JPH0152328B2 - - Google Patents

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JPH0152328B2
JPH0152328B2 JP53034798A JP3479878A JPH0152328B2 JP H0152328 B2 JPH0152328 B2 JP H0152328B2 JP 53034798 A JP53034798 A JP 53034798A JP 3479878 A JP3479878 A JP 3479878A JP H0152328 B2 JPH0152328 B2 JP H0152328B2
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slurry
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catalyst
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Gari Sanchesu Moisezu
Reimondo Rein Nooman
Uansu Aanesuto Maikeru
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WR Grace and Co
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、結晶構造がベーマイトと擬ベーマイ
トとの中間である新規な結晶性アルミナ−水和物
と非晶質アルミナとの混合物の製造法に関する。 ふつうの形態の触媒は固体の担体と担体上に担
持された触媒物質とからなる;この固体の担体は
通常多孔質物質、たとえば、アルミナの粒子であ
る。これらの粒子は典型的には直径1mmから直径
15mmまでの球状粒子に等しい大きさである。多孔
質材料、たとえば、アルミナは粒子の形態、たと
えば、球、長球、ピル、円筒に造形することが必
要であり、そして本発明においてこれら材料に関
し、造形する前のものを「担体材料」、造形した
後のものを「成形された担体」と呼ぶ。本発明の
新規なアルミナ−水和物およびその非晶質アルミ
ナとの混合物はこの意味において担体材料であ
る;微細球状粒子は、本発明の担体材料または同
様な材料のどちらから作られても、この意味にお
いて成形された担体である;そしてこれらの微細
球は触媒剤を添加されたとき触媒である。 反応における触媒の活性、効率、安定性および
耐久性は、触媒前駆物質、すなわち担体材料およ
び成形された担体粒子の化学的、物理的、および
構造的性質、ならびに成形された担体上の触媒物
質の性質および分布に依存する。これらの性質に
おける小さな変化は、触媒の性能に実質的な差を
生じうる。望ましくは、触媒的活性を高める担体
材料の性質は成形された担体粒子の性質によつて
保持される。一般に、成形された担体と担体上の
少量の触媒物質からなる触媒は、本質的に同じ物
理的および構造的性質をもち、触媒の熱的活性の
効果のためこれらの性質に多少差があるだけであ
る。 触媒粒子およびその前駆物質の内部多孔構造
は、触媒物質と反応成分の接触に有効な表面積の
程度と接近可能性を決定する。孔の大きさが増加
すると、触媒粒子を出入りする反応成分と生成物
の拡散速度が大きくなり、そしてこれはしばしば
改良された触媒活性を生ずる。しかしながら、孔
の大きさを有利に増加できる程度は制限される。
孔の大きさが増大するにつれて、反応が起こる表
面積が増加する。すぐれた触媒は高い比表面積、
累積孔体積、および多巨大孔性の釣合つた組み合
わせをもつべきである。高い多巨大孔性は直径が
1000Åより大きい孔の比率が比較的高い孔の大き
さ分布をもつ。さらに、密度が低く、結局熱慣性
が小さいアルミナおよび成形されたアルミナは、
反応温度にはやく到達する触媒を生成するであろ
う。 触媒の担体はしばしば多孔質の耐火性無機酸化
物、たとえば、シリカ、アルミナ、マグネシア、
ジルコニア、チタニア、およびそれらの組み合わ
せである。アルミナは本来高度の多孔性をもち、
通常多くの触媒反応において直面する温度範囲に
わたつて比較的高い表面積を保持するので、とく
に望ましい担体材料である。しかしながら、高温
条件下で長時間使用すると、アルミナの過熱は焼
結とアルミナの結晶相を変化させ、これは、たと
えば、触媒現象に有効な表面積を損失させるた
め、触媒活性を減少する。アルミナは微細粉末ま
たは粉末から成形されたマクロサイズの粒子の形
態で触媒の担体として使用される。 アルミナの物理的および化学的性質はその製造
に用いられる手段に高度に依存するので、多くの
製造法がその触媒担体材料として使用するための
性質を最適化する試みで開発されてきた。アルミ
ナはアルミニウム塩、たとえば硫酸アルミニウ
ム、硝酸アルミニウム、または塩化アルミニウム
であることができる水溶性酸性アルミニウム化合
物と、アルミン酸アルカリ金属塩、たとえばアル
ミン酸ナトリウムまたはアルミン酸カリウムを合
わせることによつてしばしば沈殿された。しかし
ながら、洗浄および乾燥後得られた組成物の性質
は、高い表面積、多巨大孔性、相安定性、および
低い密度の1つまたは2以上において一般に欠点
をもつていた。 担体材料に望まれる特性のいくつかをもつアル
ミナの典型的な製造法は、米国特許2988520号、
3520654号、3032541号および3124418号に記載さ
れている。米国特許3864461は、そのX線帯によ
り擬ベーマイトと同一であると確認された、低い
かさ密度の、ある場合少量のバイエライトと混合
した、結晶性アルミナの製造法を開示しているの
で、とくに興味がある。 出発アルミナ材料の表面積、多孔性、および密
度特性を保持することに加えて、微細なアルミナ
粒子を形成する方法は低い収縮性、高い摩耗抵抗
および高い破壊強さをもつアルミナを形成すべき
である。ふつうの低密度の担体は一般に構造的一
体性に欠ける。安定化されないかぎり、アルミナ
粒子は使用中高温に暴露するとその幾何学的体積
をかなり収縮させる。過度の収縮は触媒床中に充
てんされないチヤンネルを形成し、反応成分は触
媒と接触しないでそのチヤンネルを通過する。 高い摩耗抵抗は、機械的応力の条件下の構造的
一体性と活性の保持を提供する。反応ゾーン中へ
の移送、充てん、および長期の使用の間、触媒粒
子は多数回の衝突にされされ、その結果材料は外
側層から失なわれる。粒子の外側体積中に存在す
る触媒的に活性な層の摩耗は、触媒の性能に影響
を及ぼし、また反応ゾーン中の材料の体積を減少
させる。固定触媒床中の高度に充てんされ、密に
保持された粒子の収縮および/または摩耗による
体積の損失は、粒子をゆるくし、そして振動中の
動きと衝突を増加させる傾向がある。充てんされ
た床がいつたんゆるくなると、摩耗は増加する傾
向がある。貯蔵中、触媒はしばしば装入を待つ背
の高い容器に充てんされる。その上粒子の重さに
よつて発生した力に耐えるため、触媒は高い破壊
強さを示さなくてはならない。 粒子の大きさ、大きさの分布および形状は、構
造的一体性と触媒の活性の両方に影響をおよぼ
す。これらの性質は固定床中に充てんできる触媒
の体積、床を横切る圧力低下、および反応成分と
の接触に有効な外表面積を決定する。微細なアル
ミナはペレツト化し、錠剤化し、成形し、または
押出して、所望の大きさおよび形状のマクロサイ
ズの粒子にすることができる。典型的には、マク
ロサイズの粒子は直径が1/32〜1/4インチ(約
0.79〜6.35mm)、長さ対直径の比が約1:1〜
3:1である円筒である。他の形の例は、長球
形、多裂片形、8字形、クローバ葉形、亜鈴形な
どである。 球形は、触媒担体として、突出部や不規的部分
をもつかどばつた形状の表面を有する粒子、たと
えば押出された円筒よりも多数の利点を提供す
る。「球形(Spheroids)」とは、ここでは、大ま
かに球形であるが、正確に球ではない粒子、たと
えば回転だ円体であつてもよいことを意味する。
球形に造形した粒子は触媒床をいつそう均一に充
てんするので、床を通る圧力低下の変動を減少
し、そのため床の一部分のバイパスを生ずるよう
なチヤンネル形成を減少させる。この形の粒子の
使用における他の利点は、球形が処理、移送また
は使用の間摩耗するような鋭い縁を示さないとい
うことである。 球状アルミナ粒子を製造する最も記載された方
法の1つは、油−滴法であり、この方法において
水性酸性アルミナ材料の滴は水不混和性液体中を
落下する間ゲル化して球となり、塩基性PH条件下
で凝固する。アルミナ担持触媒の活性と耐久性を
高める構造的および機械的性質を提供する試み
る、多数の油−滴技術が開発されてきた。球状生
成物の密度、表面積、多孔性および均一性は、ア
ルミナ供給物の性質、ならびに破壊強さおよび摩
耗抵抗とともに大きく変化し、供給物の製造、凝
固およびゲル化工程、ならびに引き続く乾燥およ
びカ焼工程に使用した条件に依存する。内部のゲ
ル化、すなわち滴形成前に供給物へ添加されかつ
加熱された不混和性液体中にアンモニアを放させ
る、ヘキサメチレンテトラミンのような弱塩基に
よるアルミナのゲル化は、最もふつうの油−滴法
である。 米国特許第3558508号(Keithら)は、ガス状
アンモニアを水不混和性液体を含有するカラムの
底へ導入し、滴をその外表面の接触により凝固さ
せる外部ゲル化技術を用いる油−滴法を記載して
いる。この方法は、かなりな程度、微細アルミニ
ウムの酸加水分解により製造された特定のアルミ
ナ供給物の使用に基づく。また、球状アルミナ粒
子は、オレコウスカ(Olechowska)ら、
“Preparation of Spherically Shaped Alumina
Oxide”、International Chemical Engineering
Vol 14、No.1、90〜93ページ、1974年1月号に
記載される炭化水素/アンモニア性によつて形成
できる。この方法において、硝酸と脱水された水
酸化アルミニウムとのスラリーの滴は空気中を通
り炭化水素相とアンモニア相とを含有するカラム
中に落下する。滴は水不混和性液体中を通過する
とき球形をとり、次いで凝固媒体中で凝固してか
たい球状ビーズまたはペレツトとなる。擬ゾル供
給物と塩化水素酸を用いる同様な方法は、次の文
献に記載されている: 1 Katsobashvili et al.、“Formation of
Spherical Alumina and Aluminum Oxide
Catalysts by the Hydrocarbon−Ammonia
Process−1. The Role of Electrolytes in
the Formation Process”、Kolloidnyi
Zhurnal、Vol.28、No.1、46−50ページ、
January−February、1966; 2 Katsobashvili et al、“Preparation of
Mechanically Strong Alumina and
Aluminum Oxide Catalysts in the Form of
Spherical Granules by the Hydrocarbon−
Ammonia Forming Method”Zhurnal
Prikladnoi Khimii、Vol.39、No.11、2424−
2429ページ、November、1966;および 3 Katsobashvili et al.、“Formation of
Spherical Alumina and Aluminum Oxide
Catalysts by the Hydrocarbon−Ammonia
Process−Coagulational Structure
Formation During the Forming Process”、
Kolloidnyi Zhurnal、Vol.29、No.4、503−508
ページ、July−August、1967. 触媒は自動車排気ガス中の公害物質をそれほど
に不都合ではない物質に変えるために使用する。
貴金属は主触媒成分として使用でき、あるいは少
量で存在して卑金属系の活性を促進できる。米国
特許第3189568号(Hauel)および同第3932309号
(Grahamら)は、自動車排気放出物の調節のた
めの貴金属触媒の使用を開示している。米国特許
第3455843号(Briggsら)は、貴金属で促進され
た卑金属触媒の典型である。促進されない卑金属
触媒は米国特許3322491号(Barrettら)に記載さ
れている。 自動車排気触媒の活性と耐久性は、過去におい
て担体上の貴金属の位置と分布に依存する。貴金
属の使用はコストによつて大きく制限されるの
で、少量の貴金属を担体上に、触媒の寿命にわた
つて最良の全性能を達成するような方法で、位置
させるべきである。 いくつかの対抗する現象が表面処理に含まれ
る。最大量の担体粒子を含浸すると、最大量の含
浸された表面積が得られる。しかしながら、自動
車排気系においてガス速度は高くかつ接触時間は
短かいので、一酸化炭素および炭化水素の酸化速
度と窒素酸化物の還元は拡散で制御される。した
がつて、含浸の深さは、反応成分が粒子の孔構造
中に効果的拡散できる距離を越えるべきではな
い。含浸された表面と適切な分散および接近容易
性との結合したバランスを達成して、実際の触媒
を製造すべきである。 触媒金属の接近容易性と分散は、触媒がいつた
ん運転温度に到達したとき、初期の高い触媒活性
を提供するであろう。しかしながら、有意に高い
量の炭化水素、一酸化炭素、および他の部分燃焼
した物質がエンジン始動の初期に排気ガス中に生
成するので、触媒は反応ゾーンが比較的低い温度
であるとき効率よく運転するために低い熱慣性を
もつべきである。 排気触媒の共通の欠点は、高温、機械的振動お
よび排気中に存在する毒、たとえば、鉛、リン、
イオウの化合物などに、50000マイルばかりまで
の長い使用期間中暴露されるとき、活性が低下す
る。効果的な触媒は、貴金属の結晶の生長、毒、
結晶相の変化、および物理的劣化に対する抵抗性
のため、その活性を保持する。 最適な高温アルミナ触媒担体は、低密度および
高い多巨大孔性を有すると同時に実質的な表面積
と破壊強さおよび摩耗抵抗性を保持する。さら
に、それは結晶相と満たされた幾何学的体積にお
いて安定である。これらの相互に関連する、時に
は対抗する性質の適切なバランスを達成し、かつ
アルミナ担体技術および金属含浸技術を結合し
て、自動車の排気放出物を現在および将来の政府
規格が要求するレベルに減少できる触媒転化器を
提供するうえが困難に直面する。 さて、われわれは、所望の性質の独特なかつ価
値ある組み合わせを有する成形した担体に転化で
きる新規な、結晶性、アルミナ一水和物を発見し
た。 本発明によれば、ベーマイトの構造と擬ベーマ
イトの構造との中間の構造、および約6.2〜約6.5
Åの〔020〕d間隔を特徴とする結晶性α−アル
ミナ一水和物が提供される。 成形された担体を作るため、このベーマイト−
擬ベーマイト中間体は少量のアルミナゲルと混合
されており、混合物中の全アルミナの約70〜85%
が結晶形態であるべきである。このような混合物
は本発明の一部分である。 また、われわれは、この新規なアルミナの製造
法、ことにそれをすでにアルミナゲルと混合した
形態で製造する方法を発見した。 本発明によれば、下に特定する性質の組み合わ
せを有する球状粒子を形成するのに独特に適した
性質をもつ本発明の新規なアルミナは、アルミナ
を特定の調節された反応成分の濃度、反応の温度
の時間、およびPHにおいて沈殿させ、そしてこれ
より高いPHにおいて熟成し、次いで過する方法
によつて製造される。反応成分の添加速度を、調
節して混合物中の結晶アルミナおよび非晶質アル
ミナの所望のバランスを得ることができる。 本発明の方法は、次の工程からなる: 1 Al2O3濃度が5〜9重量%でありかつ温度が
130〜160〓(約54〜約71℃)である強い鉱酸の
アルミニウム塩、好ましくは硫酸アルミニウム
の水溶液を、温度が約140〜約170〓(約60〜約
77℃)である水に加える;アルミニウム塩の添
加量は混合物中のPHを2〜5に調節するのに十
分である; 2 Al2O3濃度が18〜22重量%でありかつ温度が
130〜160〓(約54〜約71℃)であるアルミン酸
ナトリウム(または他のアルミン酸アルカリ金
属)の水溶液と追加量の水性硫酸アルミニウム
(または他のアルミニウム塩)溶液を混合物に
同時に加える−これはアルミナを沈殿させてア
ルミナスラリーを形成する。アルミン酸アルカ
リ金属の添加は混合物のPHをPH7〜PH8の範囲
の値に上昇させ、そしてスラリーのPHと温度は
沈殿中それぞれ7〜8と140〜180〓(約60〜約
82℃)に維持し、そして溶液のある添加速度を
維持してベーマイト−擬ベーマイトの中間のア
ルミナを形成する; 3 次いでスラリーのPHを9.5〜10.5に調節する。
スラリーは次いで、任意に、熟成し、次いでこ
のスラリーを過し、そしてフイルターケーキ
を洗つて実質的に純粋なアルミナを形成する。 この方法は再現性があり、含水アルミナを製造
し、このアルミナから工程不純物は水洗および
過により容易に除去できる。温度、時間、速度、
濃度およびPHを調節すると、全量の約70〜約85重
量%の結晶形態で存在するAl2O3を有する実質的
に純粋な微結晶性擬ベーマイト−ベーマイト中間
体であるアルミナが生成する。 低い密度、高い表面積、多巨大孔質、相安定
性、および機械的強さの予期されない組み合わせ
を有する実質的に均一な球状アルミナ粒子は、湿
つたまたは乾燥したベーマイト−擬ベーマイト中
間体から、本願の分割出願に開示された改良され
た外部ゲル化法により製造できる。アルミナのス
ラリーを酸性水性媒体中で製造し、そしてこのス
ラリーの滴を空気を通過させて水不混和性液体お
よびアンモニアの上部本体と水性アルカリ性凝固
剤の下部本体とを含有するカラム中に通す。生ず
る球状粒子は水性媒体中で熟成して所望のかたさ
にする。熟成した粒子を乾燥し、そしてカ焼す
る。 また、上記の外部ゲル化法によつて作つた球状
アルミナ粒子上に含浸された触媒的に活性な金属
または金属化合物からなる触媒は、多くの触媒系
においてきわめてすぐれた活性と耐久性をもつこ
とがわかつた。排気システム中に存在する高温お
よび機械的振動下のこの触媒のはやいライトオフ
(light off)および長期活性のため、自動車排気
流中の公害物質を排除するためにこの触媒はこと
に適する。 「外部ゲル化」法により作られ、好ましくは本
発明の新規なベーマイト−擬ベーマイト中間体か
ら作られた触媒担体は、球状粒子の形であり、そ
して次によつて特徴づけられる。 (i) 直径1000〜10000Åの孔における約0.1〜約
0.4cm3/gの孔体積; (ii) 約80〜約135m2/gの表面積; (iii) 約5%以下の摩耗損失; および (iv) 約20〜約36ポンド/立方フイート(約0.32〜
約0.58g/cm3)の充てんかさ密度; そして次によつてさらに特徴づけられうる: (v) 約0.8〜約1.7cm3/gの全孔体積; (vi) 直径100〜1000Åの孔における約0.5〜約1.0
cm3/gの孔体積; および (vii) 直径100Åより小の孔における0〜約0.06
cm3/gの孔体積; そしてさらに次によつて特徴づけられる: (viii) 1800〓(982℃)の温度における24時間の暴
露の際の約6%以下の体積収縮; および (ix) 少なくとも5ポンド(2.3Kg)の破壊強さ。 本発明のアルミナの製造法は、5つの主な段階
からなる。段階は非常に希薄水性系中の酸性PH
におけるベーマイト(boehmite)結晶種の形成
を含み、核形成段階と呼ぶ。 段階は、主段階であり、PH約7〜約8におけ
るアルミナの沈殿および結晶化を含む。この段階
中、ベーマイトまたは擬ベーマイトの結晶は水和
沈殿アルミナから結晶種上へ生長する。段階は
沈殿および結晶生長段階と呼ぶ。 段階は、アルミナ沈殿上の電気的表面電荷を
減少するための、アルカリ性溶液の添加による系
のPHの変化を含む。この段階中、アルミナ粒子の
正電荷は徐々に減少して、ついにはPH9.4〜9.6に
おいて、本質的にゼロとなる。この状態におい
て、アルミナ沈殿はその等電点において存在する
といわれる。それは表面が電荷をなんら示さない
PHにおける点である。したがつて、段階は、表
面電荷の減少段階と呼ばれる。 任意の段階は予定の時間の期間の間の系の熟
成を含み、そして段階は不都合な電解質または
不純物を除去するため生じたスラリーの過およ
び洗浄を含む。 この方法の任意の最終工程は、洗浄したケーキ
の粉末物質への乾燥である。これは不純物の吸収
を減少するための特別の添加剤の混入または無混
入で行うことができる。 本発明の方法を実施するために使用する反応成
分は、水溶性アルミニウム塩、たとえば硫酸アル
ミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム
など;アルミン酸アルカリ金属、たとえばアルミ
ン酸ナトリウム、アルミン酸カリウムなどであ
る。特定の態様において、好ましい反応成分は、
コスト、入手容易性および本発明の実施における
望ましい性質の理由で、硫酸アルミニウムとアル
ミン酸ナトリウムである。反応成分を水溶液の形
で使用する。硫酸アルミニウムは約5重量%以上
の広い範囲の濃度において使用できるが、実際的
理由で、約6〜約8重量%当量Al2O3の高い濃度
で使用することが好ましい。 アルミン酸ナトリウム溶液は、沈殿したアルミ
ナまたは未溶解のアルミナを示さない比較的新ら
しく調製した溶液であるべきである。アルミン酸
ナトリウムはその純度および当量アルミナ濃度で
特徴づけることができ、これは約16重量%以上、
好ましくは約18〜22重量%当量Al2O3である。さ
らに、それはアルカリ、たとえば少くとも当量
Na2Oを含有してアルミナの溶解を確実にすべき
である。この条件は約1.2以上、好ましくは約
1.35以上のNa2O対Al2O3のモル比によつてほぼ充
足されるもちろん、経済的理由および実際的理由
で、モル比の上限は大き過ぎてはならない。その
ような理由のために、実際の工業的方法において
はモル比は約1.5を超えない。不純物、ソーダの
不十分な濃度、および高い希釈度は、アルミン酸
ナトリウムを不安定とする。 この方法を開始する前、反応溶液を約130〜約
160〓(約54〜約71℃)の温度、好ましくは約140
〓(60℃)に加熱する。反応は核化段階で始ま
り、この段階において脱イオン化水の初期の供給
量または“ヒール”(heel)を適当な反応槽に入
れる。この水をかきまぜ、約140〜約170〓(約60
〜約77℃)の温度に加熱する。一般に、このヒー
ルの温度はどこでも反応が起こる目標温度よりも
約5〜約10〓(約2.8〜約5.6℃)低い。 硫酸アルミニウムの初期供給量をこの水に、混
合物のPHを約2〜約5、好ましくは約3〜約4の
値に調節するのに十分な非常に少量で加える。こ
の時点で、混合物中の当量アルミナ濃度は約0.1
重量%、好ましくは約0.05重量%を越えるべきで
はない。非常に低い温度、低いPH、および高温の
組み合わせは、硫酸アルミニウムを部分的に加水
