DE1080982B - Verfahren zur Herstellung sehr feinteiliger Metall- oder Metalloidoxyde - Google Patents

Verfahren zur Herstellung sehr feinteiliger Metall- oder Metalloidoxyde

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DE1080982B
DE1080982B DEC16807A DEC0016807A DE1080982B DE 1080982 B DE1080982 B DE 1080982B DE C16807 A DEC16807 A DE C16807A DE C0016807 A DEC0016807 A DE C0016807A DE 1080982 B DE1080982 B DE 1080982B
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DE
Germany
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soot
finely divided
metal
particles
production
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DEC16807A
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English (en)
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Alfred F Cosman
Walter R Smith
Walter B Spencer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Godfrey L Cabot Inc
Original Assignee
Godfrey L Cabot Inc
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/14Methods for preparing oxides or hydroxides in general
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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Description

  • Verfahren zur Herstellung sehr feinteiliger Metall-oder Metalloidoxyde Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sehr feinteiligen Metalloxyden, insbesondere einer Teilchengröße von etwa 25 bis 50 Ä und einer Oberfläche von etwa 1000 m2/g, die sich insbesondere als verstärkende Füllstoffe für elastomere Verbindungen, als Verdickungsmittel für Flüssigkeiten, als Adsorptionsmittel für Gase und Dämpfe sowie als Katalysatoren und Katalysatorträger eignen.
  • Die Industrie strebt seit langem danach, immer feinere Pigmente mit immer größerer Oberfläche herzustellen.
  • Zur Zeit sind Metalloxydpigmente mit Teilchen von nur 100 A und einer Oberfläche von bis zu 300 m2/g erhältlich.
  • Ebenso sind Metalloxydgele mit einer Oberfläche von bis zu 800 m2/g bekannt, die aber aus nicht so kleinen Einzelteilchen bestehen. Selbst die feinsten Ruße haben eine kleinere Oberfläche und größere Teilchen als die gemäß der Erfindung hergestellten Metalloxyde.
  • Es ist schon ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung - von feinteiligem Eisenoxyd beschrieben, in dessen erster Stufe eine Kohlenoxydspaltung bei etwa 450 bis 5000 C an Eisenerzen oder Eisenblechen durchgeführt wird, wobei sich Ruß auf dem Eisenerz oder dem Eisenblech abscheidet und das Eisenerz oder das Blech zerbröckelt und zerfällt und ein von feinteiligem Eisen durchsetzter Ruß erhalten wird. Das Eisen ist in der Rußmasse bei Verwendung von Eisenerzen nicht mehr als Oxyd vorhanden, sondern in der Hauptsache als Carbid.
  • Dann wird in einer zweiten Stufe der Ruß oxydiert und die Eisenverbindungen, wie insbesondere Eisenkarbid, in feinteiliges Eisenoxyd übergeführt. Mit diesem bekannten Verfahren lassen sich jedoch keine so feinteiligen Oxyde herstellen wie mit dem Verfahren gemäß der Erfindung.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von ungewöhnlich feinen Metall- oder Metalloidoxyden mit großer Oberfläche, bei dem ebenfalls Ruß als Trägermaterial dient, der in der zweiten Verfahrensstufe unter gleichzeitiger Überführung von Metall-oder Metalloidverbindungen in die entsprechenden Oxyde durch Erhitzen in einer oxydierenden Atmosphäre ent fernt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine hydrolysierbare Metall- oder Metalloidverbindung an feinteiligem Ruß adsorbiert, auf der Rußoberfläche hydrolysiert und in festes Hydroxyd, Siloxan oder auch Oxyd übergeführt wird, deren Teilchen ganz wesentlich kleiner sind als die Rußteilchen, auf denen sie niedergeschlagen wurden. Anschließend wird der Ruß in bekannter Weise durch Oxydieren bei hohen Temperaturen entfernt und das Hydrolyseprodukt gleichzeitig in Oxyd umgewandelt. Die Hydrolyse der Metall- oder Metalloidverbindung kann bei gewöhnlicher Temperatur erfolgen, wird aber vorzugsweise, zurBeschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit, bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Sie kann auch in einer Flamme vorgenommen werden, die durch Verbrennen eines Gases gebildet wird, das, wie beispielsweise Wasserstoff oder Kohlenwasserstoff, beim Verbrennen Wasser als Verbrennungsprodukt bildet.
  • Als Rohmaterial eignen sich alle hydrolysierbaren Verbindungen, wie Siliciumtetrachlorid, Titantetrachlorid, Aluminiumchlorid, Eisen(III)-chlorid, Äthylorthosilikat, Aluminiumäthoxyd, Chlorsilan u. dgl. Alle diese Verbindungen reagieren, während sie auf der Rußoberfläche adsorbiert sind, mit dem Wasser, und es verbleibt das feste Reaktionsprodukt auf der Rußoberfläche in Form kleinster Teilchen. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen keine festen Träger verwendet werden, vergrößern sich überraschenderweise die feinen, auf den Rußteilchen niedergeschlagenen Teilchen nicht, selbst wenn die Metall- oder Metalloidverbindungen im Überschuß angewendet werden. Auch lassen sich die einzelnen, durch die Hydrolyse gebildeten feinsten Teilchen nach Entfernung des Rußträgers leicht voneinander trennen.
