CN112744846A - 铝溶胶的生产方法和铝溶胶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝溶胶的生产方法和铝溶胶，该方法包括以下步骤：(1)将铝源与第一碱源进行第一接触，得到pH为3‑5的第一反应液；(2)将所述第一反应液进行一次升温老化；(3)将步骤(2)得到的加热后的溶液与第二碱源进行第二接触，得到pH为3‑4.5的第二反应液；(4)将所述第二反应液进行二次升温老化；所述一次升温老化和二次升温老化在不大于100℃的温度下进行。本发明提供的方法生产成本低，整个生产过程条件温和，制备的铝溶胶产品质量好，且铝溶胶中Al元素主要以Al13形式存在。将本发明提供的铝溶胶作为粘结剂用于催化剂中，有利于进一步提高催化剂的催化性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝溶胶制备领域，具体涉及一种铝溶胶生产方法和该生产方法制得的铝溶胶。
背景技术
铝溶胶是带正电的水合氧化铝微细粒子均匀分散在水中的胶体溶液。目前，铝溶胶在工业上被广泛用作催化剂粘结剂和水处理絮凝剂。根据不同的应用领域，铝溶胶的命名方式也有所不同，例如：用于催化剂粘结剂时，一般称为铝溶胶；用于絮凝剂时，则被称为聚合氯化铝或碱式氯化铝，但其结构通式均可表达为：[Al2(OH)nCl6-n·xH2O]m(n＝1-5，m>0)。
铝溶胶的性质一般可以用铝含量、以及铝氯比(即，铝元素与氯元素的比例，可以采用重量比，也可以采用摩尔比)或碱基度来表示，碱基度是指聚合氯化铝中氢氧根与铝的摩尔比。
铝溶胶的制备方法多种多样，常用的制备方法主要有：金属铝法、有机醇盐水解法、电解法、无机盐原料法和粉体分散法等，其中，采用金属铝与盐酸制备铝溶胶的金属铝法依然是主要的生产方法。
US4028216A最早详细介绍了金属铝溶胶的制备方法，此法工艺流程简单，易于操作，但是由于该方法是由氢氧化铝电解制得铝溶胶，因而生产成本太高，需要消耗大量的电能，同时在制备的过程中产生的氢气也带来了安全隐患，并且使用的盐酸会腐蚀设备。
有机醇盐水解法可以制得纯度高、比表面大、粒径分布均匀的溶胶。此方法适用于制备纯度要求高的氧化铝粉体。但是，此方法制备过程中的最大困难是原料对水敏感，水解反应非常迅速，容易形成沉淀，并且原料价格昂贵、易燃、有毒、不易保存，给工业化带来困难。
CN1177653A报道了采用电解法来制备铝溶胶，此法通过以低电压大电流的电化学方法合成聚合氯化铝，采用价格低廉的普通阴离子膜，降低了产品的制备成本，比较环保。但是，电解水耗能过大，初始费用高(重复单元中需要电极)，可能产生氯气，存在安全隐患。
无机盐原料法使用的原料价格低廉，方法简单，降低了铝溶胶的生产成本，但是溶胶的纯度较低。
粉体分散法制备氧化铝溶胶省去了水解步骤，过程简单，且原料均为工业产品，价格便宜，便于储存，易于实现工业化。但是，原料中常含有杂质，制备的铝溶胶的纯度相对较低。
当今工业的发展和生产过程中的环保要求日趋严格，越来越注重反应过程的原子经济性，因而寻求一种新的低成本和高效的铝溶胶生产方法变得越发重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料利用率高的铝溶胶生产方法和该生产方法制得的铝溶胶，该方法生产成本低，整个生产过程条件温和，而且制备的铝溶胶产品质量好。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种铝溶胶的生产方法，该方法包括以下步骤：
(1)将铝源与第一碱源进行第一接触，得到第一反应液，所述第一反应液的pH为3-5；
(2)将所述第一反应液进行一次升温老化；
(3)将步骤(2)得到的加热后的溶液与第二碱源进行第二接触，得到第二反应液，所述第二反应液的pH为3-4.5；
(4)将所述第二反应液进行二次升温老化；
所述一次升温老化和二次升温老化在不大于100℃的温度下进行。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了上述生产方法得到的铝溶胶，所述铝溶胶中，以Al2O3计的铝的含量为5-30重量％。
根据本发明的铝溶胶生产方法和该生产方法制得的铝溶胶具有如下优点：
(1)采用的原料价格低廉，原料利用率高，因而生产成本低；
(2)制备的铝溶胶的质量好，纯度高，杂质含量低；
(3)整个生产过程条件温和，反应温度低且反应周期短；