分解させ、付随的にきわめて小さな結晶のベーマ
イトを形成する。この核化は急速に起こり、そし
て段階の開始は硫酸アルミニウムの最初の添加
直後にはじまる。しかしながら、核化段階が進行
しかつ系が適切に種添加されることを確保するた
め、約10分間まで、好ましくは約5分間まで待つ
ことが好ましい。 この方法の第2段階は、結晶の種を含有する水
のヒールからなる混合物に、アルミン酸ナトリウ
ムと硫酸アルミニウムとを同時に加えることによ
つて実施する。これらの溶液は別々の流れから反
応器へ設定した本質的に一定速度で同時に加え
て、アルミナを沈殿させ、アルミナスラリーを形
成する。しかしながら、反応は約7〜約8のPHで
実施するので、反応成分の1つの添加速度は実施
中多少調節して、スラリーのPHが所望範囲に急速
に到達することを確保できる。 この段階中、PHは約2〜約5から約7〜約8に
急速に上昇するであろう。反応成分は初期のヒー
ルへ加えるので、生ずるスラリー中のアルミナ濃
度は徐々に増加するであろう。特定条件のもと
で、アルミナの沈殿は結晶化して結晶性のアルミ
ナ中間体のベーマイトおよび擬ベーマイトとなる
傾向があるであろう。沈殿速度が結晶化速度を越
えると、過剰の含水アルミナが沈殿中にアルミナ
ゲル(非晶質アルミナ)として残るであろう。本
発明において製造したアルミナは結晶性ベーマイ
ト擬ベーマイト中間体とゲルを含有する。これ
は、反応成分の添加速度に依存して沈殿速度が含
水アルミナのベーマイト−擬ベーマイト中間体へ
の結晶化速度を越えることを要する;反応成分の
添加速度の過剰部分は約70〜85%の結晶性アルミ
ナと非晶性ゲルを残すように制御される。スラリ
ーのPHおよび温度と反応成分の添加速度は、沈殿
中結晶性ベーマイト−擬ベーマイト中間体と非晶
質ゲルが生成するように維持する。結晶化速度は
系の温度により主として設定されるので、反応成
分の添加速度は反応を実施する特定温度に依存し
て変化するであろう。使用温度範囲の低温側で、
結晶速度は比較的低く、結局、反応成分の添加は
低い速度で進行するであろう。一般に、温度は約
140〜約180〓(約60〜約82℃)に維持する。たと
えば、約140〜約150〓(約60〜約66℃)の範囲の
温度に対して、添加速度は、反応成分の流れを全
沈澱段階中実質的に一定に維持して、段階が60
分以上、好ましくは70分以上つづくようなもので
あろう。 一方、使用温度範囲の高温側、たとえば約170
〜約180〓(約77〜約82℃)において、添加速度
は段階を短かい時間、たとえば約15〜約30分間
実施するように著しく増加できる。好ましい沈殿
反応において、温度は約150〜約170〓(約66〜約
77℃)であり、そして沈殿速度は反応を約30〜約
70分間、好ましくは約40分〜約60分間の期間にわ
たつて実施するように調節すべきである。 非常に特定した態様において、反応は155〜165
〓(68〜74℃)で実施し、反応成分の添加は約48
〜約52分の期間にわたつて、反応成分の流れを全
沈殿段階中本質的に一定に維持し、必要に応じ
て、相対的流れを調整することによつて、実施し
て、次のようなプログラミングしたPHを得る: 【表】 一般に、反応の発熱性は、水のヒールおよび反
応成分が前述のように予熱されるかぎり、温度を
所望レベルに維持するために十分な熱を提供する
であろう。所望温度を維持するのに困難である場
合、外部の冷却または加熱を行つて適切な温度制
御を確保できる。前述の条件下で沈殿反応を実施
すると、結晶性α−アルミナ一水和物(ベーマイ
ト−擬ベーマイト中間体)とゲルとの間の所望の
釣合いを示す沈殿したアルミナが確実に形成する
であろう。 段階の終りにおいて、スラリー中の当量
Al2O3の濃度は約5〜約9重量%、好ましくは約
6〜約8重量%の範囲であるべきである。この時
点で加える反応成分の物質を釣合わせて、Na2O
のモルとして表わしたナトリウム対当量H2SO4
のモルとして表わした硫酸塩の比が0.80以上、好
ましくは0.88以上であるが、0.97以下になるよう
にすることができる。 段階の終了において、所望量のアルミナが沈殿
したとき、硫酸アルミナの流れを停止する。次い
で、沈殿したアルミナの表面上の電荷を強い正の
レベルからゼロまたは可能ならば低い負の値に減
少するため、段階を実施する。これは、PHを段
階の終りにおける約7〜約8から9.4〜9.6の間
のいずれかにあるアルミナの等電点付近またはそ
れを多少越える値に調節することによつて実施す
る。一般に、スラリーのPHは約9.5〜10.5、好ま
しくは約9.6〜約10.0に調節する。 PHの変更は任意のアルカリ性溶液、たとえば水
酸化ナトリウムの使用によつてなすことができ
る。しかしながら、実際的な観点から、アルカリ
性溶液として初めのアルミン酸ナトリウム反応成
分の溶液を使用しつづけることが望ましい。その
ようにすることにより、PHの変化が起こる間、追
加量のアルミナをスラリーに加えて収率を増加し
かつコストを低くできるであろう。結局、本発明
の好ましい態様において、段階はアルミン酸ナ
トリウムを遅い速度で連続的に加えることによつ
て実施する。これによつて、PHの目標値を越えな
いこと、あるいはアルミン酸ナトリウムの局部的
濃度過剰は望ましくない結晶相、たとえばベイエ
ライト(bayerite)(β−アルミナ三水和物)の
形成に好都合な高いPH条件下のアルミナの沈殿を
生じさせないことが確保される。段階の間、段
階およびにおけるようにスラリーの温度を維
持し、そしてかきまぜを続ける。アルミン酸ナト
リウムは、PHが約9.5〜約10.0に上昇するまで、
最初ゆつくり連続的に、次いで、必要ならば不連
続的に、加えて、最終の目標PH値に到達させる。
この段階中、アルミナ粒子の表面上へ固定した硫
酸イオンは、アルミナ表面の正電荷がゼロに減少
するか、あるいは多少負となるにつれて、存在し
なくなる。9.5〜10.5、好ましくは約9.6〜約10.0
のPHが得られたとき、アルミン酸ナトリウムの流
れを停止し、段階は4分程度に短かい期間から
20分程度に長い期間であることができ、好ましく
は段階は約6〜約12分の期間実施すべきであ
る。 段階において、すべての反応成分を添加した
後、スラリーを数時間まで熟成することができ、
この時間は過および洗浄の次の工程において使
用する装置の準備のような実際的考慮に依存す
る。一般に、約30分の熟成を用いる。いずれの場
合においても、段階で製造したアルミナスラリ
ーの大きいバツチは単一のバツチにおいて過で
きないことがあるが、ある時間をかけて連続的に
実施できるので、物質の一部分は過工程を待つ
間必然的に熟成されるであろう。 次に、アルミナスラリーを過し、フイルター
ケーキを洗浄して不都合な不純物を除去できる。
好ましくは、脱イオン水を洗浄液として使用し
て、水溶性不純物を除去する。不純物、たとえば
カルシウムおよびマグネシウムの塩化物、炭酸塩
または重炭酸塩を含有する水の使用は望ましくな
い。しかしながら、アルミナの究極的使用に依存
して、揮発性不純物のようなこれらの不純物のあ
るものは許容される。しかしながら、金属不純
物、たとえばカルシウム、マグネシウム、鉄、ケ
イ素、ニツケルなどはきわめて低い濃度以外は許
容できない。 発明の詳細な説明および特許請求の範囲におい
て使用する「実質的に純粋なアルミナ」という語
は、その不純物濃度が乾燥基準で次の限界を越え
ないアルミナを示すために使用する:Na2Oとし
て表わしたナトリウム、0.15重量%;CaOとして
表わしたカルシウム、0.15重量%;MgOとして
表わしたマグネシウム、0.15重量%;SiO2として
表わしたケイ素、0.80重量%;F2O3として表わし
た鉄、0.07重量%;NiOとして表わしたニツケ
ル、0.07重量%。 脱イオン水を使用すると純粋なアルミナ生成物
が得られる。脱イオン水は、通常加熱して電解質
の除去を促進し、そして120〜約180〓(49〜約82
℃)の温度をもつことができる。洗浄中の電解質
の除去は沈殿の結晶の性質によつて促進される。
結晶物質は不純物を吸蔵する傾向が低く、改良さ
れた過特性のため洗浄容易である。生成物のす
ぐれた品質を達成するために要求される脱イオン
水の量は、使用する特定の過装置に依存して変
化することができる。しかしながら、その量は通
常過ケーキ中のAl2O3(乾燥基準)1Kg当り約
20〜100Kgの範囲である。 ある特定の態様において、洗浄した過ケーキ
を使用して、以後詳述するように、アルミナ球
(spheroid)の製造における満足な供給物の調製
に使用できる。これは、過工程中できるだけ多
くの水を除去し、脱水した過ケーキと一緒に供
給物の調製のための特別の添加剤を使用すること
によつて、実施できる。 好ましい態様において、過ケーキを乾燥して
アルミナ粉末を生成し、この粉末はさらに処理ま
で長期間劣化することなく都合よく貯蔵できる。
過ケーキの乾燥は、いくつかの方法、たとえば
トレー乾燥、ベルト乾燥などによつて実施でき
る。しかしながら、好ましい方法は、過ケーキ
に水を加えて、ポンプ輸送できるスラリを形成
し、そして噴霧乾燥またはフラツシユ乾燥のよう
な方法によつて水を急速に除去することからな
る。これらの場合において、ポンプ輸送可能スラ
リーは約15〜約20重量%の固形分を含有する。ス
ラリーをノズルから微細滴として乾燥室中に放出
する。滴は熱い乾燥ガスと接触する。たとえば、
噴霧乾燥器において、乾燥ガスの入口温度は約
800〜約700〓(約427〜約371℃)である。スラリ
ーの添加速度を調節して、出口温度を約250〓
(121℃)以上であるが、約400〓(204℃)以下に
し、好ましくは約300〜約350〓(約149〜約177
℃)に維持する。これらの条件の使用により、ア
ルミナの結晶の性質を破壊しないで水を部分的に
除去できる。 乾燥ガスが使用する燃料の燃焼生成物である場
合、これらのガスは実質的濃度の二酸化炭素を含
有する。二酸化炭素はアルカリ性スラリーと接触
すると吸収され、表面上で多分化学的に反応する
であろう。このような場合において、最終生成物
は、不純物として少量の二酸化炭素を含有するで
あろう。この二酸化炭素は、引き続く工程のほと
んどにおいて主要な問題とならない。しかしなが
ら、必要ならば、ポンプ輸送可能スラリーを微量
の酸でPH約7以下にあらかじめ酸性化することに
よつて、二酸化炭素の吸収を減少できる。この工
程において好ましい酸は、熱分解可能な有機酸、
たとえば酢酸およびギ酸である。鉱酸は後の工程
でこの方法に影響を与える不純物を固定すること
があり、あるいは硝酸の場合において、望ましく
ない公害源となるであろう。 噴霧乾燥中、沈殿のゲル分の一部分は結晶化し
て、使用する特定の条件に依存してベーマイト−
擬ベーマイト中間体となるであろう。噴霧乾燥し
た生成物は完全には乾燥せず、ある比率で水を含
有する。一般に、噴霧乾燥した生成物は、少なく
とも18重量%の水を含有し、約33重量%までの水
を含有しうる。好ましくは、水分の範囲は約20〜
約28重量%であろう。 ここで使用するアルミナとは、Al2O3、水和
水、会合水などを含有するアルミナ物質を意味す
る。アルミナの乾燥の程度はその中のAl2O3の重
量%で表わすことができる。1200℃で3時間の乾
燥は100%のAl2O3を生成すると考えられる。 アルミン酸ナトリウムと硫酸アルミニウムとの
制御された反応によつて生成した部分的に乾燥し
た含水アルミナは、ベーマイトと擬ベーマイトの
間の中間体である。アルミナのこの形態は、結晶
構造内に吸蔵された余分の水分子をもつα−アル
ミナ一水和物であり、式Al2O3・xH2Oをもち、
ここでxは1より大きく、2より小さい値であ
る。生成物のベーマイト−擬ベーマイトの性質
は、その結晶構造、結晶化度および個々の結晶の
平均大きさを含めて、X線回折技術によつて測定
できる。 擬ベーマイトは、Papee、Tertianおよび
Biais、“Recherches sur la Constitution des
Gels et des Hydrates Cristallises
d'Alumine”、Bulletin de la Societe Chimique
de France1958刊、1301〜1310ページに論議され
ている。 ベーマイトは多年にわたつて知られよく定義さ
れた鉱物であり、その結晶的性質とX線回折図形
は、材料を試験するためのアメリカンソサイアテ
イのX線回折インデツクスのカードNo.5−0190に
記載されている。 本発明の生成物を特徴づける他の性質は、次の
とおりである:アルカリ性条件下の熟成中のその
挙動;種々のPHにおける硫酸イオンのような陰イ
オンを化学吸着するその能力;きびしい熱処理後
のその結晶の性質および安定性;その表面積、孔
体積および孔大きさの分布の高温安定性。 前記性質のすべては、生成物中の結晶質および
非晶質のゲル成分の独特の釣合いとそのきわめて
すぐれた全体の化学的性質から由来する。 結晶度の測定に使用するX線回折技術は、次の
とおりである:研究生成物のX線回折図形を市販
されているいくつかのX線回折単位装置、たとえ
ばノレルコ(Norelco)X線回折計のいずれかを
用いて測定する。回折ピークの位置と強度を与え
るパターンが得られる。このパターンをベーマイ
トに与えられたASTMカードNo.5−0190に与え
られたデータと比較する。回折ピークのすべての
合致は、生成物がベーマイトであることを示す。
しかしながら、〔020〕ピークが6.6〜6.7Åに移動
し一方他のピークが本質的に未変化である場合、
これは擬ベーマイトの存在を示す。生成物の性質
は〔020〕d間隔の正確な位置を測定することに
よつてさらに定めることができる。6.2〜6.5Åの
中間の値は中間の性質の物質の存在を示す。
〔020〕ピークをさらに使用して物質の結晶化度を
測定できる。この回折ピークの下の面積を面積計
で測定し、そしてX線回折計における同一条件下
の参照試料実験の対応するピークの下の面積と比
較する。参照試料は、高比率のベーマイトを含有
することが知られ、「100%ベーマイト」と規定さ
れた生成物から選ぶ。これらの面積の比は研究試
料の結晶化度の相対測度を与える。 最後に、結晶の性質は〔020〕回折ピークの幅
を測定することによつてさらに詳細に検討でき
る。数学的相関関係は、他のものから誘導され、
文献に記載されており、これを用いると平均結晶
大きさ(Å)を最大ピークの中央で測定したピー
ク幅の関数として計算できる。 特定の回折ピークに対して、平均結晶大きさは
その最大強度の半分のピークの幅に逆比例する。
相対的測定は〔020〕回折ピークの最大強度の半
分における幅を単に測定することによつてなすこ
とができる。幅の大きい値は小さな結晶大きさに
相当し、一方幅の小さな値は大きい結晶大きさに
相当する。たとえば、α−アルミナ三水和物のよ
く定められた大きい結晶の脱水によつて得られた
100%結晶のα−アルミナ一水和物は非常に背の
高い、狭いピークを与える。この物質において、
〔020〕反射は6.1Åで起こり、このことは生成物
が擬ベーマイトではなくベーマイトであることを
示し、そして半分の最大強度における幅はわずか
に約0.2Åであり、このことは大きい結晶の存在
を示す。 これと対照的に、微結晶質擬ベーマイトは6.6
〜6.7Åの範囲の値における〔020〕ピークを示
す。これらの物質は約2Å以上の半分の最大強度
における値をもつ非常に広いピークを示す。換言
すると、これらの物質は100%結晶α−アルミナ
一水和物よりも大きさがほぼ1桁小さい結晶大き
さを示す。 ベーマイトの結晶の大きさは200Åの程度であ
るが、擬ベーマイトの結晶の大きさは20Åの程度
である。 本発明の生成物はベーマイトの構造および擬ベ
ーマイトの構造の中間の構造を示し、約6.2〜約
6.5Å、好ましくは約6.3〜約6.4Åの〔020〕d間
隔によつて特徴づけられる。〔020〕ピークの半分
の最大強度の幅は、約1.65〜約1.85Å、好ましく
は約1.75〜約1.80Åである。このことは小さい結
晶大きさ、すなわちベーマイトのマクロサイズよ
りも擬ベーマイトのミクロサイズに近い結晶大き
さを示す。 相対結晶化度で表わすと、本発明の方法の生成
物は結晶形で存在するAl2O3が全量の約70〜約85
重量%であり、アルミナの残部は非晶質の形態に
ある本発明のベーマイト−擬ベーマイト生成物
は、高い結晶純度、小さな結晶大きさ−すなわ
ち、微結晶性および比較的に高い相対結晶化度に
よつて特徴づけられる。これらの面において、生
成物は結晶物質対非晶質ゲルの高い比を与える条
件のもとで製造されるという事実のおかげで独特
なものである。これは、生成物中の非晶質ゲルの
部分が非常に高いかまたはベーマイトにおけるよ
うに本質的に存在しないということにおいて、先
行技術の物質と対照的である。本発明の物質の結
晶性および結晶の大きさの中間的性質は、きわめ
てすぐれかつ予期されない性質の触媒支持体の製
造のための出発粉末としてその応用において、本
発明の物質を独特なものとする。 本発明の生成物中の結晶物質と非晶物質との間
の釣合いの性質は、次の試験によつてさらに特徴
づけられる: Γゲル成分の望ましくない結晶相、たとえばバイ
エライト(bayerite)、および Γ異なるPHにおける陰イオンの表面の化学吸着。 非晶質含水アルミナは結晶化する傾向がある。
得られる特定の結晶相は、結晶化中のアルミナの
まわりの環境の性質に依存する。ベーマイトまた
は擬ベーマイトからなりかつ高比率のゲル成分を
含有する物質は、アルカリ性水性環境中で高温に
長時間暴露すると、結晶化してベータ三水和物
(バイエライト)となる。対照的に、ゲル成分を
ほとんどまたはまつたく含有しない物質は、アル
カリ性熟成の同様な条件下でバイエライト結晶相
を発現しないであろう。たとえば、低温で製造
し、高比率のゲルを内部分散して含む擬ベーマイ
トから主としてなるアルミナは、高いPH、たとえ
ばPH10の水酸化ナトリウム水溶液中で約120〓
(49℃)で少なくとも約18時間熟成すると、バイ
エライトを発現し、一方他のものは本質的に未変
化でその結晶の性質を維持する。このことは、バ
イエライトの生成は擬ベーマイトの犠牲またはそ
の消失によるものではなく、バイエライトは非晶
質アルミナゲルから生成することを示す。対照的
に、同じ条件で処理した本発明の生成物はバイエ
ライトの存在はなんら示さないであろう。これ
は、本発明の物質中のゲルの量が非常に少ないか
そうでなければゲルがいつそう安定であることを
示す。 陰イオンの化学吸収試験は、研究すべきアルミ
ナ粉末の脱イオン水とのスラリーを調製し、そし
てこのスラリーをアルミナが不溶性であるPH範囲
にわたつて既知のモル濃度の希硫酸で電位差滴定
することからなる。この滴定はゆつくり行つて、
酸がアルミナ生成物の構造中に拡散するに十分な
時間が存在するようにする。約9〜約4の問題の
PH範囲にわたつて、アルミナは不溶性であるの
で、硫酸を用いる滴定は、一定PHにおいてアルミ
ナ表面上に固定または化学吸着される硫酸塩の測
度と見なされる。異なるアルミナに対して、共通
の出発点から特定のPHに到達するのに要する酸の
量は、水性媒体へ暴露されたアルミナ界面の程度
の間接的測度である。非常に高い結晶化度と非常
に大きい結晶大きさを示す物質は小さな界面の面
積をもち、結局PHを一定に変化させるのに要する
酸の量は少ない。対照的に、ゲル含量が非常に高
い物質は大きい界面の面積を示し、結局同じPH変
化を行うのに要する酸の量は多い。中間の結晶/
ゲル性質をもつ生成物は、同じPH変化を行うのに
要する酸の量は中間の量である。 たとえば、非常によく定められた大きい結晶か
らなる100%結晶のα−アルミナ一水和物は、PH
を約8.3の初期値から約4.0の最終値に変化するた
めに、アルミナ1モル当りわずかに約53ミリ当量
の硫酸を必要とする。対照的に、低温で製造さ
れ、擬ベーマイトの性質、結晶化度の百分率およ
び結晶大きさが、低度の結晶化度と高いゲル含量
を示すアルミナは、同じPH変化を行うのにアルミ
ナ1モル当り約219ミリ当量の硫酸を必要とする。 本発明の組成物は前記PH変化を行うための硫酸
の要求量が中間であることによつて特徴づけられ
る。アルミナ1モル当り約130〜約180ミリ当量、
好ましくは約140〜約160ミリ当量の硫酸は本発明
の組成物のスラリーのPHを約8.3から約4.0に変化
するであろう。 自動車の排気触媒の適当な支持体の製造におけ
る本発明のアルミナ粉末生成物の応用は、材料が
高温においてその構造的性質のすぐれた安定性を
示すことを必要とする。たとえば、使用中触媒が
直面するものを模擬するきびしい熱処理後、測定
したその孔体積および表面積は高くかつ安定にと
どまるべきである。これらの高温性質は初期材料
の純度およびその構造的特徴ならびに熱処理後の
生成物の結晶の性質に高度に依存する。 本発明の材料は、加熱すると、その水和水およ
び他の会合もしくは結合水を徐々に失なう。この
脱水は結晶構造をγ−アルミナに転移させる。さ
らに高い温度に加熱すると、γ−アルミナをδ−
アルミナに、最後にはθ−アルミナに変化させる
であろう。これらのアルミナのすべては大きい表
面積と孔体積の遷移アルミナである。さらにいつ
そう高い温度に加熱すると、α−アルミナもしく
はコランダムを生成し、これは遷移アルミナでは
なく、非常に小さい表面積と孔体積を示す。最終
のα−アルミナへの転移は非常に強いので、その
生成は著しい孔体積と表面積の減少を伴う。すぐ
れた自動車排気触媒の担体に変えることができる
すぐれたアルミナ粉末は、熱的に安定であり、適
度の高温、たとえば1800〜1900〓(982〜1038℃)
においてα−アルミナへの転移を示さない。一般
に、ゲル含量が高いアルミナは比較的適度な温
度、たとえば1800〜1900〓(982〜1038℃)にお
いて焼結してα−アルミナになる傾向をもつ。低
温で製造し、この明細書中に記載したいくつかの
試験で測定して高いゲル含量をもつ物質は、たと
えば1850〓(1010℃)に1時間加熱すると、望ま
しくないα−アルミナの外観を示すであろう。 対照的に、ほんの少量の非晶質ゲルを含有する
本発明の生成物は、同一の熱処理において、安定
にとどまり、α−アルミナを示さないであろう。
本発明の組成物は、約1850〓(1010℃)に約1時
間加熱後、θ−アルミナ、γ−アルミナおよびδ
−アルミナのX線回折図形をもつ。さらに、本発
明の生成物は、それらの温度において、非常に実
質的な表面積と孔体積を保持し、それらはきびし
い熱処理中長期間にわたつてさえ安定にとどまる
であろう。 本発明の生成物は、約1850〓(1010℃)におい
て約1時間の熱処理後、約100〜約150m2/g、い
つそうふつうには約110〜約140m2/gのBET窒
素表面積を示すであろう。また、それは約0.60〜
約0.75cm3/g、最もふつうには約0.64〜約0.72
cm3/gの窒素孔体積を示すであろう。 さらに、この熱処理した材料の孔構造は、窒素
の孔大きさ分布法で測定して高比率の微孔度を示
さないであろう。典型的には、本発明の生成物は
約80Åの大きさ以下、いつそうふつうには100Å
以下の窒素の孔体積を示さないであろう。 発明の詳細な説明および特許請求の範囲を通じ
て、「窒素の孔体積」とは、S.Brunauer、P.
