Способ гидролиза изопропоксида алюминия

Изобретение может быть использовано при получении высокочистого оксида алюминия. Способ гидролиза изопропоксида алюминия включает взаимодействие изопропоксида алюминия с раствором изопропилового спирта в воде при интенсивном перемешивании. Получают суспензию, содержащую гидроксид алюминия и осушенный изопропиловый спирт со следовыми количествами воды. Состав исходной смеси, подаваемой на гидролиз, следующий, мас.%: изопропоксид алюминия 15,7-52,7, раствор изопропилового спирта в воде 84,3-47,3, в том числе изопропиловый спирт 80,1-33,1, вода 4,2-14,2. Состав образующейся суспензии следующий, мас.%: изопропиловый спирт 93,9-79,6, вода 0,0-0,3, гидроксид алюминия 6,0-20,1. Изобретение позволяет исключить стадии фильтрации, сушки гидроксида алюминия и разделения изопропилового спирта и воды после гидролиза, получить мелкодисперсный порошок гидроксида алюминия. 1 табл., 9 пр.

 

Изобретение относится к химико-технологическим процессам, в частности к химическим способам получения гидроксида алюминия высокой степени чистоты из изопропоксида алюминия, и может быть использовано как часть технологии получения высокочистого оксида алюминия, предназначенного для выращивания монокристаллов лейкосапфира, изготовления специальных видов стоматологических цементов и керамики, производства катализаторов, медицинских инструментов, лекарств и косметических средств.

Суть процесса гидролиза заключается во взаимодействии воды с органическими или неорганическими веществами с разложением данных веществ и образованием новых соединений.

При взаимодействии изопропоксида алюминия с водой происходит образование изопропилового спирта и гидроксида алюминия.

От условий гидролиза изопропоксида алюминия зависит, с одной стороны, структура агломератов образующихся частиц гидроксида алюминия и степень их дисперсности, а с другой стороны, количество остаточной (не вступившей в реакцию) воды, содержащейся в образующемся изопропиловом спирте.

Наиболее предпочтительными с технологической точки зрения являются малый размер агломератов гидроксида алюминия и высокая их дисперсность в реакционном пространстве гидролиза, а также минимальное содержание воды в продуктах гидролиза. До сих пор не существовало ни одного способа гидролиза изопропоксида алюминия, позволяющего одновременно достигнуть всех перечисленных показателей.

Для повышения степени дисперсности частиц гидроксида алюминия и получения их агломератов меньшего размера применяются различные технологические приемы, например: 1) использование воды в большом избытке по отношению к теоретически необходимому ее количеству для реакции с изопропоксидом алюминия; 2) применение поверхностно-активных веществ и других добавок; 3) ввод водяного пара в качестве гидролизующего агента. При использовании первых двух приемов обязательными условиями являются: создание маловязкой, сильно разбавленной жидкой среды и эффективное механическое перемешивание реакционной массы гидролиза. При проведении процесса гидролиза в присутствии водяного пара возникают трудности с извлечением образующегося порошкообразного гидроксида алюминия из реакционного аппарата и с точностью дозировки подаваемого в систему пара. Во всех случаях в составе реакционной смеси, покидающей систему гидролиза, присутствует избыточная вода.

С целью создания сбалансированной и малоотходной технологии получения высокочистого оксида алюминия, изопропиловый спирт, являющийся продуктом гидролиза, необходимо использовать как сырьевой компонент при получении исходного изопропоксида алюминия.

Согласно известному способу получения изопропоксида алюминия (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2313515) путем алкоголиза алюминия изопропиловым спиртом в составе реакционной массы не должна содержаться вода. Ее присутствие затрудняет взаимодействие изопропилового спирта с алюминием, стабилизируя на поверхности металла оксидную пленку. Поэтому возврат изопропилового спирта с процесса гидролиза в процесс алкоголиза возможен только через систему ступенчатой и дорогостоящей его осушки. Это увеличивает себестоимость производимого по алкоголятной технологии оксида алюминия, повышает сложность аппаратного оформления и приводит к большим технологическим потерям.