(4)制得的铝溶胶中Al元素主要以Al13形式存在，所述铝溶胶中基本不含有单体铝，四配位铝的存在使得铝溶胶具有更好的粘结性，且用于催化剂中，能够较好地保留催化剂的孔体积，克服传统铝溶胶用于催化剂中存在的堵孔现象，更有利于提高催化剂的液化气、汽油收率以及转化率。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的铝溶胶S1的27Al NMR谱图。
图2是本发明对比例1制得的铝溶胶D1的27Al NMR谱图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种铝溶胶的生产方法，该方法包括以下步骤：
(1)将铝源与第一碱源进行第一接触，得到第一反应液，所述第一反应液的pH为3-5；
(2)将所述第一反应液进行一次升温老化；
(3)将步骤(2)得到的加热后的溶液与第二碱源进行第二接触，得到第二反应液，所述第二反应液的pH为3-4.5；
(4)将所述第二反应液进行二次升温老化；
所述一次升温老化和二次升温老化在不大于100℃的温度下进行。
所述铝源优选为铝盐和/或聚合氯化铝，进一步优选地，所述铝盐选自氯化铝、硝酸铝和硫酸铝中的至少一种。所述聚合氯化铝可以为商购的工业聚合氯化铝。
根据本发明的一种优选实施方式，所述铝源为氯化铝和/或硫酸铝，进一步优选为氯化铝。
在本发明中，所述第一碱源和第二碱源可以相同，也可以不同，所述碱可以为足以将铝源转变成为铝溶胶的碱性物质。优选地，所述第一碱源和第二碱源各自独立地选自碱金属氢氧化物、NH3·H2O和有机碱中的至少一种。所述碱金属氢氧化物的具体实例可以包括但不限于NaOH和/或KOH。所述有机碱的具体实例可以包括但不限于正丁胺、四丙基氢氧化铵和四丁基氢氧化铵中的至少一种。
所述第一碱源和第二碱源通常以水溶液的形式提供。水溶液中第一碱源和第二碱源的浓度可以根据碱源的类型进行选择，例如：对于碱金属氢氧化物，其浓度可以为5-20重量％，优选为12-18重量％；对于氨水，其浓度可以为1-25重量％，优选为2-20重量％；对于有机碱，其浓度可以为3-20重量％，优选为5-15重量％。
本发明所述第一碱源和第二碱源的用量可以根据铝源的用量进行选择。优选地，所述第一碱源和第二碱源的总量与铝源的质量比为(0.6-2.1)：1，优选为(0.65-1.8)：1，更优选为(0.9-1.35)：1，所述第一碱源和第二碱源以OH-和/或N计，所述铝源以铝元素计。需要说明的是，当碱源中含有OH-或N时，碱源的用量以OH-或N计；当碱源中同时含有OH-和N时，碱源的用量以OH-计。例如，四丙基氢氧化铵的用量是以OH-计。
根据本发明提供的生产方法，步骤(1)中可以将铝源和第一碱源在常规条件下进行第一接触，例如常温(25℃)常压。一般地，所述第一接触的持续时间以足以将铝源转化为含盐铝溶胶，且以pH为3-5为准，一般地，所述第一接触的持续时间可以为1-24小时，优选为2-18小时。从进一步提高接触反应的均匀性的角度出发，所述第一接触优选在伴随搅拌的条件下进行。
根据本发明的一种优选实施方式，所述第一反应液的pH为3-4.5，进一步优选为3.3-4.5。
根据本发明，所述一次升温老化在不大于100℃的温度下进行，优选地，所述一次升温老化在30-95℃、优选30-70℃、更优选35-55℃、最优选50-55℃的温度下进行。
根据本发明，优选地，所述一次升温老化的时间为10-120min，进一步优选为20-60min。
本发明步骤(3)将步骤(2)得到的加热后的溶液与第二碱源进行第二接触，从进一步提高接触反应的均匀性的角度出发，所述第二接触优选在伴随搅拌的条件下进行。
根据本发明，所述第二反应液的pH为3-4.5，进一步优选为3-4，例如为3.5-4。
根据本发明，所述二次升温老化在不大于100℃的温度下进行，优选地，所述二次升温老化在40-95℃、优选40-80℃、更优选60-80℃的温度下进行。
根据本发明，优选地，所述二次升温老化的时间为3-10h，进一步优选为4-8h。
本发明提供的生产方法，按照特定步骤进行，且控制生产过程中的特定的pH和升温老化，得到了质量好的铝溶胶，为了进一步提高铝溶胶的质量，优选地，所述二次升温老化的温度较一次升温老化的温度高至少10℃，优选高10-25℃，进一步优选高15-25℃。
根据本发明，优选地，所述一次升温老化和二次升温老化各自独立地在搅拌条件下进行。
本发明对上述不同步骤中的搅拌没有特别的限定，可以为常规的机械搅拌或者是磁力搅拌。