Emmett、およびE.Teller、J.Am.Chem.Soc.、
Vol.60、309ページ(1938)に記載されている技
術によつて測定した孔体積を呼ぶ。この方法は窒
素の孔中への凝縮に依存し、そして孔直径が10〜
600Åの範囲の孔の測定に有効である。 発明の詳細な説明と特許請求の範囲を通じて、
表面積とは、前記のBrunauer、Emmettおよび
Tellerの文献にまた記載されている方法によつて
測定した窒素BET表面積である。吸収された窒
素の体積を担体の単位重量当りの表面積に関係づ
ける。 アルミナからの造形担体の形成 本発明によつて製造されたような適当な結晶特
性をもつ乾燥アルミナ粉末または洗浄アルミナ
過ケーキは、油滴形成法の供給物の調製に好適に
使用される。しかしながら、後述するような他の
適当な出発アルミナ組成物を球状アルミナ粒子の
形成に使用することもできる。アルミナおよび酸
性水性媒体、たとえば酸または酸性塩の水溶液を
いつしよにしてスラリーを形成する。好ましくは
一塩基鉱酸の水溶液を水およびアルミナと混合し
てスラリーを形成する。一塩基酸を使用すると、
所望粘度の均質な塑性スラリーが形成する。塩化
水素酸と他の強い一塩基酸を使用し、担体を洗浄
してこれらの電解質を除去できる。硝酸アルミニ
ウムを使用できる。硝酸はこの方法において後に
加熱によつて分解し、球から除去でき、その結果
球の洗浄は不必要であるので、好ましい。後の段
階で有毒放出物として生成する窒素酸化物を最小
とするため、分解可能一塩基有機酸、たとえば酢
酸(以後、記号でCH3COOHとして表わす)、ギ
酸、またはそれらの混合物で、硝酸の主要部分を
置換することが好ましく、たとえば、約0.5〜5
のモル比の有機酸と硝酸との混合物を使用でき
る。 球状生成物のかさ密度と圧縮強さは供給物の組
成に依存する。供給物のアルミナおよび/または
酸含量を増加すると、これらの物理的性質は増加
する。アルミナおよび/または酸の濃度が高過ぎ
ると、球は乾燥時にひび割れし、そして濃度が低
過ぎると、弱い粉末状の球が生ずる。供給物の製
造に使用するアルミナのゲル含量のため、塑性ス
ラリーを形成するためには少量の酸で十分であ
る。スラリーは約1〜約12重量%の一塩基酸また
はその混合物を含有でき、そしてスラリーは一般
に約10〜約40、好ましくは約24〜約32重量%のア
ルミナを含有し、約0.05〜約0.50の酸対アルミナ
のモル比をもつ。水の量はこれらの酸およびアル
ミナの含量をもつスラリーを生ずるのに十分な量
である。この系を1モルのアルミナに関して標準
化すると、無機酸のモル比は0.5〜0.03の間で変
化し、好ましくは0.06であり、そして有機酸のモ
ル比は約5〜約50、好ましくは約10〜約20である
ことができる。ことに好ましいスラリーは、モル
組成が、 (Al2O31.00(CH3COOH)0.12(HNO30.06
(H2O)14.0±1.5である。 スラリーは単一のアルミナ組成物またはアルミ
ナ組成物の配合物から調製できる。配合物は、配
合物の個々の成分のいくつかの特定の性質を利用
するために使用する。たとえば、アルミナのフイ
ルターケーキは、噴霧乾燥前、酢酸で約PH6.0に
酸性化して二酸化炭素の吸収を減少できる。粉末
中の高い炭酸塩含量は乾燥時に割れる球を生ずる
ことがある。したがつて、この低い炭酸塩のアル
ミナの20部を未処理の乾燥粉末の80部といつしよ
にして、許容しうる炭酸塩レベルの配合物を形成
できる。好ましくは、アルミナ粉末と酸性水性媒
体を段階的にこの粉末を少しずつこの媒体に加え
ることによつて混合してアルミナを酸性化し、噴
霧乾燥したアルミナ粉末中に存在することがある
CO2のレベルを減少する。たとえば、生成物の一
定のバツチに要するアルミナの80%を、所望量の
酸を含有する水に混入できる。一定期間の混合
後、残部20%の粉末をこのバツチに加える。さら
に、全アルミナの約15%までの量の再循環したカ
焼した生成物の微粉を加えることができる。これ
は生成物の収縮する傾向を約2〜約3容量%に減
少する。また、それはスクラツプ生成物、たとえ
ば微粉などを再循環できるということにおいて、
この方法をいつそう経済的にする。 スラリーのかきまぜおよび熟成は、低い収縮度
の球を作ることができる滴の適切な形成を許す粘
度をもつ均一な材料を与える。スラリーのかきま
ぜは、簡単な手によるかきまぜながら高せん断混
合にいたる範囲の種々の手段によつて、達成でき
る。スラリーの熟成は数分から数日までであるこ
とができる。熟成時間は、混合の間のエネルギー
入力に逆比例する。したがつて、アルミナ粉末
は、手により、酸および水の混合物中に10分間か
きまぜて混入し、一夜熟成して滴の形成に適切な
コンシステンシーにすることができる。たとえ
ば、約10ポンド(4.5Kg)の粉末を用いる特別の
好ましい方法において、粉末の60%を酸および水
の全部と混合し、3インチ(7.6cm)の羽根が約
3500rpmで回転する0.5馬力のコウレス(Cowles)
溶解器で約2〜約30分間、好ましくは約15〜約20
分間はげしく配合する。次に、粉末の残りの40%
を加え、約5〜約60分間、好ましくは約30〜40分
間かきまぜるとよい。かきまぜた後、スラリーを
約1〜約5時間かきまぜて適切なコンシステンシ
ーとする。混合中、PHは上昇し、最終のPHは一般
に約4.0〜約4.8、好ましくは約4.3〜約4.4とする。
スラリーの粘度は、好ましい配合技術の直後、約
60〜約300センチポアズ(cps)の間で変化でき
る。最適の滴の形成に対しては、約200〜約
1600cps、好ましくは約800〜約1200cpsのスラリ
ー粘度が望ましい。2000cps程度に高い粘度を使
用できるが、スラリーはポンプ輸送が困難であ
る。 プラントにおける実際の運転条件のもとで、ス
ラリーはさらに処理する前に長時間待たなければ
ならないことがある。これらの条件下で、系の粘
度は輸送可能範囲を越えることがある。このよう
な増粘化したスラリーは廃棄する必要はない。そ
れは次の2つの操作のいずれかに従つてなお使用
できる: 粘稠なスラリーを調節量の水で希釈し、短時間
強くかきまぜることができる。これにより粘度の
鋭い減少が起こり、系はポンプ輸送範囲となるで
あろう。 粘稠なスラリーを、約60〜約300cpsの低い粘度
を示す新らしく調製したスラリーと混合できる。 生ずる混合物はポンプ輸送可能範囲の粘度をも
つ。 これらの対応策は仕上げ生成物の性質および継
続処理工程に悪影響を与えることなく実施でき
る。 発明の詳細な説明、実施例および特許請求の範
囲において記載されるスラリーの粘度は、ブルツ
クフイールド粘度計で測定した粘度である。 球状(spheroidal)粒子は有機相および水相中
のゲル化によつて形成する。熟成したスラリーの
滴はカラムの上の空気中で形成し、カラムは水不
混和性液体およびアンモニアの上部本体と水性ア
ルカリ性凝固剤の下部本体とを含有する。滴は上
相を通過する間に球形となり、次いで下相中で凝
固して固い球状粒子となる。上相中のアンモニア
は滴の外側層を十分にゲル化して、球形は滴が液
体界面を横切り、下相にはいるとき保持されう
る。相間の過度の界面張力は、滴を有機相中に保
持させ、滴を変形させることがある。このような
場合において、少量、たとえば上部本体の約0.05
〜約0.5容量%、好ましくは0.1〜約0.2容量%の界
面活性剤を界面に存在させると、球は界面を容易
に貫通できる。リクイノツクス(Liquinox )、
Alconox、Inc.、New York、N.Y.販売の洗浄剤
および他のこのような界面活性剤を使用できる。 水不混和性液体は水より低い比重、好ましくは
約0.95より低い比重をもち、たとえば鉱油類また
はそれらの混合物のいずれであることもできる。
有機液体は、適切な球の形成を妨害するように急
速に滴を落下させてはならない。さらに、それは
粒子を保持しかつ変形しうる高い界面張力を示す
べきではない。適当な鉱油の例は、ケロシン、ト
ルエン、重質ナフサ、軽質ガス油、パラフイン
油、および他の潤滑油、コールタール油などであ
る。ケロシンは安価であり、商業的に入手容易で
あり、非毒性であり、そして比較的高い引火点を
もつので、好ましい。 有機液体は少量の無水アンモニアガスを溶かす
ことができるべきであり、あるいは溶解アンモニ
アを含有する水の微量を含有する懸濁液を形成で
きるべきである。この方法の必須の要件は、落下
する滴の外層を部分的に中和しかつゲル化できる
ように、十分であるが少量の塩基、好ましくはア
ンモニアを有機相が含有するということである。
アンモニアの有機液中への導入速度は、落下の短
かい時間中にかたい粒子が形成する作業濃度に到
達するに十分であるべきである。しかしながら、
アンモニアの濃度は、スラリー滴が有機液体へは
いるとき、この滴の本質的に瞬間的なゲル化を生
じさせるほど高くあつてはならない。これらの条
件下で、滴はそれを球状化するための表面張力を
持つのに十分な時間をもたないので、ゲル化して
できそこないの粒子となるであろう。さらに、有
機液体の上部領域中のアンモニアの濃度が高い
と、アンモニアガスはノズルが位置する空気ポケ
ツト中に蒸発するであろう。この領域の過度のア
ンモニア濃度は、滴がノズルから分離される前に
滴を早期にゲル化させうる。アンモニアはすぐれ
た球を形成し、便利な溶解性を示し、そして有機
液体の下部へ都合よく導入できるので、好ましい
凝固剤である。好ましい態様において、有機液体
をアンモニア添加器と呼ばれる別の装置中で無水
アンモニアガスと接触させ、カラムに循環させ
る。このような場合において、アンモニア添加器
からの有機液体をカラム中の有機相の下部に導入
し、そしてこの有機液体はカラム中を上向きに流
れて、落下する滴と向流を形成する。有機液体は
カラムの頂部で抜き出され、アンモニア添加器へ
もどりアンモニアを補充される。 定常状態の条件のもとで、アンモニア濃度のこ
う配はカラムの有機相内で発現する。このこう配
は、落下する酸性アルミナスラリーの滴と有機相
により運ばれる上昇するアンモニアとの反応によ
つて生ずる。カラムの上部中のアンモニア濃度は
低いため、滴は下降するとき球形となるのに十分
な時間をもち、その後徐々にゲル化する。有機液
体中のアンモニア濃度は、塩酸でブロムチモール
青の終点まで滴定することによつて測定でき、約
0.01〜約1.0重量%、好ましくは約0.04〜約0.07重
量%に維持できる。濃度が低いと一般に平らな球
が生じ、そして濃度が高いと尾の形成のような変
形が起こる。 カラムの長さは広く変えることができ、通常約
3〜20フイート(0.91〜6.10m)の高さであろ
う。有機相は一般にカラムの長さの約1/3〜約2/3
であり、そして凝固相は残部であることができ
る。 水性媒体は、ゲル化を誘発し、適切な比重、す
なわちスラリー滴より低い比重をもついかなる物
質を含有することもできる。これにより球は水性
媒体を通過できる。アルカリ、たとえば水酸化ナ
トリウム、炭酸ナトリウムまたはアンモニアの水
溶液を凝固媒体として使用できる。好ましい媒体
はアンモニアの水溶液である。なぜならアンモニ
アとその中和生成物は後の処理工程において球と
分離容易であるからである。洗浄はナトリウム残
留物を除去するであろうから、アンモニウム残留
物を除去する必要はない。水相中のアンモニア濃
度は約0.5〜28.4重量%、好ましくは約1.0〜約4.0
重量%であることができる。長期間の使用の間、
硝酸アンモニウムと酢酸アンモニウムは生成し、
水相中に定常状態のレベルに蓄積することがあ
る。球のゲル化中生ずる中和反応の生成物が存在
する。生成物の定常状態の濃度はアルミナスラリ
ー供給物中の酸濃度に依存するであろう。本方法
の開発において、酢酸アンモニウムと硝酸アンモ
ニウムを水性アンモニア相に加えて、これらの塩
の究極の定常状態の値の効果を模擬した。好まし
いスラリーの組成に対して、使用する濃度は典型
的にはそれぞれ約1.3重量%および約0.8重量%で
あつた。 連続な操作において、アンモニアはまた水相に
絶えず加えて球のゲル化に使用したものと置換し
なければならない。好ましい態様において、水相
はカラムとアンモニア添加槽との間を循環させ
る。また、この槽は球が収集容器を満たすにつれ
て、カラムから置換されたアンモニア水溶液を取
り入れるバツチ収集システムをもつ溜めとしても
役立つ。水相をカラムから抜き出して、一定の界
面レベルを維持する。連続な球の取り出しシステ
ムにおいて、水相のアンモニア添加器の溜めの特
徴は不必要である。収集システムのいずれのタイ
プを使用することもできる。 カラムの横断面積は使用するノズルの数に依存
する。1つのノズルに対して、直径1インチ
(2.54cm)のカラムは約5cm2の横断面積を与え、
これは凝固しない滴のカラム壁への衝突および粘
着とカラム壁の汚染を防止するのに十分である。
直径4インチ(10.2cm)のカラムは約16〜20本の
ノズルまでのために十分な横断面積を与え、滴は
独立に互にまたは壁と接触することなくカラム中
を通過できる。 適当なカラムの1つの態様において、熟成した
スラリーを加圧した多数のオリフイスの供給物分
配置へポンプで送入する。この分配器は油カラム
の頂部に位置し、有機液体の上約0.5インチ(約
1.3インチ)に位置する多数のノズルを含有する。
供給物分配器の圧力はスラリーの粘度に依存す
る。約0.1〜約15psi(約0.007〜1.054Kg/cm2)ゲー
ジの圧力を通常使用する。供給物分配器の圧力は
滴の形成速度を調整する。滴の形成速度は約10〜
約250個の滴/分、好ましくは約140〜約180個の
滴/分の間で変化する。約1.5〜約2.5psi(0.105〜
0.176Kg/cm2)の分配器の圧力は、スラリー粘度
が約800〜約1200cpsであるとき、所望の滴の速度
を与える。使用するノズルの直径を変えて所望の
大きさの粒子を形成できる。たとえば、内径0.11
インチ(0.28cm)のノズルは、直径が約1/8イン
チ(0.32cm)の球を生成するであろう。好ましく
は、空気流をノズルのまわりに発生させて、アン
モニア蒸気が滴を早期にゲル化するのを防止でき
る。スラリーの滴は空気中でノズルの先端におい
て形成され、空気中を落下して水不混和性液体の
本体中に入る。スラリーの滴が水不混和性液体と
初め接触するとき、滴は通常レンズ形である。滴
がアンモニア処理した有機液体中を落下すると
き、滴は徐々に球状粒子となり、粒子は凝固用ア
ンモニアによりこの形に固定され、下の水性アン
モニア相でさらに固化される。 次に粒子は約0.5〜28.4重量%、好ましくはカ
ラムと同じ濃度の水性アンモニア中で熟成され
る。粒子はさらにかたさを発現するので、引き続
く移送および処理工程中変形しない。一般に、粒
子は約30分〜約48時間、好ましくは約1〜3時間
熟成される。 次に粒子を、水を切つて、乾燥する。約210〜
約400〓(約98.9〜約204℃)に約2〜4時間強制
送風乾燥することが有利であるが、他の乾燥法を
用いることもできる。好ましい乾燥法において、
乾燥は温度を徐々にかつ均一に約300〓(149℃)
に上昇させるようにプログラミングすることによ
つて3時間行うことができる。使用する空気の量
は湿つた球中に含有されるAl2O31ポンド(0.454
Kg)当り約400〜600標準立方フイート(11.3〜
17.0m3)の間で通常変化できる。ある環境におい
て、空気の一部分は再循環して乾燥媒体の湿度を
制御できる。球は通常保持用有孔表面またはスク
リーン上に1〜6インチ(2.5〜15.2cm)、好まし
くは2〜4インチ(5.1〜10.2cm)の厚さに広げ
られる。乾燥中収縮が通常起こるが、球はそれら
の形及び一体性を保持する。 出発原料の調製の規定条件からはずれると、得
られた生成物に有意の変化がしばしば起こる。粉
末粒度、結晶化度、不純物のレベルが過度である
と、乾燥中割れおよび破壊が起こることがある。
一方、粉末、または擬ベーマイト中のゲルのレベ
ルが過度であると、乾燥中過度の収縮および濃密
化が起こり、これもまた割れを導びく。本発明製
品以外の球の形成に適当なアルミナ組成物は、一
般にベーマイトまたは擬ベーマイト結晶構造、好
ましくは微結晶構造、0.4〜0.6cm3/gの窒素孔体
積、50m2/g以上の表面積をもち、非晶質ゲルを
含有するであろう。 次に乾燥球状生成物を高温において処理して結
晶性アルミナ水和物と非晶質ゲル成分を遷移アル
ミナに変える。これは熱ガスと生成物を接触させ
ることによりバツチ式または連続的カ焼法によつ
て行うことができ、熱ガスは直接加熱ガスまたは
通常の燃料と空気との燃焼ガスであることができ
る。用いる特定の方法と無関係に、生成物を所望
する特定の遷移アルミナに依存する特定の温度範
囲でカ焼する。 たとえば、ガンマ型アルミナを得るためには、
生成物は約1000〜約1500〓(約538〜約816℃)の
温度において好都合にカ焼できる。高温安定性と
同時に高い表面積および高い多孔度を保持する用
途については、目標材料はθ−アルミナであるこ
とができる。主としてθ−アルミナ生成物は、約
1750〜約1950〓(約954〜1066℃)、好ましくは約
1800〜約1900〓(約982〜約1038℃)において、
約30分〜約3時間、好ましくは約1〜約2時間の
間カ焼することによつて得ることができる。自動
車排気触媒用には、高温処理工程はしばしば安定
化と呼ばれる。 球状アルミナ粒子からなりかつ安定化後得られ
る触媒担体は、次の範囲の性質をもつ: 性 質 概算一般的範囲 表面積(m2/g) 80−135 充てんかさ密度(ポンド/立方フイート)
20−36 全孔体積(cm3/g) 0.8−1.7 孔大きさ分布(cm3/g) 100Åより小 0−0.06 100−1000Å 0.5−1.0 1000−10000Å 0.1−0.4 10000Åより大 0−0.4 破壊強さ(ポンド−力) 5−15 体積収縮(%) 0−6 摩耗損失(%) 0−5 メツシユサイズ −4+10 しかしながら、好ましい出発原料を好ましい製
造条件のもとで使用するとき、性質の範囲は次の
ようになる: 性 質 典型的範囲 表面積(m2/g) 90−120 充てんかさ密度(ポンド/立方フイート)26−32 全孔体積(cm3/g) 0.9−1.2 孔大きさ分布(cm3/g) 100Åより小 0−0.04 100−1000Å 0.6−0.9 1000−10000Å 0.2−0.3 10000Åより大 0−0.3 破壊強さ(ポンド−力) 7−12 体積収縮率(%) 2−4 摩耗損失(%) 0−2 メツシユサイズ −5+7 表面積は窒素BET表面積であり、そして他の
上に特定した性質は次の方法によつて測定した。
これらの方法は仕上げ触媒にも応用できる。 充てんかさ密度 一定重量の活性化された球をメスシリンダー中
に入れ、目盛られた容積内に含有される。ここで
使用する「活性化された」という語は、試験前、
強制通風炉内で320〓(160℃)において16時間処
理することを意味する。この活性化はすべての材
料が同じ条件下で試験されることを確保する。次
に、メスシリンダーを、すべての沈降が止んでし
まいかつ一定体積が得られるまで、振とうする。
次に、単位体積を占める試料の重量を計算する。 全比孔体積 一定重量の活性化された球を、小型容器(たと
えば、バイアル)に入れる。水を満たしたマイク
ロピペツトを使用し、該試料を水ですべての孔が
満たされるまで滴定し、そして滴定の終点は表面
の初期のぬれにおいて起こる。これらの測定値は
次の等式から計算した全多孔度と一致する: p=f/D−1/ρ p=全比多孔度(cm3/g) f=体積充てん分率(球に対して典型的には0.64
±0.04) D=充てんかさ密度(g/cm3) ρ=骨格アルミナの結晶密度(g/cm3)(遷移ア
ルミナに対して典型的には3.0〜3.3g/cm3) 水銀孔大きさ分布 活性化した球状粒子内の孔の大きさ分布は、水
銀多孔度測定法によつて測定した。水銀侵入技術
は、一定の孔が小さければ小さいほど水銀を孔中
に強制的に押し込むのに要する水銀圧が大きくな
るという原理に基づく。すなわち、活性化試料を
水銀に暴露し、圧力を増分づつ加えて、各増分に
おける水銀の体積を読み取ると、孔の大きさの分
布を測定できる。圧力とその圧力において水銀が
通過する最小の孔との関係は、次式によつて与え
られる: γ=−2σCOSθ/P ここで γ=表面張力 θ=接触角 P=圧力 60000psi(4218Kg/cm2)ゲージまで圧力と140゜
の接触角を用いると、包含される孔直径の範囲は
35〜10000Åである。 平均破壊強さ 破壊強さは、フアイザー硬度試験機(Pfizer
Hardness Tester)TM141−33(Charles Pfizer
and Co.、Inc.630Flushing Avenue、Brooklyn、
New York)のような試験機の2つの平行な板
の間に球状粒子を置くことによつて測定する。板
を手でゆつくり接近させる。粒子を破壊するのに
要する力の量を、ポンドの力に補正されたダイヤ
ル上に記載する。十分な数(たとえば、50)の粒
子を破壊して、全体の数に対して満足すべき有意
の推定値を得る。個々の結果から平均値を計算す
る。 収 縮 一定量の粒子を、充てんかさ密度の測定におけ
るように、メスシリンダーに入れ、沈降がもはや
起こらなくなるまで、振とうする。次に、この試
料を1800〓(982℃)で24時間マツフル炉に入れ
る。この暴露の終りにおいて、沈降がもはや起こ
らなくなるまで振とう後、その体積を再び測定す
る。加熱後の体積損失を、もとの体積に基づいて
計算し、収縮百分率として報告する。 摩耗損失 整定体積(60c.c.)の処理すべき材料を、金属オ
リフイス入口へ接続された特別構造の倒立エルン
マイヤーフラスコに入れる。14メツシユの網で覆
つた大きい(1インチ)の出口を、フラスコの平
らな側面上に位置させる。高速乾燥窒素ガスを入
口オリフイスに通して、粒子を(1)互いに循環させ
て摩耗させ、そして(2)フラスコの頂部領域で粒子
同志で衝突させて、強さの関数として破壊する。
