幅(ESA)を用いて測定する。このために、1%の酸化セリウムを含有する懸濁液を製造する。分散は、超音波棒(400W)を用いて実施する。懸濁液をマグネットスターラで撹拌し、そして蠕動ポンプを介してMatec社製のESA−8000機器のPPL−80センサを通じて圧送する。出発pH値から開始して、5モラーのNaOHを用いた電位差滴定をpH12まで行う。pH4までの逆滴定は5モラーのHNOで実施する。その評価は、ヴァージョンpcava5.94の機器ソフトウェアで実施する。
Figure 2006213591
平均粒径は、動的光散乱によって測定する(Horiba LB500)。
出発材料
溶液A:42質量%のエチルヘキサン酸セリウム(III)、25質量%の2−エチルヘキサン酸、4質量%の2−メチル−2,4−ペンタンジオール、ナフサ29質量%
溶液B:30質量%の酢酸セリウム(III)水和物、50質量%の酢酸、20質量%のラウリン酸
溶液C:24.4質量%のエチルヘキサン酸ジルコニウム(III)、0.30質量%のエチルヘキサン酸ハフニウム(III)、39.6質量%の2−エチルヘキサン酸、3.5質量%の2−(2−ブトキシエトキシ)エタノール、32.2質量%の石油ベンジン
実施例1:
部分流I:200kg/hの溶液A、II:50kg/hの溶液A及びIII:17.3Nmの噴霧用空気から、3成分ノズル(Schlick社、モデル0/4S41)によってエーロゾルを生成させ、これを反応空間に噴霧する。その反応空間で、水素(40Nm/h)及び一次空気(1800Nm/h)から酸水素炎を燃やし、そこでエーロゾルを反応させる。付加的に二次空気(3200Nm/h)を反応空間に導入する。冷却後に、酸化セリウム粉末をフィルタ上で気体状物質から分離する。反応空間中の反応混合物の滞留時間は、0.9秒である。火炎の0.5m下方の温度は1100℃である。
実施例2〜4は、実施例1と同様に実施する。この場合に、部分流IとIIは同じままであるが、部分流IIIは流量及び圧力を高める。
実施例5は実施例1と同様に実施されるが、溶液Aの代わりに部分流IIについて溶液Bを使用する。
実施例6は実施例1と同様に実施されるが、溶液Aの代わりに溶液Cを使用する。
実施例7は実施例1と同様に実施されるが、その際、部分流Iは溶液Aからなり、部分流IIは溶液Cからなる。
第1表は、エーロゾル生成に必須のパラメータを示し、第2表は火炎に必須のパラメータを示している。
第3表は、得られた粉末の分析値を示している。
第4表は、実施例1〜4の>100μmの小滴の全ての小滴分布を割合で示している。
図1は、m/gでのBET表面積(a)及び>45μmの粒子(b)が>100μmの小滴の割合に対して依存関係があることを示している。図1は>100μmの小滴の割合がBET表面積と>45μmの粗粒とに対して関連があることを示している。本発明による方法は、高いBET表面積及び低い粗粒割合を有する多量の金属酸化物粉末の製造を可能にし、その際、BET表面積と粗粒割合は>100μmの小滴の割合によって調整できる。
図2は、実施例1〜4からの粉末のD30滴径[μm]を示し、これは噴霧幅[mm]と依存関係にある。この場合に、D30値は180μmの両縁部まで得られている。それでもなお、本発明による方法では、微細な金属酸化物粉末を製造できる。
実施例1〜5の酸化セリウム粉末は、驚くべきことに、pH9〜11で等電点を有する。通常は、酸化セリウムの等電点は6.5〜7.5である。本発明による酸化セリウム粉末でのより高い等電点は、7〜8.5のpH値で安定な分散液の製造を可能にする。かかる分散液は、特にSiO表面の研磨のために適している。
第1表:エーロゾル生成
Figure 2006213591
第2表:火炎パラメータ
Figure 2006213591
第3表:得られた粉末の分析値
Figure 2006213591
第4表:全ての>100μmの小滴の%での小滴分布
Figure 2006213591
図1は、m/gでのBET表面積(a)及び>45μmの粒子(b)が>100μmの小滴の割合に対して依存関係があることを示している 図2は、実施例1〜4からの粉末のD30滴径[μm]を示し、これは噴霧幅[mm]と依存関係にある

Claims (27)

  1. 少なくとも20m/gのBET表面積を有する金属酸化物粉末を、エーロゾルと酸素とを反応空間中で700℃より高い反応温度で反応させ、引き続き、得られた粉末を気体状物質から分離することによって製造する方法において、
    − 少なくとも1種の出発材料を、それ自体の液体形で又は溶液で、かつ少なくとも1種の噴霧用ガスを、多成分ノズルを用いて噴霧させることによってエーロゾルを生成させること、
    − 容量に対するエーロゾルの平均滴径D30が30〜100μmであること、及び