Среди способов гидролиза изопропоксида алюминия известен гидролиз водяным паром (см., например, Сударикова Е.Ю. Получение прекурсоров и синтез из них порошков высокочистого оксида алюминия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук, М., 2009). Этим способом возможно получение почти сухого порошка гидроксида алюминия и изопропилового спирта с минимальным содержанием воды, однако, даже в этом случае, перед направлением данного спирта в реактор алкоголиза алюминия, требуется его доосушка. Недостатки предлагаемого Судариковой Е.Ю. способа заключаются в необходимости генерации водяного пара и поддержания системы в нагретом свыше 100°C состоянии, т.е. в значительных энергетических затратах, а также в невозможности проведения гидролиза нацело и исключения тем самым присутствия лишней воды в отходящем изопропиловом спирте.

Другим известным способом гидролиза изопропоксида алюминия является жидкофазный гидролиз с использованием поверхностно-активного вещества, кислот и солей (см., например, Kamal M.S. Khalil. Formation of mesoporous alumina via hydrolysis of modified aluminum isopropoxide in presence of CTAB cationic surfactant. // Applied Surface Science 255 (2008) 2874-2878). Применение этого способа для синтеза высокочистых веществ невозможно из-за трудности удаления добавленных примесей.

Известен также способ жидкофазного водного гидролиза алкоксидов, к которым относится и изопропоксид алюминия, с добавлением этилового спирта в качестве растворителя (см., например, Katsumi Yoshidaa, Hideki Hyugab, Naoki Kondob, Hideki Kitab. Synthesis of precursor for fibrous mullite powder by alkoxide hydrolysis method. // Materials Science and Engineering В 173 (2010) 66-71). Данный способ нецелесообразен для промышленных условий, поскольку в продуктах гидролиза содержится 2 спирта: этиловый и изопропиловый. Для дальнейшего использования изопропилового спирта в реакции алкоголиза требуется отделение его от этилового спирта, очистка и абсолютизация, что технологически не выгодно.

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является способ гидролиза изопропоксида алюминия водой в смеси с мольным соотношением изопропоксид алюминия : вода = 1:100 при теоретически необходимом реакционном соотношении изопропоксид алюминия : вода = 1:3 (см., например, R.I. Zakharchenya, T.N. Vasilevskaya. Influence of hydrolysis temperature on the hydrolysis products of aluminium alkoxides. // Journal of Materials Science 29 (1944) 2806-2812). Единственным недостатком ближайшего аналога является наличие доминирующего количества воды в водно-спиртовой смеси на выходе из системы гидролиза, что делает извлечение абсолютного изопропилового спирта из нее очень трудоемким.

Задача заявленного изобретения заключается в существенном упрощении технологии получения высокочистого оксида алюминия за счет создания принципиально нового способа гидролиза изопропоксида алюминия с использованием технического изопропилового спирта с высоким содержанием воды.

Сущность изобретения заключается во взаимодействии изопропоксида алюминия с раствором изопропилового спирта в воде при интенсивном перемешивании. Данный способ принципиально отличается от ближайшего аналога тем, что в систему кроме воды вводится жидкий компонент (изопропиловый спирт), создающий реакционную среду, но не участвующий в гидролизе, а вода подается в систему в строго необходимом для реакции гидролиза количестве. В результате этого образуется суспензия, содержащая гидроксид алюминия и осушенный изопропиловый спирт со следовым количеством воды, причем состав исходной смеси, подаваемой на гидролиз, следующий (% мас.):

изопропоксид алюминия	15,7-52,7
раствор изопропилового спирта в воде	84,3-47,3

в том числе:

изопропиловый спирт	80,1-33,1
вода	4,2-14,2

состав образующейся суспензии (% мас.):

изопропиловый спирт	93,9-79,6
вода	0,0-0,3
гидроксид алюминия	6,0-20,1

Техническим результатом настоящего изобретения является одновременное решение нескольких проблем, связанных с промышленным осуществлением технологического процесса получения высокочистого оксида алюминия:

пропадает необходимость в сложной многостадийной осушке изопропилового спирта после реакции гидролиза при подготовке его к последующему вторичному использованию в процессе алкоголиза металлического алюминия;

исключаются стадии фильтрации и сушки образующегося порошка гидроксида алюминия, так как он выгружается из реактора гидролиза уже в сухом состоянии за счет полной отгонки изопропилового спирта из системы после гидролиза;

появляется возможность использования в качестве сырья в технологической схеме получения высокочистого оксида алюминия более дешевого изопропилового спирта с высоким содержанием воды вместо абсолютного изопропилового спирта, вводя его первоначально в систему гидролиза изопропоксида алюминия, а затем направляя уже осушенный за счет гидролиза изопропиловый спирт на стадию алкоголиза алюминия;

возможность получения более мелкодисперсного порошка гидроксида алюминия, подобного образующемуся при паровом гидролизе в результате распределения продукта гидролиза в спиртовой, а не в водной среде.