この材料を5分間処理し、残留粒子を秤量する。
試験後の初期供給物として表わした重量損失を、
摩耗損失として表わす。 窒素流は、材料の密度に依存して、約3.5〜4.0
立方フイート/分(約99〜113/分)の範囲で
あろう。流速はフラスコの頂部領域に粒子が衝突
するに十分でなくてはならない。摩耗によつて生
じた微粉は、窒素流によつてフラスコから運び出
されて、供給したもとの材料の重量損失を生じさ
せる。 本発明のアルミナおよび上記の球形成条件は、
高度に予期されないかつ独特の望ましい性質の組
み合わせをもつ球状アルミナ粒子を提供する。球
は約0.8〜約1.7cm3/gの範囲の全孔体積をもつ。
これは高い全孔体積であるが、それ自体において
例外的なものではない。この孔体積を例外的なも
のとするものは、この体積を構成する孔の分布お
よびこの体積の高温安定性である。大きい体積の
部分は微孔(>1000Å)から構成されている。孔
の残部のほとんどは100〜1000Åの範囲である。
非常に少ない数の微細孔(<100Å)が存在する。
このタイプの分布は触媒の活性と安定性に重要で
ある。不均質法において、触媒の活性は、反応成
分の触媒部位への拡散速度と反応生成物の触媒部
位からはなれる速度に依存する。したがつて、大
量の巨大孔を含む触媒中の反応は拡散の依存度が
少ない。しかしながら、巨大孔は試料の表面積の
ほんの少部分を占めるだけである。中間の大きさ
の孔は、触媒の活性に要する表面積を提供する。
この表面積は2つの成分、すなわち触媒的に活性
なクラスター自体によつて要求される成分とクラ
スターを分離して保持するために要求される成分
とをもつ。クラスターがいつしよに融着すると、
クラスターの触媒表面積、結局触媒活性は低大す
るであろう。微孔性はもちろん非常に大きい表面
積を与えるが、これはかならずしもすぐれた触媒
活性を与えるとはかぎらない。反応成分および/
または生成物の拡散は速度制御因子であることが
ある。微孔は触媒使用中起こる焼結により、ある
いは触媒毒、たとえば自動車排気システム中の鉛
化合物の付着により閉じられることがある。いず
れの場合においても、閉じた微孔中の触媒の活性
は失なわれるであろう。 生成物の球の表面積は高いが、異常に高くはな
い。表面積は1000〓(538℃)に加熱した球に対
して約350m2/g〜約500m2/gの範囲であり、そ
して1800〜1900〓(982〜1038℃)において熱的
に安定化した球について約80m2/g〜約135m2
gに低下する。しかしながら、重要なことは表面
積の大部分は中間の大きさの孔に関連し、微孔に
関連しない。 この好ましい多孔度分布およびその孔体積安定
性は、球を作るのに使用したアルミナ粉末におけ
る性質の独特の組み合わせの直接の結果である。
とくに、その純度および結晶物質対アルミナゲル
の高い比は微孔性を最小にすることにおいて助け
となる。 これらの性質はまた球の高い温度安定性の説明
の助けとなる。球は低い体積収縮、好ましくは約
4%以下の収縮を示す。球は遷移アルミナ構造を
保持する。α−アルミナは1950〓(1066℃)の温
度においてさえ検出されない。不純物は焼結助剤
として作用することはよく知られている。したが
つて、高い不純物レベルは収縮とα−アルミナの
形成を促進できる。高いゲル含量も高温における
α−アルミナの形成に導びく。高い微孔性は、微
孔が焼結中閉じられるので、高い体積収縮を生じ
うる。 球は低いかさ密度と比較的高い破壊強さとのふ
つうでない組み合わせをまたもつ。低いかさ密度
ははやいライトオフ(light off)、すなわち高い
初期活性について重要である。アルミナ組成物の
結晶は、低いかさ密度および高い破壊強さの両者
に寄与する因子である。 球が示す低い摩耗損失は球の形と強い構造の直
接の結果である。平滑な表面は、角および/また
はヘリを示す不規則な表面のように容易に摩耗し
ないであろう。また、ゲル化法は、ある種の機械
的ボーリング法から生ずる層状粒子よりもむしろ
凝集性の均一な粒子を生成する。機械的に形成し
た粒子は、摩耗中はがれることがある。 球形成方法の他の特徴は、球の大きさの密接な
制御である。一定のバツチにおいて、球の95%よ
り多くは1メツシユの大きさの範囲内、すなわち
−5+6または−5+7の範囲内に入るであろ
う。すなわち、球の95%は開口4mmのふるいを通
過するが、開口3.55mmのふるい上に保持される。
球の長軸または短軸における変動がわずかに
0.015インチ(0.38mm)である。すなわち、球の
大きさの調節された分布は適切なノズル大きさの
分布を用いることによつて得ることができる。こ
れは充てん触媒床を横切る差圧の調節を促進する
ことができ、この差圧は自動車排気触媒装置にお
ける重要な因子である。 球状生成物の性質は、全体としてみると、すぐ
れた触媒担体を作る独特の球を規定する。 そのような担体は、低い密度、高い巨大多孔
度、高い破壊強さ、高い温度収縮抵抗、すぐれた
摩耗抵抗ならびに調節された大きさおよび形によ
つて特徴づけられる。 担体を有する触媒の製造法 触媒的に有効量の少なくとも1種の触媒的に活
性な金属または金属化合物を含浸した球状アルミ
ナ担体からなる触媒は、多くの触媒システム、と
くに高温で運転するシステムにおいて高度に有効
である。アルミナ自体は触媒として活性であるこ
とが、通常適当な触媒物質で含浸され、活性化さ
れてその活性を促進される。触媒物質の選定、そ
の量、含浸法および活性化法は、触媒を使用する
反応の性質に依存する。好ましくは、触媒的に活
性な金属は、白金、パラジウム、ルテニウム、イ
リジウム、ロジウム、オスミウム、およびそれら
の組み合わせからなる白金族金属である。 アメリカ合衆国の州および連邦政府の法律、お
よび他の国の法律によつて要求される増大する厳
格な排気ガスの抑制に合致するのに必要な高度の
初期活性および持続活性を有するために、上記触
媒中の触媒剤は触媒粒子内の特定の位置に分布さ
れている。自動車排気触媒に典型的に使用される
触媒剤は、白金族金属である。これらの金属の高
い価格のため、大量を使用することは不経済であ
る。したがつて、これらの金属を最も効率よくか
つ最も上手な方法で位置させることが重要であ
る。適当な白金属族金属の例は、白金、パラジウ
ム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、および
オスミウムならびにそれらの組み合わせである。 自動車排気触媒における白金属族金属の使用
は、これらの金属の天然の産出量によつて束縛さ
れてきた。世界の供給量の大部分は南アフリカで
あり、主な金属は白金、パラジウムおよびロジウ
ムであり、それは68部の白金、27部のパラジウム
および5部のロジウムのおおよその比率で天然に
産出する。典型的には、自動車排気触媒の全貴金
属含量は、触媒の重量に基づいて、約0.005〜約
1.00重量%であるが、好ましくは約0.03〜0.30重
量%であり、この範囲は経済的であると同時に技
術的に可能である。もちろん、金属の最適な組み
合わせは、触媒に特定の性能の利点、たとえば一
般化炭素のいつそう急速な酸化およびすぐれた熱
安定性のための高いレベルのパラジウム、または
大きい触媒毒抵抗性および炭化水素の酸化のすぐ
れた耐久性のための多い量の白金、または窒素酸
化物の窒素への改良された転化のための高い濃度
のロジウムを付与する組み合わせである。球状ア
ルミナを担体として用いた触媒は白金属族金属の
1種のみを含有できるが、通常数種を含有する。
金属の比は広い範囲にわたつて変化できるが、好
ましくは触媒は白金とパラジウムをそれぞれ約5
部対約2部の重量比で、あるいは白金、パラジウ
ムおよびロジウムをそれぞれ約68部、27部および
5部の比で含有する。 種々の貴金属化合物がよく知られており、文献
に記載されている。使用する化合物のタイプは担
体の表面の性質および生ずるそれとの相互作用に
大きく依存する。たとえば、白金の陰イオンまた
は陽イオンを、それぞれH2PtCL6またはPt
(NH34(NO32を使用することによつて、導入で
きる。 使用する貴金属化合物の担体への導入は、貴金
属化合物が分解されて活性な形態(金属または金
属酸化物)にいつたんなつたとき、これが触媒粒
子中に高度に分散されかつ特定の位置に位置づけ
されるようにすべきである。本発明者の研究によ
れば、高度の初期活性のためには、金属のための
好ましい位置付けならびに1つの金属の他の金属
に関する好ましい分布が存在し、これは耐久性の
持続にことに重要であることがわかつた。位置づ
けと分散を調節する能力は、使用する貴金属化合
物に依存する。Graham et alへの米国特許
3932309に記載されている錯体はとくに有用であ
ることがわかつた。この方法において、触媒は担
体を亜硫酸塩処理した白金塩およびパラジウム塩
溶液で含浸することによつて製造される。これら
のスルフイト錯体は担体へ施こされると、高度の
分散度を与える。錯体の陽イオン形態、たとえば
NH4 +またはH+形態を変えることによつて、粒
子内の金属の含浸深さを変えることができる。 本発明者の研究によれば、高い初期活性、さら
に重要には、高い持続活性のためには、貴金属は
全貴金属表面積の約50%が約50ミクロンより深い
ように位置すべきであることがわかつた。貴金属
の特定位置づけに関して、貴金属の好ましい位置
づけは、活性金属の約50%が約75ミクロンより深
く位置するようなものであるべきであることがわ
かつた。貴金属表面積の測定は、酸素の水素滴定
によつて実施する。この定量を実施するための詳
細な方法は、D.E.MearsおよびR.C.Hansford、J.
of Catalysis、Vol.9、125〜134(1967)に記載さ
れている。元素分析はふつうの分析法を用いて実
施する。触媒粒子内の特定深さにおける表面積お
よび貴金属濃度を測定するためには、クロロホル
ム摩耗法と呼ばれる方法を用いる。この方法は、
摩耗すべき表面の量に依存する時間の特定長さの
間、ある重量の触媒を液体(クロロホルム)中で
かきまぜることからなる。摩耗した材料を摩耗さ
れなかつた残部から分離し、乾燥し、秤量する。
触媒粒子の初期寸法ならびに粒子の形状および重
量を知ることにより、除去された深さを測定でき
る。この摩耗材料をその貴金属表面積および貴金
属含量について分析する。これらのデータから、
貴金属表面積と貴金属含量を、触媒粒子中への深
さの関数として計算できる。 触媒の活性と耐久性の試験は、いくつかの方法
で最終的に試験した。ベンチ規模試験を、車上で
触媒が経験する冷時スタートを模擬する方法によ
つて実施する。いつたん触媒が加熱されると、あ
る時間後、触媒は本質的に定常状態に到達し、そ
の時効率は触媒の固有の活性に依存するレベルと
なる。ベンチ規模の試験において、13cm3の試料を
十分な全ガス流速においてガスと接触させて
38000/時のガス時間空間速度を達成する。模擬
した排気ガスはプロパンとして1700ppmの炭素、
4.5容量%の一酸化炭素を含有し、残部は窒素で
構成する。予熱ガスは、酸化性種を含有する場
合、触媒床を700〓(371℃)まで加熱するであろ
う。しかしながら、一酸化炭素と炭化水素の存在
のため、触媒床中の温度の上昇は発熱性酸化反応
のため加速される。この試験において、重要なパ
ラメータは、一酸化炭素および炭化水素の50%転
化率に到達する時間によつて測定されるライトオ
フの速度と、触媒が本質的に定常状態に到達した
とき生ずる一酸化炭素および炭化水素の転化効率
である。球状アルミナ担体を用いた触媒は非常に
短時間で50%の転化率に達し、そして炭化水素お
よび一酸化炭素の非常に高い転化率を有する。 変動する温度条件の現象とともに鉛、イオウ、
およびリンを含有する燃料添加剤へ暴露したとき
の触媒の耐久性を評価するため、触媒をパルス炎
燃焼器システムにおいて老化させる。このシステ
ムにおいて、ふつうの燃料中に見出される毒の前
駆物質のすべてをドープした燃料を燃焼させて、
触媒に対する毒、たとえば鉛、イオウおよびリン
の化合物の析出物を生じさせた。テトラメチル鉛
アンチノツクミツクス、トリメチルホスフアイト
およびチオフエンをドープしたヘキサンである燃
料は0.23g/ガロン(0.06g/)の鉛、0.02
g/ガロン(0.005g/)のリンおよび0.03重
量%のイオウの当量を含有する。燃料流は15ml/
時である。窒素と酸素をそれぞれ2000および500
標準cm3/分の量で混合する。追加の50標準cm3の酸
素を、燃焼時点の後に加え酸化性ふん囲気を確保
する。パルス炎燃焼器運転の詳細な説明は、K.
Otto、R.A.Dalla BettaおよびH.C.Yao、J. Air
Pollution Control Association、Vol.No.6、
596〜600ページ、June1974に記載されている。
13cm3の試料を1300〓(704℃)で1時間および
1000〓(538℃)で2時間からなる反復温度サイ
クルに暴露する。温度は平均の触媒床温度であ
る。500時間までの長期にわたる老化期間中、試
料をパルセーター単位装置から取り出し、それを
ベンチ規模の活性単位装置で試験することによつ
て、試料を活性について定期的に検査する。小規
模の活性および老化試験は多くの触媒を選別する
うえで価値がある;しかしながら、最終的試験は
全規模の車両またはエンジン動力計の評価であ
る。エンジン動力試験の詳細な説明は、D.M.
Herod、M.V.NelsonおよびW.M.Wang、
Society of Automotive Engineers、Paper
No.730557、May1973に報告されている。この試
験は、以前に報告されたベンチ規模の活性化試験
に類似する。全規模の転化器内に含有される周囲
温度触媒を、密に制御されたエンジンからの熱排
気ガスと接触させる。一酸化炭素、炭化水素およ
び窒素酸化物の転化率を、時間の関数として監視
する。1970年7月のフエデラル・レジスター
(Federal Register)中に詳述され、そして1971
年7月2日のフエデラル・レジスター中の通達に
より変更された米連邦試験法(Federal Test
Procedure)による実施のCVS試験において試験
する場合触媒の性能の程度を予測できる相関関係
が開発された。触媒の全規模転化器装入量の耐久
性試験を、J.P.CassassaおよびD.G.Beyerlin、
Society of Automotive Engineers、Paper
No.730558、May1973に概説されている方法によ
つて実施する。 触媒が実施室のエンジン動力計の活性および耐
久性試験にいつたん合格したなら、次いでこれを
標準生産タイプの車両上のフリート試験に付す。
車は前述し、ここに引用によつて加える米連邦試
験法に従い試験する。この方法は自動車からのガ
ス放出物中の炭化水素、一酸化炭素および窒素酸
化物を定量し、同時に冷時スタートから7.5マイ
ルの都市区域における平均の走行を模擬するよう
に設計されている。この試験は合計1371秒からな
る特定した運転表に従いチヤーシーの動力計上で
エンジンを始動し、車を運転することからなる。
希釈されたガス放出物の比例した部分を、一定容
積のサンプラーを用いて引き続く分析のため連続
的に集める。 動力計試験は2つの試験からなり、それらの一
方は最短12時間の待ち時間後の冷時スタートと、
他方は2つの試験間の10分待ちの熱時スタート試
験である。エンジンの始動、運転表にわたる運転
およびエンジン停止は完全な冷時スタート試験を
構成する。エンジンの始動および運転表の最初初
の505秒にわたる運転は熱時スタート試験を完結
する。 エンジン放出物を空気で一定体積に希釈し、一
部分を各試験において採取する。複合試料を袋中
に集め、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素およ
び窒素酸化物について分析する。希釈した空気の
並行試料を炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化
物について同様に分析する。 触媒の車両老化は、前述の米連邦試験法の付録
「D」表に記載されている運転表に従つて実施す
る。この表は、50000マイルの間反復される、ラ
ツプ速度の変化30〜70m/時で停止および進行の
運転の11の3.7マイルのラツプからなる。平均速
度は29m/時である。周期的に車をチヤーシーの
動力計上で試験して放出物調節システムの耐久性
を評価する。 一酸化炭素、炭化水素および窒素酸化物の三方
調節(three−way control)のために設計され
た触媒は、排気環境の還元または酸化の性質にお
ける変動のため、すぐれた物理的一体性をもつ担
体を必要とする。さらに、触媒はすぐれた全般に
わたる性能に必要とするすぐれた一酸化炭素の除
去およびはやいライトオフを達成することにおけ
る固有の困難性のため、低密度と高度の多巨大孔
性をもつ担体を必要とする。ロジウムは典型的に
は改良された三方調節のため加えられる触媒剤で
ありかつその産出量は少ないため、効率よく使用
されかつ上手に位置させなくてはならない。酸化
触媒の場合と同様に、三方触媒は活性金属が適切
に位置されたとき高い初期活性ならびにすぐれた
長期性能をもつ。われわれは、組み合わされた高
い初期活性および長期触媒的耐久性のためには、
貴金属は全貴金属の約50%が約75ミクロンより深
いところに存在するように位置すべきであること
を発見した。 三方触媒の活性の実験室の測定は、13cm3の触媒
を40000/時のガス時間空間速度に到達するのに
十分なガス流と接触させることによつて測定す
る。ガス組成物は、1%の一酸化炭素、250ppm
のプロピレンおよびプロパンの3/1混合物から
なる炭化水素、0.34%の水素、1000ppmのNO、
12%の二酸化炭素、13%の水および性質を還元性
から酸化性に変えための変化量の酸素からなる。
窒素は残部として加える。排気ガスの環境の還元
性または酸化性の性質の測度(φ)は、次によつ
て与えられる: φ=供給組成物中の酸素の実際の濃度/化学量論的
に要求される酸素の濃度 触媒は種々の値のφおよび種々の定常状態の温
度において評価する。 ベンチ規模の耐久性試験は、酸化触媒の場合と
本質的に同じ方法で実施する。周期的検査を老化
表の期間行う。 技術的および経済的に可能なシステムにおける
全規模エンジンまたはシヤーシー動力計評価は、
空気/燃料比を密に調節して実施する。老化は触
媒を暴露する排気ガスの環境を同様に調節したシ
ステム中で実施する。三方性能の周期的検査を老
化表の期間行う。 球状アルミナ担体を持つ新規な触媒は、触媒の
性能を測定するために自動車製造会社によつて開
発された多数の方法によつて試験した。1つの特
定の試験において、1000〓(538℃)および
75000/時のガス時間空間速度において転化効率
を測定する。この試験は、触媒の炭化水素を酸化
する相対的能力の測定においてとくに特異的であ
る。ふつうに製造されている典型的な触媒によつ
て達成される性能と比較した我々の新規な高度に
好ましい触媒の性能の典型的な範囲は、次のとお
りである: 【表】 化効率
我々の新規な触媒とふつうに製造されている触
媒と区別するために使用した他の有用な試験は、
試験ガス混合物中の一酸化炭素の50%を1400/時
のガス時間空間速度で酸化する温度を測定する試
験である。低温は平均の高い活性を生ずる。次は
ふつうに製造されている典型的触媒の性能と比較
した我々の新規な高度に好ましい触媒の性能の典
型的範囲である: 【表】 媒
上記のアルミナ球は低密度でありかつ多巨大孔
質であるため、触媒剤、たとえば白金族金属は触
媒内に適当な位置および分布で適用すると非常に
効率よく利用できる。この効率的使用のため、触
媒は貴金属をその経済的限界を越えるレベルに有
する必要がない。したがつて、全貴金属の使用量
の範囲は、次のとおりである: 広い範囲 通 常 全貴金属の使用重量% 0.005〜1.0 0.03〜0.30 使用する触媒剤の特定の選択は、系に望む性能
特性に依存する。主として、自動車排気放出物調
節に使用される貴金属は、白金、パラジウム、ロ
ジウムおよびそれらの混合物である。 これらの主な成分のおおまかな範囲は、次のと
おりである: 【表】 %)
ロジウム(全体の%) 0〜20% 5〜15%
担体中へ形成された多巨大孔性は高度であるた
め、貴金属はふつうに製造された典型的な触媒に
おけるよりも深く位置できるので、貴金属は高度
に分散しかつ結晶の生長に対していつそう抵抗性
である。したがつて、触媒は高くかつ安定な金属
表面積をもつと特徴づけられる。次の範囲は、ふ
つうに製造されている典型的な触媒と我々の新規
な進歩した触媒を区別する。 【表】 な範囲
我々の新規な触媒は、触媒剤が沈析される固有
深さによつてさらに特徴づけられる。次に認めら
れるように、これらの触媒とふつうに製造されて
いる典型的触媒との間には顕著な差が存在する: 【表】 種々の貴金属の分布および位置を変えることに
よつてこの触媒へ与えた固有の性能特性のため、
これらの分布および位置は上記新規な触媒の顕著
な特性である。触媒の全比率は全体として固定で
きるが、これらの成分はこれらの触媒中に特定的
に位置する。次はこれらの触媒を特徴づける深さ
および分布の好ましい範囲を示す: 浸透の概算最大深さ 白 金 広い典型的 125〜400ミクロン 好ましい 125〜250ミクロン パラジウム 広い典型的 125〜400ミクロン 好ましい 125〜250ミクロン ロジウム 広い典型的 125〜250ミクロン 好ましい 125〜200ミクロン 我々の触媒は、ふつうに製造されている典型的
触媒と区別する次の性能特性によつて特徴づけら
れる。 【表】 媒
t50CO=50%一酸化炭素の転化率に要する時
間(秒)。
【表】 パラメーター 典型的 典型的
[Detailed description of the invention] The present invention has crystal structures of boehmite and pseudoboehmite.