根据本发明，所述生产方法并不限于仅有的两次与碱源接触以及两次的升温老化。优选地，本发明提供的上述生产方法还可以包括将步骤(3)和步骤(4)重复操作。即将步骤(4)得到的加热后的溶液与碱源进行接触，得到的反应液的pH为3-4.5，将该反应液再次进行升温老化。
根据本发明的铝溶胶生产方法，得到的铝溶胶可以作为铝溶胶产品直接输出，也可以脱除铝溶胶中的部分溶剂后，作为铝溶胶产品输出。
根据本发明的铝溶胶的生产方法，可以采用常规方法脱除铝溶胶中的部分溶剂，优选地，该方法还包括：对步骤(4)得到的铝溶胶进行提浓，例如，可以采用蒸发的方法脱除铝溶胶中的部分溶剂，所述蒸发可以在50-150℃的温度下进行，优选在70-120℃的温度下进行，更优选在80-95℃的温度下进行。溶剂的脱除量可以根据铝溶胶的具体使用场合进行选择。优选地，所述提浓使得铝溶胶中以Al2O3计的铝的含量为15-30重量％，优选为15-25重量％，该铝溶胶特别适于作为催化剂的粘结剂。
根据本发明的第二方面，本发明还提供了上述生产方法得到的铝溶胶，所述铝溶胶中，以Al2O3计的铝的含量为5-30重量％。
根据本发明的一种优选实施方式，所述铝溶胶的铝氯质量比为1-1.4，进一步优选为1-1.2。
进一步优选地，所述铝溶胶中，Al元素主要以Al13的形式存在，所述铝溶胶中基本不含有单体铝。所述Al元素主要以Al13形式存在指的是50％以上的Al元素以Al13形式存在。所述铝溶胶中基本不含有单体铝指的是以单体铝形式存在铝元素含量在10％以下。
Al元素存在形式可以通过27Al NMR谱图进行测定。在27Al NMR谱图中δ为60-61处为Al13中四配位铝的特征峰，δ为10-12处为Al13和/或Al30的六配位铝特征峰，δ为0处为单体铝的特征峰。根据特征峰的峰面积可以确定Al元素的存在形式。
以下结合实施例详细说明本发明，但并不因此限制本发明的范围。
以下实施例中，采用RIPP34-90中规定的方法测定制备的铝溶胶产品中铝的含量，采用pH计(购自梅特勒-托利多)测定铝溶胶的pH值，采用核磁共振波谱仪测定铝溶胶中Al元素的存在形式。
实施例1
(1)伴随搅拌，在环境温度(25℃，下同)下，将515g浓度为15重量％的氨水缓慢添加到900g浓度为20重量％的氯化铝溶液中，伴随搅拌0.5h，得到pH为3.4的第一反应液；
(2)将第一反应液的温度升高至50℃，并在该温度下搅拌反应0.5小时；
(3)伴随搅拌，将步骤(2)得到的加热后的溶液与160g浓度为15重量％的氨水接触，得到pH为3.7的第二反应液；
(4)将第二反应液的温度升高至70℃，并在该温度下搅拌反应6小时，然后冷却至环境温度，得到浓度为4.5重量％(以Al2O3计)的铝溶胶S1，铝溶胶S1的铝氯质量比为1.1。
铝溶胶S1的27Al NMR谱图如图1所示，从图1可以看出，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，在δ为0处不存在单体铝的特征峰，且可以看出Al元素主要以Al13形式存在。
对比例1
伴随搅拌，将50g的铝锭投入到400g浓盐酸(37重量％)中，升温至85℃，恒温7小时，得到浓度为20.9重量％(以Al2O3计)的铝溶胶D1，铝溶胶D1的铝氯质量比为1。铝溶胶D1的27Al NMR谱图如图2所示，从图2可以看出，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，但是该特征峰较弱，在δ为0处存在单体铝的特征峰，在δ为10-12处存在Al13和/或Al30的六配位铝特征峰，且在δ为2-3处存在二聚态铝的特征峰。
对比例2
伴随搅拌，在环境温度(25℃，下同)下，将675g浓度为15重量％的氨水缓慢添加到900g浓度为20重量％的氯化铝溶液中，伴随搅拌10h，得到第一反应液；
将第一反应液的温度升高至50℃，并在该温度下搅拌反应5小时，得到铝溶胶D2。
对比例3
伴随搅拌，在环境温度(25℃，下同)下，将675g浓度为15重量％的氨水缓慢添加到900g浓度为20重量％的氯化铝溶液中，伴随搅拌10h，得到第一反应液；
将第一反应液的温度升高至70℃，并在该温度下搅拌反应2小时，得到铝溶胶D3。
实施例2
(1)伴随搅拌，在环境温度(25℃，下同)下，将660g浓度为15重量％的氢氧化钠水溶液缓慢添加到920g浓度为20重量％的氯化铝溶液中，伴随搅拌1h，得到pH为3.3的第一反应液；
(2)将第一反应液的温度升高至55℃，并在该温度下搅拌反应1小时；
(3)伴随搅拌，将步骤(2)得到的加热后的溶液与110g浓度为15重量％的氢氧化钠水溶液接触，得到pH为3.7的第二反应液；