    − 100μmより大きいエーロゾル小滴の数が全滴数に対して10%以下であること
    を特徴とする方法。
  2. 小滴の全数に対して、100μmより大きい小滴の数が3%〜8%である、請求項1記載の方法。
  3. 250μmより大きい小滴の割合が、>100μmの小滴の数に対して10%以下である、請求項1又は2記載の方法。
  4. 容量に対する平均滴径D30[μm]がエーロゾルの噴霧幅[mm]に対して以下:
    噴霧幅 D30
    0 10〜30
    ±20 20〜40
    ±40 30〜60
    ±60 50〜80
    ±80 80〜120
    の依存関係を有する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 出発材料を含有する溶液の流量が1.5〜2000kg/hである、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 溶液中の出発材料の金属含量が2〜40質量%である、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 出発材料の金属成分が、Al、Ce、Fe、Mg、In、Ti、Si、Sn、Y、Zn及び/又はZrである、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 出発材料が有機金属化合物である、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。
  9. 出発材料が有機溶剤中に溶解されている、請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 溶液が溶剤として、炭素原子2〜12個を有する少なくとも1種のカルボン酸を含有する、請求項9記載の方法。
  11. 溶液中の炭素原子2〜12個を有するカルボン酸の含量が60質量%未満である、請求項10記載の方法。
  12. 噴霧用ガスが空気である、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. 出発材料の溶液の流量/噴霧用ガス量の比率が2〜25kg/Nmである、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
  14. 多成分ノズルが、3成分ノズル又は4成分ノズルである、請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。
  15. 3成分ノズル又は4成分ノズルによって、噴霧用ガスの他に、2種もしくは3種の別個の溶液であって、
    − 同一又は異なる出発材料を、
    − 同一又は異なる溶剤中に
    − 同一又は異なる濃度で
    含有する溶液を噴霧する、請求項14記載の方法。
  16. 反応温度が、水素含有燃焼ガスと酸素及び/又は空気との反応により生ずる火炎によって得られる、請求項1から15までのいずれか1項記載の方法。
  17. 付加的な二次空気を反応空間中に導入する、請求項16記載の方法。
  18. λが≧1.5であり、その際、λは、それぞれモル/hで、空気並びに場合により噴霧用空気の酸素割合の合計と出発材料並びに水素含有燃焼ガスの合計との商である、請求項16又は17記載の方法。
  19. 請求項1から18までのいずれか1項記載の方法によって得られる金属酸化物粉末。
  20. 一次粒子の凝集体の形で主に存在し、かつ該凝集体がセノスフェア構造を有さない、請求項19記載の金属酸化物粉末。
  21. BET表面積が20〜200m/gである、請求項19又は20記載の金属酸化物粉末。
  22. 平均一次粒子径が5〜30nmであり、平均凝集体径が20〜200nmである、請求項20又は21記載の金属酸化物粉末。
  23. >45μmの粗粒の割合が100ppm未満である、請求項20又は22記載の金属酸化物粉末。
  24. 炭素の含量が0.15質量%未満であり、かつ塩化物、ナトリウム及びカリウムの含量が300ppm未満である、請求項20から23までのいずれか1項記載の金属酸化物粉末。
  25. BET表面積30〜90m/gを有する酸化セリウム粉末である、請求項20から24までのいずれか1項記載の金属酸化物粉末。
  26. pH値9〜11で等電点を有する酸化セリウム粉末である、請求項20から25までのいずれか1項記載の金属酸化物粉末。
  27. 分散液の製造のための、ガラス表面及び金属表面の研磨のための、触媒としての及び触媒担体としての、請求項19から25までのいずれか1項記載の金属酸化物粉末の使用。
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