A novel crystalline alumina hydrate that is intermediate between
and amorphous alumina. The common forms of catalysts are solid supports and supports.
This solid support consists of a supported catalytic material;
Usually particles of porous material, e.g. alumina.
Ru. These particles typically range from 1 mm in diameter to
The size is equivalent to a spherical particle up to 15 mm. porous
For example, alumina has a particle form,
For example, it is necessary to create a sphere, spherule, pill, or cylinder.
These materials are important in the present invention.
The material before printing is called the "carrier material", and the material used for printing
The latter is called a "shaped carrier". of the present invention
Novel alumina hydrate and its amorphous aluminum
The mixture with Na is a carrier material in this sense.
the fine spherical particles are made of the carrier material of the present invention or the like;
In this sense, it can be made from any of a variety of materials.
These microscopic carriers are
The spheres are catalytic when added with a catalytic agent. Activity, efficiency, stability and
Durability depends on the catalyst precursor, i.e. the support material and
chemical, physical, and
Structural properties and catalysts on shaped supports
Depends on quality nature and distribution. to these properties
Small changes in can make substantial differences in catalyst performance.
It can occur. Preferably a support that increases catalytic activity
The properties of the material depend on the properties of the shaped carrier particles.
Retained. In general, shaped carriers and carrier-based
Catalysts made of small amounts of catalytic material are essentially the same
physical and structural properties that affect the thermal activity of the catalyst.
There is only a slight difference in these properties due to the effect.
Ru. Internal porous structure of catalyst particles and their precursors
is the surface area available for contact between the catalyst material and the reaction components.
Determine extent and accessibility. Increased pore size
Then, the reaction components and products entering and exiting the catalyst particles
the rate of diffusion of is large, and this is often
Resulting in improved catalytic activity. However, the hole
The extent to which the magnitude of can be advantageously increased is limited.
As the pore size increases, the reaction occurs
Area increases. An excellent catalyst has a high specific surface area,
Balanced combination of cumulative pore volume and multi-macroporosity
It should have a certain character. High polymacroporosity is due to the diameter
Pore size with a relatively high proportion of pores larger than 1000 Å
distribution. Furthermore, the density is low and eventually the thermal inertia
Small alumina and formed alumina are
It will produce a catalyst that quickly reaches the reaction temperature.
cormorant. Catalyst supports are often porous refractory inorganic oxidants
materials, such as silica, alumina, magnesia,
Zirconia, titania, and combinations thereof
It is set. Alumina is inherently highly porous;
in the temperature range normally encountered in many catalytic reactions.
Because it maintains a relatively high surface area across the
is a desirable carrier material. However, high temperatures
If used for a long time under the conditions, the overheating of alumina will cause sintering.
This changes the crystal phase of alumina and alumina.
For example, to cause a loss of surface area available for catalysis,
catalytic activity. Alumina is fine powder or
or macro-sized particles formed from powder.
It is used as a catalyst support in the form of Physical and chemical properties of alumina in its manufacture
Because it is highly dependent on the means used to
The manufacturing method is for its use as catalyst support material.
It has been developed in an attempt to optimize its properties. Aluminum
Na is an aluminum salt, such as aluminum sulfate.
aluminum, aluminum nitrate, or aluminum chloride
A water-soluble acidic aluminum compound that can be
and alkali metal aluminates, e.g.
Combined with sodium mate or potassium aluminate
Often precipitated by letting. but
While the properties of the composition obtained after washing and drying
has high surface area, multi-macroporosity, phase stability, and
Generally disadvantageous in one or more of low densities
It had a Aluminum with some of the properties desired in a carrier material
A typical manufacturing method for Mina is described in U.S. Patent No. 2988520,
Described in Nos. 3520654, 3032541 and 3124418
It is. U.S. Patent No. 3,864,461 is based on its X-ray band.
Confirmed to be identical to pseudo-boehmite, low
bulk density, if any mixed with small amounts of bayerite
Discloses a method for producing crystalline alumina.
And I'm particularly interested. The surface area, porosity, and density of the starting alumina material
In addition to retaining its properties, fine alumina
The method of forming particles has low shrinkage, high abrasion resistance
and should form alumina with high fracture strength.
It is. Ordinary low-density carriers generally have structural uniformity.
Lacks physicality. Alumina unless stabilized
Particles lose their geometric volume when exposed to high temperatures during use
considerably shrinks. Excessive shrinkage can lead to filling in the catalyst bed.
Forms a channel that does not leak
passes through the channel without contacting the medium. High wear resistance improves structural integrity under conditions of mechanical stress
Provides integrity and retention of activity. into the reaction zone
During transport, filling, and long-term use, catalyst particles
The child is subjected to multiple collisions, resulting in material being ejected.
Lost from the lateral layers. present in the outer volume of the particle.
Wear of the catalytically active layer affects catalyst performance.
and also reduce the volume of material in the reaction zone
let Highly packed and densely packed in a fixed catalyst bed
Due to shrinkage and/or abrasion of retained particles
The loss of volume makes the particles loose and during vibration
It tends to increase movement and collisions. filled with
Once a floor becomes loose, wear tends to increase.
There is a direction. During storage, catalysts often sit on the back waiting to be charged.
is filled into tall containers. Moreover, the weight of the particles
In order to withstand the forces generated, the catalyst has a high fracture resistance.
You have to show strength. Particle size, size distribution, and shape are
affects both the structural integrity and the activity of the catalyst.
vinegar. These properties make catalysts that can be packed in fixed beds
volume, pressure drop across the bed, and reactant components and
Determine the external surface area available for contact. fine aluminum
Mina can be pelletized, tableted, molded, or
Extrude to create macrosize of desired size and shape.
can be made into particles of Typically, Mac
Ro-sized particles have a diameter of 1/32 to 1/4 inch (approximately
0.79~6.35mm), length to diameter ratio of approximately 1:1~
It is a cylinder with a ratio of 3:1. Examples of other shapes are prolate spheres
Shape: multilobed, figure-8, cloverleaf, bell-shaped
What is it? The spherical shape can be used as a catalyst support without any protrusions or irregularities.
Particles with an ivy-shaped surface, and
For example, they offer a number of advantages over extruded cylinders.
Ru. “Spheroids” here generally means
A particle that is spherical but not exactly a sphere, and
For example, this means that it may be a rotating ellipsoid.
The spherical particles fill the catalyst bed evenly.
reduces fluctuations in pressure drop through the floor
and therefore create a bypass for a portion of the floor.
Reduce channel formation. of particles of this shape
Another advantage in use is that the spherical shape is suitable for handling, transporting or
shall not exhibit sharp edges that may wear out during use.
That is true. The most described method of producing spherical alumina particles
One of the methods is the oil-drop method, in which
A drop of aqueous acidic alumina material flows through a water-immiscible liquid.
While falling, it gels into a sphere and under basic PH conditions.
to solidify. The activity and durability of alumina supported catalyst
Attempts to provide enhanced structural and mechanical properties
A number of oil-drop technologies have been developed. spherical raw
The density, surface area, porosity and uniformity of the composition are
The nature of the lumina feed, as well as its breaking strength and abrasion.
It changes greatly with the wear resistance, and the production of feed,
hardening and gelling steps and subsequent drying and
It depends on the conditions used for the baking process. internal game
added to the feed prior to droplet formation and
Release ammonia into heated immiscible liquid
to a weak base such as hexamethylenetetramine.
Gelation of alumina is carried out by the most common oil-drop method.
It is. U.S. Patent No. 3,558,508 (Keith et al.)
ammonia in a column containing a water-immiscible liquid
the droplet is solidified by contact with its outer surface.
An oil-drop method using an external gelation technique is described.
There is. This method can be applied to fine aluminum to a considerable extent.
Certain aluminum produced by acid hydrolysis of aluminum
based on the use of natural supplies. In addition, spherical alumina particles
The children were Olechowska et al.
“Preparation of Spherically Shaped Alumina
Oxide”,International Chemical Engineering,
Vol 14, No. 1, pages 90-93, January 1974 issue
Formed by the hydrocarbon/ammoniac character described
can. In this method, nitric acid and dehydrated water are
Drops of slurry with aluminum oxide pass through the air.
Column containing hydrocarbon phase and ammonia phase
fall inside. A drop passes through a water-immiscible liquid
It takes on a spherical shape and then solidifies in a coagulation medium.
It becomes spherical beads or pellets. Pseudo-sol child
A similar method using feed and hydrochloric acid is as follows:
It is stated in the dedication: 1 Katsobashvili et al., “Formation of
Spherical Alumina and Aluminum Oxide
Catalysts by the Hydrocarbon−Ammonia
Process−1. The Role of Electrolytes in
“The Formation Process”Kolloidnyi
Zhurnal, Vol.28, No.1, pages 46-50,
January-February, 1966; 2 Katsobashvili et al, “Preparation of
Mechanically Strong Alumina and
Aluminum Oxide Catalysts in the Form of
Spherical Granules by the Hydrocarbon−
Ammonia Forming Method” Zhurnal
Prikladnoi Khimii, Vol.39, No.11, 2424−
Page 2429, November, 1966; and 3 Katsobashvili et al., “Formation of
Spherical Alumina and Aluminum Oxide
Catalysts by the Hydrocarbon−Ammonia
Process−Coagulational Structure
“Formation During the Forming Process”
Kolloidnyi Zhurnal, Vol.29, No.4, 503−508
Page, July-August, 1967. Catalysts are used to convert pollutants in automobile exhaust to less objectionable substances.
Noble metals can be used as the main catalyst component or can be present in small amounts to promote the activity of the base metal system. US Pat. No. 3,189,568 (Hauel) and US Pat. No. 3,932,309 (Graham et al.) disclose the use of precious metal catalysts for the control of automobile exhaust emissions. US Pat. No. 3,455,843 (Briggs et al.) is typical of noble metal promoted base metal catalysts. Unpromoted base metal catalysts are described in US Pat. No. 3,322,491 (Barrett et al.). The activity and durability of automotive exhaust catalysts has historically depended on the location and distribution of precious metals on the support. Since the use of precious metals is largely limited by cost, small amounts of precious metals should be positioned on the support in such a way as to achieve the best overall performance over the life of the catalyst. Several opposing phenomena are involved in surface treatment. Impregnation of the maximum amount of carrier particles provides the maximum amount of impregnated surface area. However, due to the high gas velocities and short contact times in automobile exhaust systems, the oxidation rates of carbon monoxide and hydrocarbons and the reduction of nitrogen oxides are controlled by diffusion. Therefore, the depth of impregnation should not exceed the distance that allows effective diffusion of the reactive components into the pore structure of the particles. A combined balance between impregnated surfaces and proper dispersion and accessibility should be achieved to produce practical catalysts. The accessibility and dispersion of the catalytic metal will provide high initial catalytic activity once the catalyst reaches operating temperature. However, because significantly higher amounts of hydrocarbons, carbon monoxide, and other partially combusted substances form in the exhaust gas during early engine startup, the catalyst operates efficiently when the reaction zone is at a relatively low temperature. should have low thermal inertia in order to Common disadvantages of exhaust catalysts are high temperatures, mechanical vibrations and poisons present in the exhaust, such as lead, phosphorus,
When exposed to compounds such as sulfur over long periods of use, up to 50,000 miles, activity decreases. An effective catalyst can inhibit the growth of precious metal crystals, poisons,
Retains its activity due to crystalline phase changes and resistance to physical degradation. Optimal high temperature alumina catalyst supports have low density and high macroporosity while retaining substantial surface area and fracture strength and abrasion resistance. Furthermore, it is stable in the crystalline phase and in the filled geometric volume. Achieving the right balance of these interrelated and sometimes opposing properties and combining alumina carrier technology and metal impregnation technology to reduce vehicle exhaust emissions to levels required by current and future government standards. Difficulties are encountered in providing catalytic converters that can We have now discovered a new, crystalline, alumina monohydrate that can be converted into shaped supports with a unique and valuable combination of desired properties. According to the present invention, a structure intermediate between that of boehmite and that of pseudoboehmite, and from about 6.2 to about 6.5
A crystalline α-alumina monohydrate is provided characterized by a [020]d spacing of Å. This boehmite is used to make shaped carriers.
Pseudo-boehmite intermediate is mixed with a small amount of alumina gel, approximately 70-85% of the total alumina in the mixture
should be in crystalline form. Such mixtures are part of this invention. We have also discovered a method for producing this new alumina, especially in the form of a mixture already with alumina gel. According to the present invention, the novel alumina of the present invention, which has properties uniquely suited to form spherical particles having the combination of properties specified below, is characterized by It is produced by precipitation at a temperature of 100 ml for an hour and a pH of 100 ml, and ripening at a higher PH, followed by filtration. The rate of addition of the reactants can be adjusted to obtain the desired balance of crystalline and amorphous alumina in the mixture. The method of the present invention consists of the following steps: 1 The Al 2 O 3 concentration is 5 to 9% by weight and the temperature is
An aqueous solution of an aluminum salt of a strong mineral acid, preferably aluminum sulfate, at a temperature of about 140 to about 170 °C (about 60 to about 71 °C)
77 °C); the amount of aluminum salt added is sufficient to adjust the pH in the mixture to 2-5; 2 the Al2O3 concentration is 18-22% by weight and the temperature is
Simultaneously add to the mixture an aqueous solution of sodium aluminate (or other alkali metal aluminate) and an additional amount of aqueous aluminum sulfate (or other aluminum salt) solution that is between 130 and 160 °C (about 54 and about 71 °C) - this precipitates alumina to form an alumina slurry. The addition of alkali metal aluminate increases the PH of the mixture to values in the range of PH7 to PH8, and the PH of the slurry and temperature during precipitation are 7 to 8 and 140 to 180, respectively (about 60 to about
82° C.) and maintain a certain addition rate of the solution to form a boehmite-pseudoboehmite intermediate alumina; 3. Then adjust the pH of the slurry to 9.5-10.5.
The slurry is then optionally aged, followed by straining the slurry and washing the filter cake to form substantially pure alumina. The process is reproducible and produces hydrated alumina from which process impurities can be easily removed by water washing and filtration. temperature, time, speed,
Adjusting the concentration and PH produces a substantially pure microcrystalline pseudoboehmite-boehmite intermediate alumina with Al 2 O 3 present in crystalline form from about 70 to about 85% by weight of the total amount. Substantially uniform spherical alumina particles with an unexpected combination of low density, high surface area, multi-macroporosity, phase stability, and mechanical strength are produced in the present application from wet or dry boehmite-pseudoboehmite intermediates. can be prepared by the improved external gelation method disclosed in the divisional application of . A slurry of alumina is prepared in an acidic aqueous medium and the drops of this slurry are passed through a column containing an upper body of water-immiscible liquid and ammonia and a lower body of an aqueous alkaline coagulant. The resulting spherical particles are aged in an aqueous medium to achieve the desired hardness. The aged particles are dried and calcined. In addition, the catalyst consisting of a catalytically active metal or metal compound impregnated on spherical alumina particles prepared by the external gelation method described above has excellent activity and durability in many catalyst systems. I understood. Due to the fast light-off and long-term activity of this catalyst under the high temperatures and mechanical vibrations present in the exhaust system, this catalyst is particularly suitable for eliminating pollutants in motor vehicle exhaust streams. The catalyst support made by the "external gelation" method, preferably made from the novel boehmite-pseudoboehmite intermediate of the present invention, is in the form of spherical particles and is characterized by: (i) About 0.1 to about 1000 to 10000 Å diameter pores.