Гидролиз изопропоксида алюминия согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

В реактор гидролиза с мешалкой, обеспечивающей эффективное перемешивание, подают одновременно в течение 15 минут изопропоксид алюминия и раствор изопропилового спирта в воде. После этого реакционную смесь нагревают до 50-80°C и непрерывно перемешивают в течение 45 минут. Затем систему вакуумируют, создавая остаточное давление 8-10 мм рт.ст., и отгоняют из нее изопропиловый спирт. Далее выгружают из реактора целевой продукт гидролиза - сухой гидроксид алюминия, не требующий дополнительной осушки.

Осуществление заявленного изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1.

В реактор гидролиза при постоянном перемешивании в течение 15 минут подают одновременно изопропоксид алюминия и раствор изопропилового спирта в воде, причем в расчете на общее количество реакционной массы берут (в массовых процентах): 15,7% изопропоксида алюминия, 80,1% изопропилового спирта и 4,2% воды.

Получившуюся реакционную массу нагревают до 50-80°C и продолжают перемешивание в течение 45 минут. При этом в результате протекания реакции гидролиза в реакторе образуется смесь следующего состава (в массовых процентах): 93,9% изопропилового спирта, 6% гидроксида алюминия и 0,1% воды.

Для выделения продуктов гидролиза, не прекращая перемешивание, в системе создают вакуум (остаточное давление 8-10 мм рт.ст.) и отгоняют изопропиловый спирт, содержащий 0,1% воды. После полной отгонки изопропилового спирта из реактора выгружают сухой гидроксид алюминия, не требующий дополнительной осушки.

Примеры 2-9 методически и принципиально аналогичны примеру 1. Они основаны на использовании исходных смесей с различным содержанием компонентов и демонстрируют различные составы образовавшихся продуктов гидролиза изопропоксида алюминия. Количественные характеристики данных составов представлены в таблице 1. В примерах 1-9 гидролиз проводили с условием, что вся вода, вводимая в систему с водно-спиртовым раствором, реагирует практически полностью с изопропоксидом алюминия.

Таблица 1
Составы смесей, участвующих и образующихся в процессе гидролиза изопропоксида алюминия
Пример № (название)	Состав исходной смеси гидролиза, % мас.	Состав смеси продуктов гидролиза, % мас.
Изопропоксид алюминия	Вода	Изопропиловый спирт	Гидроксид алюминия	Вода	Изопропиловый спирт
1	15,7	4,2	80,1	6,0	0,1	93,9
2	22,9	6,2	70,9	8,8	0,1	91,1
3	29,0	7,8	63,2	11,1	0,1	88,8
4	34,2	9,2	56,6	13,1	0,2	86,8
5	38,7	10,4	50,9	14,8	0,2	85,0
6	42,6	11,5	45,9	16,3	0,2	83,5
7	46,1	12,4	41,5	17,6	0,2	82,2
8	49,1	13,2	37,7	18,8	0,2	81,0
9	52,7	14,2	33,1	20,1	0,3	79,6
Прототип	10,2	89,8	0,0	3,9	87,1	9,0

Способ гидролиза изопропоксида алюминия, включающий взаимодействие изопропоксида алюминия с раствором изопропилового спирта в воде при интенсивном перемешивании с образованием суспензии, содержащей гидроксид алюминия и осушенный изопропиловый спирт со следовым количеством воды, отличающийся тем, что состав исходной смеси, подаваемой на гидролиз, следующий, мас.%:

изопропоксид алюминия	15,7-52,7
раствор изопропилового спирта в воде	84,3-47,3,
в том числе
изопропиловый спирт	80,1-33,1
вода	4,2-14,2,

а состав образующейся суспензии, мас.%:

изопропиловый спирт	93,9-79,6
вода	0,0-0,3
гидроксид алюминия	6,0-20,1