(4)将第二反应液的温度升高至80℃，并在该温度下搅拌反应6.5小时，然后冷却至环境温度，得到浓度为4.3重量％(以Al2O3计)的铝溶胶S2，铝溶胶S2的铝氯质量比为1.05。
铝溶胶S2的27Al NMR谱图与图1相似，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，在δ为0处不存在单体铝的特征峰，且可以看出Al元素主要以Al13形式存在。
实施例3
(1)伴随搅拌，在环境温度(25℃，下同)下，将515g浓度为15重量％的氨水缓慢添加到900g浓度为20重量％的氯化铝溶液中，伴随搅拌0.5h，得到pH为3.4的第一反应液；
(2)将第一反应液的温度升高至50℃，并在该温度下搅拌反应0.5小时。
(3)伴随搅拌，将步骤(2)得到的加热后的溶液与332g浓度为15重量％的正丁胺接触，得到pH为3.8的第二反应液；
(4)将第二反应液的温度升高至60℃，并在该温度下搅拌反应4小时，然后冷却至环境温度，得到浓度为4.1重量％(以Al2O3计)的铝溶胶。
(5)提浓：将步骤(4)得到的铝溶胶在85℃的温度下搅拌2h，以脱除部分水，得到浓度为19.8重量％(以Al2O3计)的铝溶胶S3。经检测，该铝溶胶S3的铝氯质量比为1.2。
铝溶胶S3的27Al NMR谱图与图1相似，从图1可以看出，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，在δ为0处不存在单体铝的特征峰，且可以看出Al元素主要以Al13形式存在。
实施例4
(1)伴随搅拌，在环境温度(25℃，下同)下，将480g浓度为15重量％的氢氧化钾水溶液缓慢添加到750g浓度为20重量％的氯化铝溶液中，伴随搅拌0.5h，得到pH为3.3的第一反应液；
(2)将第一反应液的温度升高至50℃，并在该温度下搅拌反应0.5小时；
(3)伴随搅拌，将步骤(2)得到的加热后的溶液与120g浓度为15重量％的氢氧化钾水溶液接触，得到pH为4.5的第二反应液；
(4)将第二反应液的温度升高至70℃，并在该温度下搅拌反应6小时，然后冷却至环境温度，得到浓度为4.4重量％(以Al2O3计)的铝溶胶S4，铝溶胶S4的铝氯质量比为1。
铝溶胶S4的27Al NMR谱图与图1相似，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，在δ为0处不存在单体铝的特征峰，且可以看出Al元素主要以Al13形式存在。
实施例5
按照实施例1的方法，不同的是，步骤(2)中第一反应液和步骤(4)中第二反应液的升温老化温度均为50℃，且步骤(4)二次升温老化时间延长至8h。得到浓度为4.7重量％(以Al2O3计)的铝溶胶S5，该铝溶胶S5的铝氯质量比为1.05。
铝溶胶S5的27Al NMR谱图与图1相似，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，在δ为0处不存在单体铝的特征峰，且可以看出Al元素主要以Al13形式存在。
实施例6
按照实施例1的方法，不同的是，步骤(2)中第一反应液和步骤(4)中第二反应液的升温老化温度均为60℃，且步骤(4)二次升温老化时间缩短至4h。得到浓度为4.6重量％(以Al2O3计)的铝溶胶S6，该铝溶胶S6的铝氯质量比为1.05。
铝溶胶S6的27Al NMR谱图与图1相似，其在δ为60-61处存在Al13的四配位铝的特征峰，在δ为0处不存在单体铝的特征峰，且可以看出Al元素主要以Al13形式存在。
从上述实施例和对比例可以看出，用本发明的方法不仅能生产高质量的铝溶胶产品，且采用的原料价格低廉，原料利用率高，因而生产成本低；整个生产过程条件温和，反应温度低且反应周期短。由于制备过程中无需引入额外杂质，故制备的铝溶胶杂质含量低。另外，该生产方法制得的铝溶胶中Al元素主要以Al13形式存在，所述铝溶胶中基本不含有单体铝。
试验例1
本试验例用于说明本发明提供的铝溶胶作为粘结剂用于催化剂的性能。所述催化剂的制备方法包括：
高岭土和水打浆，然后加入酸化的拟薄水铝石(将拟薄水铝石和水混合，然后在搅拌条件下向其中加入盐酸进行酸化，直至胶溶状态)，搅拌，得到固含量为40重量％的浆液A；将ZSM-5分子筛与水打浆，得到分子筛浆液(固含量为30重量％)；分别在上述实施例和对比例制得的铝溶胶中依次加入浆液A和分子筛浆液，搅拌30min，得到催化剂浆液(固含量为30重量％)，催化剂浆液中，以所述催化剂浆液的干基重量计，ZSM-5分子筛的含量为30重量％，高岭土的含量为42重量％，铝溶胶的含量(按Al2O3计)为12重量％；拟薄水铝石的含量(按Al2O3计)为16重量％。将催化剂浆液进行喷雾干燥，将所得催化剂微球在550℃焙烧1小时，得到催化裂化催化剂。