(ii) a surface area of about 80 to about 135 m 2 /g; (iii) abrasion loss of about 5% or less; and (iv) about 20 to about 36 pounds per cubic foot ( about 0.32 ~
(v) a total pore volume of about 0.8 to about 1.7 cm 3 / g; (vi) in pores of diameter 100 to 1000 Å; Approximately 0.5 to approximately 1.0
and ( vii ) 0 to about 0.06 in pores smaller than 100 Å in diameter.
pore volume of cm 3 /g; and further characterized by: (viii) a volumetric shrinkage of not more than about 6% upon exposure for 24 hours at a temperature of 1800〓 (982°C); and (ix) a volumetric shrinkage of at least Breaking strength of 5 pounds (2.3Kg). The alumina manufacturing method of the present invention consists of five main steps. The stage is acidic PH in a very dilute aqueous system
involves the formation of boehmite crystal seeds in the nucleation stage. The stage is the main stage and includes precipitation and crystallization of alumina at a pH of about 7 to about 8. During this step, crystals of boehmite or pseudoboehmite grow from the hydrated precipitated alumina onto the crystal seeds. The stages are called precipitation and crystal growth stages. The step involves changing the PH of the system by adding an alkaline solution to reduce the electrical surface charge on the alumina precipitate. During this stage, the positive charge on the alumina particles gradually decreases until it becomes essentially zero at pH 9.4-9.6. In this state, the alumina precipitate is said to exist at its isoelectric point. that the surface exhibits no charge
This is a point in PH. The stage is therefore called the surface charge reduction stage. Optional steps include aging the system for a predetermined period of time, and steps include filtering and washing the resulting slurry to remove unwanted electrolytes or impurities. An optional final step of the method is drying of the washed cake to a powder material. This can be done with or without the inclusion of special additives to reduce the absorption of impurities. The reaction components used to carry out the process of the invention are water-soluble aluminum salts, such as aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum chloride, etc.; alkali metal aluminates, such as sodium aluminate, potassium aluminate, etc. In certain embodiments, preferred reaction components are
Aluminum sulfate and sodium aluminate because of their cost, availability, and desirable properties in the practice of this invention. The reaction components are used in the form of aqueous solutions. Aluminum sulfate can be used in a wide range of concentrations, from about 5% by weight and above, but for practical reasons it is preferred to use concentrations as high as about 6 to about 8% by weight equivalent Al 2 O 3 . The sodium aluminate solution should be a relatively freshly prepared solution that exhibits no precipitated or undissolved alumina. Sodium aluminate can be characterized by its purity and equivalent alumina concentration, which is about 16% by weight or more,
Preferably about 18-22% by weight equivalent Al2O3 . Additionally, it is alkali, e.g. at least equivalent
It should contain Na 2 O to ensure dissolution of the alumina. This condition is about 1.2 or more, preferably about
Of course, for economic and practical reasons, the upper limit of the molar ratio should not be too large, which is approximately satisfied by a molar ratio of Na 2 O to Al 2 O 3 of 1.35 or more. For that reason, in practical industrial processes the molar ratio does not exceed about 1.5. Impurities, insufficient concentration of soda, and high dilution make sodium aluminate unstable. Before starting this method, the reaction solution should be heated to about 130 to about
Temperature of 160〓 (about 54 to about 71℃), preferably about 140℃
〓Heat to (60℃). The reaction begins with a nucleation step in which an initial charge or "heel" of deionized water is introduced into a suitable reaction vessel. Stir this water and add approximately 140 to 170 〓 (approximately 60
Heat to a temperature of ~77°C). Generally, the temperature of this heel is about 5 to about 10 degrees lower than the target temperature at which the reaction occurs. An initial charge of aluminum sulfate is added to the water in a very small amount sufficient to adjust the PH of the mixture to a value of about 2 to about 5, preferably about 3 to about 4. At this point, the equivalent alumina concentration in the mixture is approximately 0.1
It should not exceed % by weight, preferably about 0.05% by weight. The combination of very low temperature, low PH, and high temperature partially hydrolyzes the aluminum sulfate, concomitantly forming very small crystals of boehmite. This nucleation occurs rapidly and the onset of the stage begins immediately after the first addition of aluminum sulfate. However, it is preferred to wait up to about 10 minutes, preferably up to about 5 minutes, to ensure that the nucleation step is proceeding and the system is properly seeded. The second step of the process is carried out by simultaneously adding sodium aluminate and aluminum sulfate to the mixture consisting of a heel of water containing crystal seeds. These solutions are added simultaneously from separate streams to the reactor at set essentially constant rates to precipitate the alumina and form an alumina slurry. However, since the reaction is conducted at a PH of about 7 to about 8, the rate of addition of one of the reaction components can be adjusted somewhat during the run to ensure that the PH of the slurry quickly reaches the desired range. During this stage, the PH will rise rapidly from about 2 to about 5 to about 7 to about 8. As the reactants are added to the initial heel, the alumina concentration in the resulting slurry will gradually increase. Under certain conditions, the alumina precipitate will tend to crystallize into the crystalline alumina intermediates boehmite and pseudoboehmite. If the precipitation rate exceeds the crystallization rate, excess hydrated alumina will remain in the precipitation as an alumina gel (amorphous alumina). The alumina produced in the present invention contains a crystalline boehmite pseudoboehmite intermediate and a gel. This requires that the rate of precipitation exceeds the rate of crystallization of hydrous alumina to the boehmite-pseudoboehmite intermediate, depending on the rate of addition of the reactants; the excess portion of the rate of addition of the reactants is approximately 70-85% Controlled to leave crystalline alumina and amorphous gel. The pH and temperature of the slurry and the rate of addition of reaction components are maintained such that a crystalline boehmite-pseudoboehmite intermediate and an amorphous gel are formed during precipitation. Since the rate of crystallization is primarily set by the temperature of the system, the rate of addition of the reactants will vary depending on the particular temperature at which the reaction is carried out. At the lower end of the operating temperature range,
The rate of crystallization will be relatively low and eventually the addition of the reactants will proceed at a low rate. Generally, the temperature is approximately
Maintain the temperature between 140 and 180〓 (about 60 and 82℃). For example, for temperatures in the range of about 140 to about 150 °C (about 60 to about 66 °C), the addition rate is such that the flow of reactants remains substantially constant during the entire precipitation stage,
It will last for at least 70 minutes, preferably for at least 70 minutes. On the other hand, on the high temperature side of the operating temperature range, for example about 170
At temperatures between about 180° C. and about 77° C. to about 82° C., the addition rate can be increased significantly so that the step is carried out for a shorter period of time, such as about 15 to about 30 minutes. In preferred precipitation reactions, the temperature is about 150 to about 170〓 (about 66 to about
77°C), and the precipitation rate slows the reaction from about 30°C to about
It should be arranged to run over a period of 70 minutes, preferably about 40 minutes to about 60 minutes. In a very specific embodiment, the reaction is between 155 and 165
〓 (68-74℃), and the addition of reaction components is approximately 48℃.
By maintaining the flow of the reaction components essentially constant during the entire precipitation step over a period of ~52 minutes, and adjusting the relative flows as necessary, the following procedure was carried out: Obtain a programmed PH: [Table] In general, the exothermic nature of the reaction will provide sufficient heat to maintain the temperature at the desired level, as long as the water heel and reaction components are preheated as described above. Probably. If there is difficulty maintaining the desired temperature, external cooling or heating can be applied to ensure proper temperature control. Carrying out the precipitation reaction under the aforementioned conditions will ensure the formation of precipitated alumina exhibiting the desired balance between crystalline α-alumina monohydrate (boehmite-pseudoboehmite intermediate) and gel. . At the end of the stage, the equivalent weight in the slurry
The concentration of Al 2 O 3 should range from about 5 to about 9% by weight, preferably from about 6 to about 8% by weight. Balance the reactant materials added at this point with Na 2 O
Sodium expressed as moles of H 2 SO 4
The ratio of sulfate, expressed as moles, is at least 0.80, preferably at least 0.88, but can be at most 0.97. At the end of the stage, when the desired amount of alumina has precipitated, the flow of alumina sulfate is stopped. Steps are then carried out to reduce the charge on the surface of the precipitated alumina from a strongly positive level to zero or possibly a low negative value. This is accomplished by adjusting the PH to a value near or somewhat above the isoelectric point of the alumina, which is anywhere from about 7 to about 8 to 9.4 to 9.6 at the end of the stage. Generally, the PH of the slurry is adjusted to about 9.5 to 10.5, preferably about 9.6 to about 10.0. Changes in PH can be made by using any alkaline solution, such as sodium hydroxide. However, from a practical point of view it is desirable to continue to use the initial sodium aluminate reaction component solution as the alkaline solution. By doing so, additional amounts of alumina could be added to the slurry while the PH change occurs to increase yield and lower cost. Finally, in a preferred embodiment of the invention, the step is carried out by adding sodium aluminate continuously at a slow rate. This ensures that the target value of PH is not exceeded, or that local excess concentrations of sodium aluminate result in a high PH that favors the formation of undesirable crystalline phases, e.g. bayerite (β-alumina trihydrate). It is ensured that no precipitation of alumina occurs under the conditions. During stages, maintain the temperature of the slurry as in stages and continue stirring. Sodium aluminate until the PH rises to about 9.5 to about 10.0.
First slowly and continuously, then discontinuously if necessary, in addition to reaching the final target PH value.
During this stage, the sulfate ions immobilized on the surface of the alumina particles cease to exist as the positive charge on the alumina surface decreases to zero or becomes somewhat negative. 9.5 to 10.5, preferably about 9.6 to about 10.0
When a pH of
It can be for a period as long as 20 minutes, and preferably the step should be carried out for a period of about 6 to about 12 minutes. After adding all the reaction components, the slurry can be aged for up to several hours.
This time depends on practical considerations such as preparation of equipment for use in the subsequent steps of filtration and washing. Generally, a maturation of about 30 minutes is used. In either case, large batches of alumina slurry produced in stages may not be processed in a single batch, but can be carried out continuously over a period of time so that a portion of the material is It will be matured. The alumina slurry can then be filtered and the filter cake washed to remove unwanted impurities.
Preferably, deionized water is used as a washing liquid to remove water-soluble impurities. The use of water containing impurities such as calcium and magnesium chlorides, carbonates or bicarbonates is undesirable. However, depending on the ultimate use of the alumina, some of these impurities, such as volatile impurities, may be tolerated. However, metal impurities, such as calcium, magnesium, iron, silicon, nickel, etc., are unacceptable except in very low concentrations. As used in the detailed description of the invention and in the claims, the term "substantially pure alumina" is used to refer to alumina whose impurity concentration does not exceed the following limits on a dry basis: as Na2O . Calcium, expressed as CaO, 0.15% by weight; Magnesium, expressed as MgO, 0.15% by weight; Silicon, expressed as SiO2 , 0.80% by weight; Iron , expressed as F2O3 , 0.07% by weight %; Nickel expressed as NiO, 0.07% by weight. A pure alumina product is obtained using deionized water. Deionized water is usually heated to facilitate electrolyte removal and heated to a temperature of 120 to about 180〓 (49 to about 82
℃). Removal of electrolyte during washing is facilitated by the crystalline nature of the precipitate.
Crystalline materials have a lower tendency to occlude impurities and are easier to clean due to improved turbidity properties. The amount of deionized water required to achieve good product quality can vary depending on the particular filtration equipment used. However, the amount is usually about 1 kg of Al 2 O 3 (dry basis) in the overcake.
It ranges from 20 to 100Kg. In certain embodiments, the washed percake can be used to prepare a satisfactory feed in the production of alumina spheroids, as detailed below. This can be carried out by removing as much water as possible during the process and using special additives for the preparation of the feed together with the dehydrated percake. In a preferred embodiment, the percake is dried to produce an alumina powder that can be conveniently stored without deterioration for extended periods of time until further processing.
Drying of the percake can be accomplished in several ways, such as tray drying, belt drying, and the like. However, a preferred method consists of adding water to the percake to form a pumpable slurry and rapidly removing the water by methods such as spray drying or flash drying. In these cases, the pumpable slurry contains from about 15 to about 20 weight percent solids. The slurry is ejected from a nozzle as fine droplets into a drying chamber. The drops come into contact with hot drying gas. for example,
In a spray dryer, the inlet temperature of the drying gas is approximately
800 to about 700〓 (about 427 to about 371℃). Adjust the slurry addition rate to maintain the outlet temperature at approximately 250〓
(121℃) or higher, but below about 400〓 (204℃), preferably about 300 to about 350〓 (about 149 to about 177℃).
℃). Use of these conditions allows partial removal of water without destroying the crystalline nature of the alumina. If the drying gases are products of combustion of the fuel used, these gases contain substantial concentrations of carbon dioxide. Carbon dioxide will be absorbed upon contact with the alkaline slurry and will likely react chemically on the surface. In such cases, the final product will contain small amounts of carbon dioxide as an impurity. This carbon dioxide is not a major problem in most of the subsequent steps. However, if necessary, carbon dioxide uptake can be reduced by pre-acidifying the pumpable slurry with a trace amount of acid to a pH of about 7 or less. Preferred acids in this step are thermally decomposable organic acids,
Examples are acetic acid and formic acid. Mineral acids may fix impurities that affect the process in later steps or, in the case of nitric acid, may be an undesirable source of pollution. During spray drying, a portion of the gel fraction of the precipitate crystallizes into boehmite-
It will be a pseudo-boehmite intermediate. Spray-dried products are not completely dry and contain a certain proportion of water. Generally, the spray dried product contains at least 18% water by weight and can contain up to about 33% water. Preferably, the moisture range is about 20 to
It would be about 28% by weight. As used herein, alumina refers to an alumina material containing Al 2 O 3 , water of hydration, water of association, and the like. The degree of dryness of alumina can be expressed in terms of the weight percent of Al 2 O 3 in it. Drying at 1200° C. for 3 hours is considered to produce 100% Al 2 O 3 . Partially dried hydrated alumina produced by the controlled reaction of sodium aluminate and aluminum sulfate is an intermediate between boehmite and pseudoboehmite. This form of alumina is alpha-alumina monohydrate with extra water molecules occluded within the crystal structure and has the formula Al 2 O 3 xH 2 O,
Here, x is a value greater than 1 and less than 2. The boehmite-pseudoboehmite nature of the product, including its crystal structure, degree of crystallinity and average size of individual crystals, can be determined by X-ray diffraction techniques. Pseudoboehmite is Papee, Tertian and
Biais, “Recherches sur la Constitution des
Gels et des Hydrates Cristallises
d'Alumine”, Bulletin de la Societe Chimique
Discussed in de France 1958, pages 1301-1310. Boehmite is a long-known and well-defined mineral whose crystalline properties and X-ray diffraction pattern are included in Card No. 5-0190 of the American Society's X-ray Diffraction Index for Testing Materials. Are listed. Other properties that characterize the product of the invention are: its behavior during ripening under alkaline conditions; its ability to chemisorb anions such as sulfate ions at various PH; after severe heat treatment. its crystalline properties and stability; high temperature stability of its surface area, pore volume and pore size distribution; All of the above properties derive from the unique balance of crystalline and amorphous gel components in the product and its exceptional overall chemistry. The X-ray diffraction technique used for the determination of crystallinity is as follows: the X-ray diffraction pattern of the research product is analyzed using several commercially available X-ray diffraction units, such as a Norelco X-ray diffractometer. Measure using one of the following methods. A pattern is obtained that gives the positions and intensities of the diffraction peaks. Compare this pattern with the data given in ASTM Card No. 5-0190 given to boehmite. All matches of the diffraction peaks indicate that the product is boehmite.
However, if the [020] peak moves to 6.6-6.7 Å while the other peaks remain essentially unchanged,
This indicates the presence of pseudo-boehmite. The properties of the product can be further determined by measuring the exact position of the [020]d interval. Intermediate values between 6.2 and 6.5 Å indicate the presence of materials of intermediate nature.
The [020] peak can further be used to determine the crystallinity of a substance. The area under this diffraction peak is measured with a planimeter and compared to the area under the corresponding peak of a reference sample experiment under the same conditions in an X-ray diffractometer. The reference sample is chosen from products known to contain a high proportion of boehmite and defined as "100% boehmite". The ratio of these areas gives a relative measure of the crystallinity of the study sample. Finally, the properties of the crystal can be investigated in more detail by measuring the width of the [020] diffraction peak. Mathematical correlations are derived from others,
It is described in the literature and can be used to calculate the average crystal size (Å) as a function of the peak width measured at the center of the largest peak. For a particular diffraction peak, the average crystal size is inversely proportional to the width of the peak at half its maximum intensity.
Relative measurements can be made by simply measuring the width at half the maximum intensity of the [020] diffraction peak. Larger values of width correspond to smaller crystal sizes, while smaller values of width correspond to larger crystal sizes. For example, obtained by dehydration of large, well-defined crystals of α-alumina trihydrate,
100% crystalline α-alumina monohydrate gives a very tall, narrow peak. In this substance,
The [020] reflection occurs at 6.1 Å, indicating that the product is boehmite rather than pseudoboehmite, and the width at half maximum intensity is only about 0.2 Å, indicating the presence of large crystals. shows. In contrast, microcrystalline pseudoboehmite is 6.6
[020] peaks at values ranging from ~6.7 Å are shown. These materials exhibit very broad peaks with values at half maximum intensity of about 2 Å or more. In other words, these materials exhibit crystalline sizes that are approximately an order of magnitude smaller than 100% crystalline alpha-alumina monohydrate. The size of boehmite crystals is about 200 Å, while the size of pseudo-boehmite crystals is about 20 Å. The products of the invention exhibit a structure intermediate between that of boehmite and that of pseudoboehmite, ranging from about 6.2 to about
Characterized by a [020] d spacing of 6.5 Å, preferably about 6.3 to about 6.4 Å. [020] The width of the half maximum intensity of the peak is about 1.65 to about 1.85 Å, preferably about 1.75 to about 1.80 Å. This indicates a small crystal size, ie closer to the micro size of pseudo-boehmite than the macro size of boehmite. Expressed in terms of relative crystallinity, the product of the process of the invention has a total amount of Al 2 O 3 present in crystalline form of about 70 to about 85
% by weight, with the remainder of the alumina in amorphous form. The boehmite-pseudoboehmite product of the present invention has high crystal purity, small crystal size - i.e., microcrystallinity and relatively high relative crystallinity. Characterized by. In these respects, the product is unique due to the fact that it is produced under conditions that give a high ratio of crystalline material to amorphous gel. This contrasts with prior art materials in that the fraction of amorphous gel in the product is very high or essentially absent as in boehmite. The crystallinity and intermediate crystal size properties of the materials of the invention make them unique in their application as starting powders for the production of catalyst supports of very good and unexpected properties. . The nature of the balance between crystalline and amorphous materials in the products of the invention is further characterized by the following tests: Surface chemisorption of anions at different PH. Amorphous hydrated alumina has a tendency to crystallize.
The particular crystalline phase obtained depends on the nature of the environment around the alumina during crystallization. Materials consisting of boehmite or pseudoboehmite and containing a high proportion of gel components crystallize into beta trihydrate (bayerite) upon prolonged exposure to high temperatures in an alkaline aqueous environment. In contrast, materials containing little or no gel components will not develop bayerite crystalline phases under similar conditions of alkaline ripening. For example, alumina produced at low temperatures and consisting primarily of pseudoboehmite containing a high proportion of internally dispersed gel can be produced in an aqueous sodium hydroxide solution with a high pH, e.g.
(49°C) for at least about 18 hours, bayerite develops while others remain essentially unchanged and maintain their crystalline nature. This indicates that the formation of bayerite is not due to the sacrifice of pseudoboehmite or its disappearance, but that bayerite is formed from amorphous alumina gel. In contrast, a product of the invention treated under the same conditions will not show any presence of bayerite. This indicates that the amount of gel in the material of the invention is very small or otherwise the gel is so stable. The anion chemical absorption test involves preparing a slurry of the alumina powder to be studied with deionized water and potentiometrically titrating this slurry with dilute sulfuric acid of known molar concentration over the PH range in which the alumina is insoluble. Consisting of This titration was carried out slowly,
Ensure that there is sufficient time for the acid to diffuse into the structure of the alumina product. About 9 to 4 questions
Over the PH range, alumina is insoluble, so titration with sulfuric acid is considered a measure of sulfate fixed or chemisorbed onto the alumina surface at a constant PH. For different aluminas, the amount of acid required to reach a particular PH from a common starting point is an indirect measure of the extent of the alumina interface exposed to the aqueous medium. Materials that exhibit very high crystallinity and very large crystal size have small interfacial areas, and thus require less acid to produce a given change in pH. In contrast, materials with very high gel content exhibit a large interfacial area and, ultimately, require a large amount of acid to effect the same PH change. intermediate crystal/
Products with gel properties require intermediate amounts of acid to effect the same PH change. For example, 100% crystalline α-alumina monohydrate, consisting of large, well-defined crystals, has a PH
It takes only about 53 milliequivalents of sulfuric acid per mole of alumina to change from an initial value of about 8.3 to a final value of about 4.0. In contrast, alumina produced at low temperatures and exhibiting pseudo-boehmite properties, percentage crystallinity and crystal size exhibiting a low degree of crystallinity and high gel content requires only 1 mole of alumina to undergo the same PH change. Approximately 219 milliequivalents of sulfuric acid are required per sample. The compositions of the invention are characterized by an intermediate requirement for sulfuric acid to effect the PH change. about 130 to about 180 milliequivalents per mole of alumina,
Preferably about 140 to about 160 meq. of sulfuric acid will change the PH of the slurry of the compositions of the present invention from about 8.3 to about 4.0. The application of the alumina powder product of the present invention in the production of suitable supports for automotive exhaust catalysts requires that the material exhibit excellent stability of its structural properties at high temperatures. For example, after severe heat treatment that simulates what the catalyst encounters in service, its measured pore volume and surface area should remain high and stable. These high temperature properties are highly dependent on the purity of the initial material and its structural characteristics as well as the crystalline nature of the product after heat treatment. When heated, the materials of the invention gradually lose their hydration water and other associated or bound water. This dehydration transforms the crystal structure into γ-alumina. When heated to even higher temperatures, γ-alumina becomes δ-
It will be converted to alumina and finally to θ-alumina. All of these aluminas are high surface area and pore volume transition aluminas. Further heating to higher temperatures produces alpha-alumina or corundum, which is not transitional alumina and exhibits very low surface area and pore volume. The final transformation to α-alumina is so strong that its formation is accompanied by a significant reduction in pore volume and surface area. Excellent alumina powder, which can be turned into a support for excellent automobile exhaust catalysts, is thermally stable and can be used at moderate high temperatures, such as 1800-1900〓 (982-1038℃).
shows no transition to α-alumina. Generally, alumina with a high gel content tends to sinter to alpha-alumina at relatively moderate temperatures, such as 1800-1900°C (982-1038°C). Materials produced at low temperatures and having a high gel content as determined by some of the tests described herein exhibit an undesirable α-alumina appearance when heated, for example, to 1010°C for 1 hour. Will. In contrast, a product of the invention containing only a small amount of amorphous gel will remain stable and exhibit no α-alumina upon the same heat treatment.
After heating the composition of the present invention to about 1850°C (1010°C) for about 1 hour,
-Has an X-ray diffraction pattern of alumina. Furthermore, the products of the invention retain very substantial surface area and pore volume at those temperatures and they will remain stable even for long periods of time during severe heat treatments. The products of the invention exhibit a BET nitrogen surface area of from about 100 to about 150 m 2 /g, and usually from about 110 to about 140 m 2 /g, after heat treatment at about 1850°C (1010°C) for about 1 hour. Will. Also, it is about 0.60 ~
about 0.75 cm 3 /g, most commonly about 0.64 to about 0.72
It will exhibit a nitrogen pore volume of cm 3 /g. Furthermore, the pore structure of this heat treated material will not exhibit a high percentage of microporosity as measured by nitrogen pore size distribution methods. Typically, the products of the present invention are about 80 Å in size or less, often 100 Å in size or less.
It will exhibit less nitrogen pore volume. Throughout the detailed description and claims, "nitrogen pore volume" is referred to as S. Brunauer, P.
Emmett, and E. Teller, J. Am. Chem. Soc.
60, page 309 (1938). This method relies on the condensation of nitrogen into the pores, and the pore diameter
Effective for measuring pores in the 600 Å range. Throughout the detailed description and claims,
Surface area is defined by Brunauer, Emmett and
Nitrogen BET surface area measured by the method also described in the Teller literature. The volume of nitrogen absorbed is related to the surface area per unit weight of the support. Formation of Shaped Supports from Alumina Dry alumina powder or washed alumina percake with suitable crystalline properties, such as those produced according to the present invention, are preferably used in the preparation of the feed for the oil drop formation process. However, other suitable starting alumina compositions, such as those described below, may be used to form the spherical alumina particles. Alumina and an acidic aqueous medium, such as an aqueous solution of an acid or an acidic salt, are combined to form a slurry. Preferably, an aqueous solution of a monobasic mineral acid is mixed with water and alumina to form a slurry. When using a monobasic acid,
A homogeneous plastic slurry of the desired viscosity forms. Hydrochloric acid and other strong monobasic acids can be used to wash the support to remove these electrolytes. Aluminum nitrate can be used. Nitric acid is preferred in this method because it can later be decomposed and removed from the bulb by heating, so that cleaning of the bulb is unnecessary. In order to minimize the nitrogen oxides produced as toxic emissions in later stages, the nitric acid is replaced with a degradable monobasic organic acid, such as acetic acid (hereinafter designated by the symbol CH 3 COOH), formic acid, or a mixture thereof. It is preferred to substitute the main moiety, for example about 0.5 to 5
A mixture of organic acid and nitric acid in a molar ratio of can be used. The bulk density and compressive strength of the spherical product depend on the composition of the feed. Increasing the alumina and/or acid content of the feed increases these physical properties. If the concentration of alumina and/or acid is too high, the spheres will crack when drying, and if the concentration is too low, weak, powdery spheres will result. Due to the gel content of the alumina used to make the feed, a small amount of acid is sufficient to form a plastic slurry. The slurry can contain from about 1 to about 12% by weight monobasic acid or mixtures thereof, and the slurry generally contains from about 10 to about 40, preferably from about 24 to about 32% by weight alumina, and from about 0.05 to about 0.50% by weight alumina. with an acid to alumina molar ratio of . The amount of water is sufficient to produce a slurry with these acid and alumina contents. Standardizing this system with respect to 1 mole of alumina, the molar ratio of inorganic acid varies between 0.5 and 0.03, preferably 0.06, and the molar ratio of organic acid varies from about 5 to about 50, preferably from about 10 to It can be about 20. A particularly preferred slurry has a molar composition of (Al 2 O 3 ) 1.00 (CH 3 COOH) 0.12 (HNO 3 ) 0.06
(H 2 O) 14.0±1.5 . Slurries can be prepared from a single alumina composition or a blend of alumina compositions. Blends are used to take advantage of some specific properties of the individual components of the blend. For example, an alumina filter cake can be acidified with acetic acid to about PH 6.0 to reduce carbon dioxide absorption before spray drying. High carbonate content in the powder can result in balls that crack when drying. Therefore, 20 parts of this low carbonate alumina can be combined with 80 parts of untreated dry powder to form a formulation with an acceptable carbonate level. Preferably, the alumina powder and an acidic aqueous medium are mixed by stepwise addition of the powder to the medium to acidify the alumina, which may be present in the spray-dried alumina powder.
Decrease the level of CO2 . For example, 80% of the alumina required for a given batch of product can be mixed into water containing the desired amount of acid. After a period of mixing, the remaining 20% of the powder is added to the batch. In addition, recycled calcined product fines can be added in an amount up to about 15% of the total alumina. This reduces the tendency of the product to shrink to about 2 to about 3% by volume. It also has the advantage of being able to recycle scrap products, such as fines.
What makes this method so economical? Agitation and aging of the slurry provides a homogeneous material with a viscosity that allows for proper formation of droplets that can produce low shrinkage spheres. Agitation of the slurry can be accomplished by a variety of means ranging from simple hand agitation to high shear mixing. Aging of the slurry can be from a few minutes to a few days. Aging time is inversely proportional to energy input during mixing. Therefore, the alumina powder can be stirred into the acid and water mixture by hand for 10 minutes and aged overnight to the appropriate consistency for droplet formation. For example, in a particularly preferred method using approximately 10 pounds (4.5 Kg) of powder, 60% of the powder is mixed with all of the acid and water and a 3 inch (7.6 cm) blade is approximately
0.5hp Cowles rotating at 3500rpm
About 2 to about 30 minutes in a dissolver, preferably about 15 to about 20 minutes
Mix vigorously for a minute. Then the remaining 40% of the powder
and stir for about 5 to about 60 minutes, preferably about 30 to 40 minutes. After stirring, the slurry is stirred for about 1 to about 5 hours to the proper consistency. During mixing, the PH increases, with the final PH generally being about 4.0 to about 4.8, preferably about 4.3 to about 4.4.
Immediately after the preferred compounding technique, the viscosity of the slurry is approximately
It can vary between 60 and about 300 centipoise (cps). For optimal drop formation, approximately 200 to approx.
A slurry viscosity of 1600 cps, preferably from about 800 to about 1200 cps is desired. Although viscosities as high as 2000 cps can be used, the slurry is difficult to pump. Under actual operating conditions in the plant, the slurry may have to wait a long time before further processing. Under these conditions, the viscosity of the system may exceed the transportable range. Such thickened slurry does not need to be discarded. It can still be used according to either of the following two operations: The viscous slurry can be diluted with a controlled amount of water and stirred vigorously for a short time. This will cause a sharp decrease in viscosity and the system will be in the pumping range. The viscous slurry can be mixed with a freshly prepared slurry exhibiting a low viscosity of about 60 to about 300 cps. The resulting mixture has a viscosity in the pumpable range. These measures can be implemented without adversely affecting the properties of the finished product and subsequent processing steps. The viscosity of the slurry described in the Detailed Description of the Invention, Examples, and Claims is the viscosity measured with a Bruckfield viscometer. Spheroidal particles are formed by gelation in the organic and aqueous phases. Drops of the aged slurry form in the air above a column containing an upper body of water-immiscible liquid and ammonia and a lower body of aqueous alkaline coagulant. The droplets become spherical while passing through the upper phase and then solidify into hard spherical particles in the lower phase. The ammonia in the upper phase gels the outer layer of the droplet sufficiently so that the spherical shape can be retained as the droplet crosses the liquid interface and enters the lower phase. Excessive interfacial tension between the phases can cause the droplets to be held in the organic phase and deform the droplets. In such cases, a small amount, for example about 0.05 of the upper body
The presence of ~0.5% by volume surfactant at the interface, preferably 0.1% to about 0.2% by volume, allows the spheres to easily penetrate the interface. Liquinox,
Detergents sold by Alconox, Inc., New York, NY and other such surfactants can be used. The water-immiscible liquid has a specific gravity lower than water, preferably lower than about 0.95, and can be, for example, any of mineral oils or mixtures thereof.
The organic liquid should not drop so quickly as to interfere with proper sphere formation. Furthermore, it should not exhibit high interfacial tensions that could hold and deform the particles. Examples of suitable mineral oils are kerosene, toluene, heavy naphtha, light gas oil, paraffin oil, and other lubricating oils, coal tar oil, and the like. Kerosene is preferred because it is inexpensive, commercially available, non-toxic, and has a relatively high flash point. The organic liquid should be able to dissolve small amounts of anhydrous ammonia gas or form a suspension containing trace amounts of water containing dissolved ammonia. An essential requirement of this process is that the organic phase contains a sufficient but small amount of base, preferably ammonia, to be able to partially neutralize and gel the outer layer of the falling drop.
The rate of introduction of ammonia into the organic liquid should be sufficient to reach a working concentration at which hard particles form during a short period of fall. however,
The concentration of ammonia should not be so high as to cause essentially instantaneous gelation of the slurry droplets as they enter the organic liquid. Under these conditions, the droplet will not have enough time to build up surface tension to spheroidize it, and will gel into brittle particles. Furthermore, if the concentration of ammonia in the upper region of the organic liquid is high, ammonia gas will evaporate into the air pocket where the nozzle is located. Excessive ammonia concentration in this region can cause the droplets to prematurely gel before they are separated from the nozzle. Ammonia is a preferred coagulant because it forms excellent spheres, exhibits convenient solubility, and can be conveniently introduced to the bottom of the organic liquid. In a preferred embodiment, the organic liquid is contacted with anhydrous ammonia gas in a separate device called an ammonia adder and circulated through the column. In such a case, the organic liquid from the ammonia adder is introduced below the organic phase in the column, and this organic liquid flows upward through the column, forming countercurrent with the falling drops. The organic liquid is withdrawn at the top of the column and returned to the ammonia adder where it is replenished with ammonia. Under steady state conditions, a gradient in ammonia concentration develops within the organic phase of the column. This gradient is created by the reaction of falling drops of acidic alumina slurry with rising ammonia carried by the organic phase. Since the ammonia concentration in the top of the column is low, the droplets have enough time to form a spherical shape as they descend, and then gradually gel. Ammonia concentration in organic liquids can be determined by titration with hydrochloric acid to the bromothymol blue endpoint, approximately
It can be maintained between 0.01 and about 1.0% by weight, preferably between about 0.04 and about 0.07%. Lower concentrations generally result in flat spheres, and higher concentrations result in deformations such as tail formation. Column lengths can vary widely and will typically be about 3 to 20 feet (0.91 to 6.10 m) high. The organic phase is generally about 1/3 to about 2/3 of the length of the column.
and the solidification phase can be the remainder. The aqueous medium can contain any substance that induces gelation and has a suitable specific gravity, ie, a specific gravity lower than that of the slurry droplets. This allows the sphere to pass through the aqueous medium. Aqueous solutions of alkalis, such as sodium hydroxide, sodium carbonate or ammonia, can be used as coagulation media. A preferred medium is an aqueous solution of ammonia. This is because ammonia and its neutralization products can be easily separated from the spheres in subsequent processing steps. There is no need to remove ammonium residues since washing will remove sodium residues. The ammonia concentration in the aqueous phase is about 0.5 to 28.4% by weight, preferably about 1.0 to about 4.0
% by weight. During long-term use,
Ammonium nitrate and ammonium acetate are produced,
May accumulate to steady state levels in the aqueous phase. There are products of the neutralization reactions that occur during gelation of the spheres. The steady state concentration of the product will depend on the acid concentration in the alumina slurry feed. In developing the method, ammonium acetate and ammonium nitrate were added to the aqueous ammonia phase to simulate the effects of the ultimate steady state values of these salts. For the preferred slurry composition, the concentrations used were typically about 1.3% and about 0.8% by weight, respectively. In continuous operation, ammonia must also be constantly added to the aqueous phase to replace that used for gelling the spheres. In a preferred embodiment, the aqueous phase is circulated between the column and the ammonia addition tank. This tank also serves as a reservoir with a batch collection system that takes in the aqueous ammonia solution displaced from the column as the balls fill the collection vessel. The aqueous phase is withdrawn from the column to maintain a constant interfacial level. In a continuous ball withdrawal system, the ammonia additive sump feature of the aqueous phase is unnecessary. Any type of collection system can be used. The cross-sectional area of the column depends on the number of nozzles used. For one nozzle, a 1 inch (2.54 cm) diameter column provides a cross-sectional area of approximately 5 cm2 ;
This is sufficient to prevent uncoagulated droplets from impinging on the column walls and from sticking and contaminating the column walls.
A 4 inch (10.2 cm) diameter column provides sufficient cross-sectional area for up to about 16 to 20 nozzles, allowing droplets to pass through the column independently without contacting each other or the walls. In one embodiment of a suitable column, the aged slurry is pumped into a pressurized multi-orifice feed distribution arrangement. This distributor is located at the top of the oil column and is approximately 0.5 inch above the organic liquid.
Contains numerous nozzles located at 1.3 inches).
The feed distributor pressure depends on the viscosity of the slurry. Pressures of about 0.1 to about 15 psi (about 0.007 to 1.054 Kg/cm 2 ) gauge are typically used. The pressure in the feed distributor regulates the rate of droplet formation. The droplet formation rate is about 10~
It varies between about 250 drops/min, preferably about 140 to about 180 drops/min. Approximately 1.5~2.5psi (0.105~
A distributor pressure of 0.176 Kg/cm 2 ) provides the desired drop velocity when the slurry viscosity is between about 800 and about 1200 cps. Particles of desired size can be formed by changing the diameter of the nozzle used. For example, inner diameter 0.11
An inch (0.28 cm) nozzle will produce a sphere approximately 1/8 inch (0.32 cm) in diameter. Preferably, an air flow can be generated around the nozzle to prevent ammonia vapor from prematurely gelling the droplets. Droplets of slurry are formed in air at the tip of the nozzle and fall through the air into the body of water-immiscible liquid. When a drop of slurry initially contacts a water-immiscible liquid, the drop is typically lens-shaped. As the droplets fall through the ammoniated organic liquid, they gradually form into spherical particles, which are fixed in this shape by the coagulating ammonia and further solidified by the aqueous ammonia phase below. The particles are then aged in aqueous ammonia at about 0.5-28.4% by weight, preferably the same concentration as the column. The particles also develop hardness so that they do not deform during subsequent transport and processing steps. Generally, the particles are aged for about 30 minutes to about 48 hours, preferably about 1 to 3 hours. The particles are then drained and dried. Approximately 210~
Forced air drying to about 400° C. (about 98.9° to about 204° C.) for about 2 to 4 hours is advantageous, although other drying methods can be used. In a preferred drying method,
Drying is done at a temperature of about 300°C (149°C) gradually and uniformly.
This can be done for 3 hours by programming the temperature to rise to The amount of air used is 1 pound of Al 2 O 3 (0.454
Approximately 400~600 standard cubic feet (11.3~
can usually vary between 17.0m3 ). In some circumstances, a portion of the air may be recirculated to control the humidity of the drying medium. The spheres are usually spread out on a perforated holding surface or screen to a thickness of 1 to 6 inches (2.5 to 15.2 cm), preferably 2 to 4 inches (5.1 to 10.2 cm). Shrinkage usually occurs during drying, but the spheres retain their shape and integrity. Deviating from the prescribed conditions for the preparation of the starting materials often results in significant changes in the resulting product. Excessive powder particle size, crystallinity, and impurity levels can cause cracking and fracture during drying.
On the other hand, excessive levels of gel in the powder or pseudoboehmite will cause excessive shrinkage and densification during drying, which also leads to cracking. Alumina compositions suitable for forming spheres other than the products of the invention generally have a boehmite or pseudoboehmite crystal structure, preferably a microcrystalline structure, a nitrogen pore volume of 0.4 to 0.6 cm 3 /g, and a surface area of 50 m 2 /g or more. It will contain a sticky, amorphous gel. The dried spherical product is then treated at elevated temperatures to convert the crystalline alumina hydrate and amorphous gel components to transitional alumina. This can be carried out by a batch or continuous calcination process by contacting the product with a hot gas, which can be a directly heated gas or a conventional fuel-air combustion gas. Regardless of the particular method used, the product is calcined at a particular temperature range depending on the particular transitional alumina desired. For example, to obtain gamma type alumina,
The product can be conveniently calcined at a temperature of about 1000° to about 1500° C. (about 538° C. to about 816° C.). For applications that retain high temperature stability while maintaining high surface area and high porosity, the target material can be θ-alumina. Primarily theta-alumina products are approximately
1750 to about 1950〓 (about 954 to 1066℃), preferably about
At 1800 to about 1900〓 (about 982 to about 1038℃),
It can be obtained by calcining for about 30 minutes to about 3 hours, preferably about 1 to about 2 hours. For automotive exhaust catalysts, the high temperature treatment step is often referred to as stabilization. The catalyst support, consisting of spherical alumina particles and obtained after stabilization, has properties in the following ranges: Properties Approximate General Range Surface Area (m 2 /g) 80-135 Packed Bulk Density (lbs/ft3)
20−36 Total pore volume (cm 3 /g) 0.8−1.7 Pore size distribution (cm 3 /g) Less than 100Å 0−0.06 100−1000Å 0.5−1.0 1000−10000Å 0.1−0.4 Greater than 10000Å 0−0.4 Destruction Strength (lb-force) 5-15 Volume shrinkage (%) 0-6 Abrasion loss (%) 0-5 Mesh size -4+10 However, when using preferred starting materials under preferred manufacturing conditions, the range of properties Properties Typical Range Surface Area (m 2 /g) 90-120 Packed Bulk Density (lbs/ft3) 26-32 Total Pore Volume (cm 3 /g) 0.9-1.2 Pore Size Distribution ( cm 3 /g) Less than 100Å 0-0.04 100-1000Å 0.6-0.9 1000-10000Å 0.2-0.3 Greater than 10000Å 0-0.3 Breaking strength (lb-force) 7-12 Volume shrinkage (%) 2-4 Abrasion Loss (%) 0-2 Mesh size -5+7 Surface area is nitrogen BET surface area and other properties specified above were determined by the following method.
These methods can also be applied to finished catalysts. Packed Bulk Density A constant weight of activated spheres is placed in a graduated cylinder and contained within a graduated volume. As used here, the term "activated" refers to
This means processing in a forced draft oven at 320°C (160°C) for 16 hours. This activation ensures that all materials are tested under the same conditions. The graduated cylinder is then shaken until all settling has stopped and a constant volume is obtained.
Next, calculate the weight of the sample occupying a unit volume. Total Specific Pore Volume A fixed weight of activated spheres is placed in a small container (eg, a vial). Using a water-filled micropipette, the sample is titrated with water until all pores are filled, and the end point of the titration occurs at the initial wetting of the surface. These measurements agree with the total porosity calculated from the following equation: p=f/D-1/ρ p=total specific porosity (cm 3 /g) f=volume filling fraction (for spheres) typically 0.64
±0.04) D = Filled bulk density (g/cm 3 ) ρ = Crystal density of framework alumina (g/cm 3 ) (typically 3.0-3.3 g/cm 3 for transitional alumina) Mercury pore size distribution The pore size distribution within the activated spherical particles was determined by mercury porosimetry. Mercury penetration technology is based on the principle that the smaller a given pore, the greater the mercury pressure required to force mercury into the pore. That is, by exposing the activated sample to mercury, applying pressure in increments, and reading the volume of mercury at each increment, the pore size distribution can be determined. The relationship between pressure and the smallest pore through which mercury can pass at that pressure is given by: γ = -2σCOSθ/P where γ = surface tension θ = contact angle P = pressure 60000 psi (4218 Kg/cm 2 ) using a pressure up to the gauge and a contact angle of 140°, the range of pore diameters covered is
It is 35-10000 Å. Average breaking strength Breaking strength is measured using a Pfizer hardness tester (Pfizer hardness tester).
Hardness Tester) TM141−33 (Charles Pfizer
and Co., Inc. 630 Flushing Avenue, Brooklyn,
It is measured by placing a spherical particle between two parallel plates in a testing machine such as the New York (New York). Gently move the board closer together with your hands. The amount of force required to break the particles is written on the dial corrected to pounds of force. Destroy a sufficient number of particles (eg, 50) to obtain a satisfactory estimate of significance for the total number. Calculate the average value from the individual results. Shrinkage A certain amount of particles is placed in a graduated cylinder and shaken until settling no longer occurs, as in the measurement of packed bulk density. Next, this sample is placed in a Matsufuru furnace at 1800°C (982°C) for 24 hours. At the end of this exposure, after shaking until sedimentation no longer occurs, the volume is measured again. Volume loss after heating is calculated based on the original volume and reported as percentage shrinkage. Abrasion Losses A settling volume (60 c.c.) of the material to be treated is placed in a specially constructed inverted Ernmeyer flask connected to a metal orifice inlet. 14 Place a large (1 inch) outlet covered with mesh mesh on the flat side of the flask. High velocity dry nitrogen gas is passed through the inlet orifice to cause the particles to (1) circulate and abrade each other, and (2) collide with each other in the top region of the flask to break up as a function of strength.
Process the material for 5 minutes and weigh the remaining particles.
The weight loss expressed as the initial feed after the test is
Expressed as wear loss. Nitrogen flow is approximately 3.5-4.0, depending on the density of the material
It will range from about 99 to 113 cubic feet per minute. The flow rate must be sufficient to impact the particles in the top region of the flask. Fines produced by abrasion are carried away from the flask by the nitrogen stream, causing a weight loss of the original feed material. The alumina of the present invention and the above sphere forming conditions are:
Spherical alumina particles are provided that have a highly unexpected and unique combination of desirable properties. The spheres have a total pore volume ranging from about 0.8 to about 1.7 cm 3 /g.
Although this is a high total pore volume, it is not exceptional in itself. What makes this pore volume exceptional is the distribution of the pores that make up this volume and its high temperature stability. The large volume part is composed of micropores (>1000 Å). Most of the remainder of the pores are in the 100-1000 Å range.
A very small number of micropores (<100 Å) are present.
This type of distribution is important for catalyst activity and stability. In a heterogeneous process, the activity of a catalyst depends on the rate of diffusion of reaction components into and rate of reaction products leaving the catalytic sites. Therefore, reactions in catalysts containing large amounts of macropores are less dependent on diffusion. However, the macropores occupy only a small portion of the surface area of the sample. The medium sized pores provide the surface area necessary for catalyst activity.
This surface area has two components: a component required by the catalytically active clusters themselves and a component required to keep the clusters separate. When the clusters fuse together,
The catalytic surface area of the cluster will eventually decrease and the catalytic activity will increase. Microporosity, of course, gives a very large surface area, but this does not necessarily give good catalytic activity. reaction components and/or
Or product diffusion may be the rate controlling factor. The pores may be closed by sintering that occurs during use of the catalyst, or by the deposition of catalyst poisons, such as lead compounds in automobile exhaust systems. In either case, the activity of the catalyst in the closed pores will be lost. The surface area of the product spheres is high, but not unusually high. The surface area ranges from about 350 m 2 /g to about 500 m 2 /g for spheres heated to 1000〓 (538°C) and for spheres thermally stabilized at 1800-1900〓 (982-1038°C). Approximately 80m 2 /g ~ approximately 135m 2 /
g. Importantly, however, most of the surface area is associated with medium-sized pores and not with micropores. This favorable porosity distribution and its pore volume stability are a direct result of the unique combination of properties in the alumina powder used to make the spheres.