催化剂表征：
采用BET分析催化剂的孔结构，结果列于下表1。由表1可以看出，采用本发明提供的铝溶胶制成的催化剂较现有技术的铝溶胶制成的催化剂，其孔的保留度较好。
表1
催化剂评价：
催化剂经过800℃，100％水蒸汽水热老化处理17h，再进行重油微反评价。反应原料为武混三重油，其原料见表2。催化剂装填量5g，反应温度460℃，重量空速为16小时-1，剂油比(重量)为4。催化性能数据见下表3。
其中，转化率＝汽油收率+液化气收率+干气收率+焦炭收率
表2
表3
从表3可以看出，采用本发明提供的铝溶胶作为粘结剂用于催化剂中，使得催化剂较常规催化剂具有进一步提高的液化气收率、汽油收率以及转化率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种铝溶胶的生产方法，该方法包括以下步骤：
(1)将铝源与第一碱源进行第一接触，得到第一反应液，所述第一反应液的pH为3-5；
(2)将所述第一反应液进行一次升温老化；
(3)将步骤(2)得到的加热后的溶液与第二碱源进行第二接触，得到第二反应液，所述第二反应液的pH为3-4.5；
(4)将所述第二反应液进行二次升温老化；
所述一次升温老化和二次升温老化在不大于100℃的温度下进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝源为铝盐和/或聚合氯化铝；
优选地，所述铝盐选自氯化铝、硝酸铝和硫酸铝中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一碱源和第二碱源各自独立地选自碱金属氢氧化物、NH3·H2O和有机碱中的至少一种；
优选地，所述碱金属氢氧化物为氢氧化钠和/或氢氧化钾；
优选地，所述有机碱选自正丁胺、四丙基氢氧化铵和四丁基氢氧化铵中的至少一种。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述第一碱源和第二碱源的总量与铝源的质量比为(0.6-2.1)：1，优选为(0.65-1.8)：1，所述第一碱源和第二碱源以OH-和/或N计，所述铝源以铝元素计。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述第一反应液的pH为3-4.5；
优选地，所述第二反应液的pH为3-4。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述第一接触和第二接触各自独立地在搅拌条件下进行；
优选地，所述一次升温老化和二次升温老化各自独立地在搅拌条件下进行。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，
所述一次升温老化在30-95℃、优选30-70℃、更优选35-55℃的温度下进行；
优选地，所述一次升温老化的时间为10-120min，优选为20-60min。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，
所述二次升温老化在40-95℃、优选40-80℃、更优选60-80℃的温度下进行；
优选地，所述二次升温老化的时间为3-10h，优选为4-8h。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其中，所述二次升温老化的温度较一次升温老化的温度高至少10℃，优选高10-25℃，进一步优选高15-25℃。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其中，该方法还包括：对步骤(4)得到的铝溶胶进行提浓；优选地，所述提浓使得铝溶胶中以Al2O3计的铝的含量为15-30重量％。
11.权利要求1-10中任意一项所述的生产方法得到的铝溶胶，所述铝溶胶中，以Al2O3计的铝的含量为5-30重量％；
优选地，所述铝溶胶中，Al元素主要以Al13的形式存在，所述铝溶胶中基本不含有单体铝；
进一步优选地，所述铝溶胶的铝氯质量比为1-1.4。
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