In particular, its purity and high ratio of crystalline material to alumina gel aid in minimizing microporosity. These properties also help explain the high temperature stability of the spheres. The spheres exhibit low volumetric shrinkage, preferably about 4% or less. The spheres retain a transitional alumina structure. α-Alumina is not detected even at temperatures of 1950°C (1066°C). It is well known that impurities act as sintering aids. Therefore, high impurity levels can promote shrinkage and alpha-alumina formation. High gel content also leads to the formation of α-alumina at high temperatures. High microporosity can result in high volumetric shrinkage as the pores are closed during sintering. The spheres also have an unusual combination of low bulk density and relatively high breaking strength. Low bulk density is important for fast light off, ie high initial activity. The crystallinity of the alumina composition is a contributing factor to both the low bulk density and high fracture strength. The low wear losses exhibited by the sphere are a direct result of the sphere's shape and strong construction. A smooth surface will not wear as easily as an irregular surface exhibiting corners and/or edges. Also, gelling methods produce cohesive, uniform particles rather than the layered particles that result from some mechanical boring methods. Mechanically formed particles can flake off during wear. Another feature of the sphere formation method is the close control of sphere size. In a given batch, more than 95% of the balls will fall within one mesh size, ie, within the range of -5+6 or -5+7. That is, 95% of the spheres pass through the 4 mm aperture sieve, but are retained on the 3.55 mm aperture sieve.
Small variations in the major or minor axis of the sphere
It is 0.015 inch (0.38 mm). That is, a controlled distribution of sphere sizes can be obtained by using an appropriate nozzle size distribution. This can facilitate regulating the pressure differential across the packed catalyst bed, which is an important factor in automotive exhaust catalytic systems. The nature of the spherical product defines a unique sphere that, taken as a whole, makes an excellent catalyst support. Such supports are characterized by low density, high macroporosity, high fracture strength, high temperature shrinkage resistance, good abrasion resistance and controlled size and shape. Process for Preparation of Supported Catalysts Catalysts consisting of spherical alumina supports impregnated with a catalytically effective amount of at least one catalytically active metal or metal compound are highly effective in many catalyst systems, especially those operating at high temperatures. It is effective for Alumina itself is catalytically active and is usually impregnated with a suitable catalytic material and activated to promote its activity. The choice of catalyst material, its amount, impregnation method and activation method will depend on the nature of the reaction for which the catalyst is to be used. Preferably, the catalytically active metal is a platinum group metal consisting of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, and combinations thereof. The catalysts described above have the high initial and sustained activity necessary to meet the increasingly stringent exhaust gas controls required by state and federal laws of the United States and the laws of other countries. The catalyst agent therein is distributed at specific locations within the catalyst particles. Catalytic agents typically used in automotive exhaust catalysts are platinum group metals. Due to the high price of these metals, it is uneconomical to use large quantities. Therefore, it is important to position these metals in the most efficient and skillful manner. Examples of suitable platinum group metals are platinum, palladium, rhodium, ruthenium, iridium, and osmium and combinations thereof. The use of platinum group metals in automotive exhaust catalysts has been constrained by the natural occurrence of these metals. Most of the world's supply comes from South Africa, where the main metals are platinum, palladium and rhodium, which occur naturally in the approximate proportions of 68 parts platinum, 27 parts palladium and 5 parts rhodium. Typically, the total precious metal content of an automotive exhaust catalyst is from about 0.005 to about
1.00% by weight, preferably about 0.03-0.30% by weight, this range being both economical and technically possible. Of course, the optimal combination of metals will give the catalyst specific performance benefits, such as high levels of palladium for the more rapid oxidation and excellent thermal stability of generalized carbon, or greater catalyst poison resistance and hydrocarbons. combinations that provide high amounts of platinum for excellent resistance to oxidation, or high concentrations of rhodium for improved conversion of nitrogen oxides to nitrogen. Catalysts using spherical alumina as a carrier can contain only one type of platinum group metal, but usually contain several types.
The ratio of metals can vary over a wide range, but preferably the catalyst contains about 50% each of platinum and palladium.
or platinum, palladium and rhodium in a weight ratio of about 68 parts, 27 parts and 5 parts, respectively. Various noble metal compounds are well known and described in the literature. The type of compound used depends largely on the nature of the surface of the carrier and the interaction that occurs with it. For example, the anion or cation of platinum can be converted into H 2 PtCL 6 or Pt
(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 can be used. The introduction of the noble metal compound used into the support ensures that once the noble metal compound is decomposed into the active form (metal or metal oxide), it is highly dispersed and positioned in specific positions in the catalyst particles. It should be ensured that the According to our research, for a high degree of initial activity there is a favorable positioning for the metals as well as a favorable distribution of one metal with respect to the other, which is particularly important for sustained durability. I found out something. The ability to control positioning and dispersion depends on the noble metal compound used. US patent to Graham et al.
The complex described in No. 3932309 has been found to be particularly useful. In this method, the catalyst is prepared by impregnating a support with a sulfite-treated platinum and palladium salt solution. These sulfite complexes give a high degree of dispersion when applied to a carrier. The cationic form of the complex, e.g.
By varying the NH4 + or H + form, the depth of metal impregnation within the particles can be varied. Our research has shown that for high initial activity and, more importantly, high sustained activity, the precious metal should be located such that approximately 50% of the total precious metal surface area is deeper than approximately 50 microns. I understand. Regarding the specific positioning of the precious metal, it has been found that the preferred positioning of the precious metal should be such that about 50% of the active metal is located deeper than about 75 microns. Measurement of the noble metal surface area is carried out by hydrogen titration of oxygen. Detailed methods for performing this quantification can be found in DEMears and RCHansford, J.
of Catalysis, Vol. 9, 125-134 (1967). Elemental analysis is performed using conventional analytical methods. A method called the chloroform abrasion method is used to measure the surface area and precious metal concentration at specific depths within catalyst particles. This method is
It consists of stirring a certain weight of catalyst in a liquid (chloroform) for a certain length of time depending on the amount of surface to be abraded. Separate the worn material from the unworn remainder, dry and weigh.
By knowing the initial dimensions of the catalyst particles and the shape and weight of the particles, the depth removed can be determined. The wear material is analyzed for its precious metal surface area and precious metal content. From these data,
The noble metal surface area and noble metal content can be calculated as a function of depth into the catalyst particles. The activity and durability of the catalyst was finally tested in several ways. Bench scale testing is conducted in a manner that simulates the cold start experienced by the catalyst on a vehicle. Once the catalyst is heated, after a certain time it reaches an essentially steady state, at which time the efficiency is at a level that depends on the inherent activity of the catalyst. In a bench-scale test, a 13 cm3 sample was contacted with the gas at a sufficient total gas flow rate.
Achieve a gas hourly space velocity of 38000/hour. The simulated exhaust gas contains 1700ppm carbon as propane,
Contains 4.5% carbon monoxide by volume, with the balance made up of nitrogen. The preheat gas, if containing oxidizing species, will heat the catalyst bed to 700°C (371°C). However, due to the presence of carbon monoxide and hydrocarbons, the temperature increase in the catalyst bed is accelerated due to the exothermic oxidation reaction. In this test, the important parameters are the rate of light-off, measured by the time to reach 50% conversion of carbon monoxide and hydrocarbons, and the monoxide that occurs when the catalyst reaches essentially steady state. Carbon and hydrocarbon conversion efficiency. Catalysts with spherical alumina supports reach 50% conversion in a very short time and have very high conversions of hydrocarbons and carbon monoxide. With the phenomenon of fluctuating temperature conditions, lead, sulfur,
The catalyst is aged in a pulse flame combustor system to evaluate its durability when exposed to fuel additives containing phosphorus and phosphorus. In this system, a fuel doped with all of the toxic precursors found in normal fuel is burned.
Poisons to the catalyst, such as lead, sulfur and phosphorous compound deposits, formed. The fuel, which is hexane doped with tetramethyl lead antiseptics, trimethyl phosphite and thiophene, contains 0.23 g/gal (0.06 g/) lead, 0.02
Contains equivalents of g/gal (0.005 g/) phosphorus and 0.03% sulfur by weight. Fuel flow is 15ml/
It's time. 2000 and 500 for nitrogen and oxygen respectively
Mix at standard cm 3 /min. An additional 50 standard cm 3 of oxygen is added after the combustion point to ensure an oxidizing atmosphere. A detailed description of pulse flame combustor operation can be found in K.
Otto, RADalla Betta and H.C.Yao, J. Air
Pollution Control Association , Vol.No.6,
Pages 596-600, June 1974.
A 13cm3 sample was heated to 1300㎓ (704℃) for 1 hour and
Exposure to repeated temperature cycles consisting of 2 hours at 1000°C (538°C). Temperatures are average catalyst bed temperatures. During extended aging periods of up to 500 hours, samples are periodically tested for activity by removing the sample from the pulsator unit and testing it on a bench scale activity unit. Small scale activity and aging tests are valuable in screening many catalysts; however, the ultimate test is a full scale vehicle or engine dynamometer evaluation. For a detailed explanation of the engine power test, please DM
Herod, MV Nelson and WMWang,
Society of Automotive Engineers , Paper
No.730557, reported in May1973. This test is similar to previously reported bench-scale activation tests. An ambient temperature catalyst contained within a full-scale converter is contacted with hot exhaust gas from the engine in a tightly controlled manner. The conversion of carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxides is monitored as a function of time. Detailed in the July 1970 Federal Register, and 1971
Federal Test Act as amended by notice in the Federal Register of July 2, 2015
A correlation has been developed that can predict the extent of a catalyst's performance when tested in a CVS test performed by a method (Procedure). Durability testing of full-scale converter charges of catalysts by JCPassassa and DGBeyerlin,
Society of Automotive Engineers , Paper
No. 730558, May 1973. Once the catalyst passes the laboratory engine dynamometer activity and durability tests, it is then subjected to fleet testing on standard production type vehicles.
Vehicles are tested in accordance with the Federal Testing Laws set forth above and incorporated herein by reference. This method is designed to quantify hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides in gas emissions from motor vehicles while simulating an average trip in an urban area of 7.5 miles from a cold start. The test consisted of starting the engine and driving the car on the Chassis dynamometer according to a specified driving schedule consisting of a total of 1371 seconds.
A proportionate portion of the diluted gas emissions is continuously collected for subsequent analysis using a fixed volume sampler. The dynamometer test consists of two tests, one of which is a cold start after a minimum waiting period of 12 hours;
The other is a hot start test with a 10 minute wait between the two tests. Starting the engine, running it through the operating schedule, and shutting down the engine constitute a complete cold start test. Starting the engine and running for the first 505 seconds of the run chart completes the hot start test. The engine emissions are diluted with air to a constant volume and a portion is taken in each test. The composite sample is collected in a bag and analyzed for hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide and nitrogen oxides. Parallel samples of diluted air are similarly analyzed for hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides. Vehicle aging of the catalyst is performed in accordance with the operating schedule set forth in the Appendix "D" table of the aforementioned US Federal Test Methods. This table consists of 11 3.7 mile laps of stop and go driving with lap speeds varying from 30 to 70 m/hr, repeated for 50,000 miles. The average speed is 29 m/hour. Periodically, the vehicle is tested on a Chassis dynamometer to evaluate the durability of the emissions control system. Catalysts designed for three-way control of carbon monoxide, hydrocarbons, and nitrogen oxides are carriers with excellent physical integrity due to variations in the reducing or oxidizing nature of the exhaust environment. Requires. Additionally, catalysts require supports with low densities and high macroporosity due to the inherent difficulty in achieving the excellent carbon monoxide removal and fast light-off required for excellent overall performance. shall be. Rhodium is typically a catalytic agent added for improved three-way regulation, and because its production is low, it must be used efficiently and strategically located. As with oxidation catalysts, three-way catalysts have high initial activity as well as excellent long-term performance when the active metal is properly positioned. We believe that for the combined high initial activity and long-term catalytic durability,
We have discovered that the precious metals should be located such that about 50% of the total precious metals are present at depths greater than about 75 microns. Laboratory measurements of the activity of three-way catalysts are made by contacting 13 cm 3 of catalyst with a gas flow sufficient to reach a gas hourly space velocity of 40,000/hour. Gas composition: 1% carbon monoxide, 250ppm
hydrocarbon consisting of a 3/1 mixture of propylene and propane, 0.34% hydrogen, 1000 ppm NO,
It consists of 12% carbon dioxide, 13% water and varying amounts of oxygen to change its properties from reducing to oxidizing.
Nitrogen is added as a balance. A measure of the reducing or oxidizing nature of the exhaust gas environment (φ) is given by: φ = actual concentration of oxygen in the feed composition/stoichiometrically required concentration of oxygen The catalysts are evaluated at various values of φ and various steady state temperatures. Bench scale durability testing is performed in essentially the same manner as for oxidation catalysts. Periodic tests are carried out for the period of the aging table. Full-scale engine or chassis dynamometer evaluation in technically and economically possible systems is
This is done by closely adjusting the air/fuel ratio. Aging is carried out in a system in which the exhaust gas environment exposing the catalyst is similarly controlled. Periodic tests of three-way performance are performed over the aging table period. The new catalyst with a spherical alumina support was tested by a number of methods developed by automobile manufacturers to measure catalyst performance. In one particular test, 1000〓(538℃) and
The conversion efficiency is measured at a gas hourly space velocity of 75000/h. This test is particularly specific in determining the relative ability of catalysts to oxidize hydrocarbons. Typical ranges of the performance of our new highly favorable catalyst compared to the performance achieved by commonly produced typical catalysts are as follows: Other useful tests used to distinguish new catalysts from commonly produced catalysts are:
The test measures the temperature at which 50% of the carbon monoxide in the test gas mixture is oxidized at a gas hourly space velocity of 1400/hour. Lower temperatures produce higher average activity. The following is a typical range of performance for our new highly preferred catalyst compared to the performance of commonly produced typical catalysts:
Due to the low density and multi-macroporous nature of the alumina spheres described above, catalytic agents, such as platinum group metals, can be utilized very efficiently when applied at appropriate locations and distributions within the catalyst. Because of this efficient use, the catalyst does not need to have precious metals at levels beyond its economic limits. Therefore, the range of amounts of total precious metals used is as follows: Wide Range Typically Weight % Total Precious Metals Used 0.005-1.0 0.03-0.30 The particular choice of catalyst used will depend on the performance characteristics desired for the system. Depends on. Predominantly, the precious metals used in automotive exhaust emission control are platinum, palladium, rhodium and mixtures thereof. The approximate range of these main components is as follows: [Table] %)
Rhodium (% of total) 0-20% 5-15%
The high degree of multi-macroporosity created in the support allows the precious metal to be located deeper than in normally prepared typical catalysts, making it highly dispersed and susceptible to crystal growth. It is resistant. The catalyst is therefore characterized as having a high and stable metal surface area. The following ranges distinguish our new advanced catalyst from commonly produced typical catalysts. [Table] Range
Our novel catalysts are further characterized by the specific depth to which the catalytic agent is deposited. Significant differences exist between these catalysts and the typical catalysts commonly produced, as can be seen below: Due to the unique performance characteristics given to
Their distribution and location are the distinguishing characteristics of the new catalyst. Although the total proportions of the catalyst can be fixed as a whole, these components are specifically located within these catalysts. The following shows the preferred ranges of depth and distribution that characterize these catalysts: Approximate maximum depth of penetration Platinum Wide Typical 125-400 microns Preferred 125-250 Microns Palladium Wide Typical 125-400 Microns Preferred 125-250 Micron Rhodium Wide Typical 125-250 microns Preferred 125-200 microns Our catalyst is characterized by the following performance characteristics that distinguish it from commonly produced typical catalysts. [Table] Media
t 50 CO = Time required for conversion rate of 50% carbon monoxide (seconds).
[Table] Parameter Typical Typical

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (a) Al2O3の濃度が5〜9重量%でありかつ
温度が130〜160〓(約54〜約71℃)であるアル
ミニウム塩の水溶液を、温度が140〜170〓(約
60〜77℃)である水に加え、該溶液は混合物の
PHを2〜5に調節するのに十分な量で加え、 (b) 混合物に追加量のアルミニウム塩溶液を加
え、同時に但し別に、Al2O3濃度が18〜22重量
%でありかつ温度が130〜160〓(約54〜約71
℃)であるアルミン酸アルカリ金属塩の水溶液
を加えて、アルミナを沈澱させてアルミナスラ
リーを形成し、これによつて混合物のPHをPH7
〜PH8の範囲の値に上昇させ、 (c) スラリーのPHを7〜8に、スラリーの温度を
140〜180〓(約60〜約82℃)に、そしてアルミ
ニウム塩溶液およびアルミン酸アルカリ金属塩
溶液の添加速度を維持して、ベーマイト−擬ベ
ーマイト中間体と非晶質アルミナを沈澱させ、 (d) スラリーのPHをアルカリ性溶液の添加によつ
て9.5〜10.5に調節し、そして (e) スラリーを過し、そしてフイルターケーキ
を洗浄する、 ことを特徴とする結晶性α−アルミナ−水和物の
製造法。 2 アルミニウム塩は硫酸アルミニウムであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の方
法。 3 硫酸アルミニウム溶液は1.2以上のSO4 --
Al2O3のモル比をもつことを特徴とする特許請求
の範囲第2項記載の方法。 4 工程(a)において加えるアルミニウム塩の溶液
の量は混合物のPHを3〜4に調節するのに十分な
量であることを特徴とする特許請求の範囲第1、
2または3項記載の方法。 5 アルミン酸アルカリ金属塩はアルミン酸ナト
リウムであることを特徴とする特許請求の範囲第
1、2、3または4項記載の方法。 6 PHは工程(d)においてアルミン酸ナトリウム溶
液の添加によつて調節することを特徴とする特許
請求の範囲第5項記載の方法。 7 工程(d)において加えるアルミン酸ナトリウム
の溶液は混合物のPHを9.6〜10.0に調節するのに
十分なものであり、そして混合物はこのPHにおい
て6〜12分間熟成することを特徴とする特許請求
の範囲第6項記載の方法。 8 工程(b)は48〜52分間実施し、そしてスラリー
の温度は工程(c)において155〜165〓(約68〜約74
℃)に維持することを特徴とする特許請求の範囲
第1〜7項のいずれかに記載の方法。 9 更に(f)フイルターケーキを再スラリー化し、
そして生じたスラリーを乾燥する追加の工程を含
むことを特徴とする特許請求の範囲第1〜8項の
いずれかに記載の方法。 10 スラリーを噴霧乾燥し、噴霧乾燥前PH7以
下に酸性化することを特徴とする特許請求の範囲
第9項記載の方法。 11 生成物を18〜33重量%の水分含量に乾燥す
ることを特徴とする特許請求の範囲第9または1
0項記載の方法。 12 生成物を20〜28重量%の水分含量に乾燥す
ることを特徴とする特許請求の範囲第11項記載
の方法。 13 工程(a)において加える硫酸塩溶液の量は混
合物のPHを3.0〜4.0に調節するのに十分な量であ
り、工程(b)は48〜52分間実施し、スラリーの温度
は工程(c)において155〜165〓(約68〜約74℃)に
維持し、そしてスラリーのPHは工程(d)において
9.6〜10.5に維持することを特徴とする特許請求
の範囲第1〜12項のいずれかに記載の方法。 14 工程(d)におけるPHの調整後かつ工程(e)にお
ける過前において系を30分間以上熟成すること
を特徴とする特許請求の範囲第1〜13項のいず
れかに記載の方法。
[Claims] 1 (a) An aqueous solution of an aluminum salt having an Al 2 O 3 concentration of 5 to 9% by weight and a temperature of 130 to 160°C (about 54 to about 71°C) is heated to a temperature of 140°C. ~170〓 (approx.
60-77°C), the solution is
(b) add an additional amount of aluminum salt solution to the mixture, simultaneously but separately providing that the Al2O3 concentration is 18-22% by weight and the temperature is 130~160〓(approx. 54~approx. 71
℃) to precipitate the alumina to form an alumina slurry, thereby reducing the pH of the mixture to PH7.
(c) Raise the pH of the slurry to a value in the range of ~ 8 to 8, and (c) raise the PH of the slurry to 7-8 and the temperature of the slurry.
140 to 180 °C (about 60 to about 82 °C) and the addition rates of the aluminum salt solution and alkali metal aluminate solution to precipitate the boehmite-pseudoboehmite intermediate and amorphous alumina, (d ) adjusting the pH of the slurry to between 9.5 and 10.5 by addition of an alkaline solution; and (e) filtering the slurry and washing the filter cake. Manufacturing method. 2. The method according to claim 1, wherein the aluminum salt is aluminum sulfate. 3 Aluminum sulfate solution has SO 4 -- /
3. Process according to claim 2, characterized in that it has a molar ratio of Al 2 O 3 . 4. Claim 1, characterized in that the amount of the aluminum salt solution added in step (a) is sufficient to adjust the pH of the mixture to 3-4.
The method described in item 2 or 3. 5. The method according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the alkali metal aluminate is sodium aluminate. 6. The method according to claim 5, characterized in that the pH is adjusted in step (d) by adding a sodium aluminate solution. 7. Claim characterized in that the solution of sodium aluminate added in step (d) is sufficient to adjust the pH of the mixture to between 9.6 and 10.0, and the mixture is aged at this pH for 6 to 12 minutes. The method described in item 6. 8 Step (b) is carried out for 48 to 52 minutes, and the temperature of the slurry is 155 to 165〓 (about 68 to about 74
8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the temperature is maintained at 9 Furthermore, (f) re-slurry the filter cake,
9. A method according to claim 1, further comprising the additional step of drying the resulting slurry. 10. The method according to claim 9, characterized in that the slurry is spray-dried and acidified to a pH of 7 or less before spray-drying. 11. Claim 9 or 1, characterized in that the product is dried to a moisture content of 18 to 33% by weight.
The method described in item 0. 12. Process according to claim 11, characterized in that the product is dried to a moisture content of 20 to 28% by weight. 13 The amount of sulfate solution added in step (a) is sufficient to adjust the PH of the mixture to between 3.0 and 4.0, step (b) is carried out for 48 to 52 minutes, and the temperature of the slurry is equal to or lower than that in step (c). ), and the pH of the slurry was maintained at 155 to 165〓 (about 68 to about 74℃) in step (d).
13. A method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the temperature is maintained between 9.6 and 10.5. 14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the system is aged for 30 minutes or more after the pH adjustment in step (d) and before step (e).
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