  • Es wird vermutet, daß sich die Verbindungen aus der flüssigen oder gasförmigen Phase auf den Rußteilchen in einer monomolekularen Schicht abscheiden, die auf der Rußoberfläche mit dem verfügbaren Wasser reagiert.
  • Infolge der Adsorptionsfähigkeit der Rußteilchen werden die Moleküle an einer Stelle festgehalten und wandern nicht wie bei Dampfphasenreaktionen unter Teilchenvergrößerung zu benachbarten Molekülen. Aus dem gleichen Grund dürften die Moleküle an den Rußteilchen fest haftenbleiben, auch wenn Hydrolysewasser von außen zugeführt wird, und sie agglomerieren daher auch während der Umwandlung zu Oxyden nicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Ausführungen durchgeführt werden. Nach einer Ausführungsform wird Wasser aus der Dampfphase auf dem Ruß adsorbiert. Anschließend wird die gewählte Verbindung in dampfförmigem Zustand über den Ruß geleitet und auf diesem adsorbiert; sie reagiert dabei mit dem Wasser. Danach wird der Kohlenstoff mit dem auf seiner Oberfläche abgelagerten Hydroxyd oder Siloxan bei erhöhten Temperaturen oxydiert und hierdurch das Hydroxyd oder Siloxan in das Oxyd umgewandelt und der Kohlenstoff vergast.
  • Nach einer anderen Ausführungsform wird die Verbindung aus einer Lösung auf der Oberfläche der Rußteilchen abgeschieden. Anschließend wird Wasserdampf über den mit der Verbindung überzogenen Ruß geführt und die Verbindung in situ hydrolysiert. Durch Oxydation bei hohen Temperaturen wird die Umwandlung vervollständigt und der Kohlenstoff entfernt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Ruß mit der darauf adsorbierten Verbindung durch eine beim Abbrennen Wasser als Verbrennungsprodukt erzeugende Gasflamme hindurch in eine wärmeisolierte Kammer geleitet, in der die Hydrolyse in den heißen Verbrennungsprodukten erfolgt. Luft oder Sauerstoff wird in die Kammer hinter der Hydrolysereaktionszone eingeführt, um den Kohlenstoff wegzubrennen und das Hydroxyd in das Oxyd umzuwandeln. Danach kann das feste Oxyd aus den Gasen in Filtern oder anderen bekannten Abtrennvorrichtungen gewonnen werden.
  • Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen erläutert.
  • Beispiel 1 200 g eines zu Kügelchen verformten Channel-Rußes mit einer Oberfläche von 131 m21g und einem mittleren Teilchendurchmesser von 250 Ä werden 24 Stunden in einen Feuchtraum mit einer relativen Feuchtigkeit von 8001o bei 250 C gegeben. Hierbei werden vom Ruß 5 Gewichtsprozent H2 0 adsorbiert. Danach werden die Rußkügelchen in einen geschlossenen Behälter gegeben, und es wird ein Strom von trockenem, mit Dimethyldichlorsilandämpfen gesättigtem Stickstoff bei 25 bis 300 C durch die Rußschicht geleitet, wobei die folgende Hydrolysereaktion auf der Rußoberfläche eintritt: x (CH8)2 SiGi2 + x H20 + [(CH3)2 SiO], + 2x HC1 Hierbei wird so viel Wärme erzeugt, daß die Temperatur der Rußschicht auf 60"C ansteigt. Es wird so viel Silan zugeführt, wie stöchiometrisch zur Umsetzung mit dem gesamten adsorbierten Wasser notwendig ist.
  • Der behandelte Ruß wird anschließend über Nacht auf 105"C erhitzt, um nicht umgesetztes H2O, Silan und H Cl zu entfernen. Der Siloxanüberzug beträgt 5,8 Gewichtsprozent des Rußes.
  • Der getrocknete behandelte Ruß wird anschließend in einem Tiegel auf 5000 C erhitzt, der sich in einem Muffelofen in ruhender Luft befindet. Nach 16 Stunden ist der Ruß durch Oxydation vollständig entfernt und das Siloxan durch Oxydation der Methylgruppen in SiO2 umgewandelt. Die so erhaltene Kieselsäure (4°/0 des angewendeten Rußes) ist weiß und durchscheinend und liegt in Form kleiner Kügelchen von etwa 1 mm Durchmesser vor, die etwa den Rußkügelchen, auf denen sie gebildet wurden, entsprechen. Diese Kügelchen zerfließen zwischen den Fingern leicht zu einem weichen Pulver geringer Teilchengröße.
  • Die Oberfläche der Kieselsäure (bestimmt nach der Stickstoffadsorptionsmethode) beträgt 1094 m2/g, entsprechend einer Teilchengröße von etwa 25 Å. Aus den elektronenmikroskopischen Bildern ist zu ersehen, daß die Kieselsäure in Wasser leicht zu Teilchen von 25 bis 50 Å dispergiert werden kann und daß sich Teilchenketten bis zu einer Länge von 200 000 Ä bilden. In dieser Hinsicht gleicht die gebildete Kieselsäure dem Ruß und anderen feinen Kieselsäuren. Ihre Teilchengröße ist jedoch kleiner und ihre Oberfläche größer als bei bisher bekannten Kieselsäuren.
  • Beispiel 2 200 g Ruß (ähnlich Beispiel 1, aber nicht zu Kügelchen verformt) werden mit Wasserdampf und Dimethyldichlorsilan wie im Beispiel 1 behandelt.
  • Nach dem Abbrennen des Rußes bleiben 3,4 Gewichtsprozent feine Kieselsäure zurück, die zu unregelmäßigen Teilchen von 2 bis 3 mm Durchmesser agglomeriert ist.
  • Die Oberfläche dieser Kieselsäure (bestimmt nach der Stickstoffadsorptionsmethode) beträgt 1070 m2/g und läßt sich leicht zu Teilchenketten von 20 bis 50 A gemäß elektronenmikroskopischer Untersuchung zerbrechen.
  • Beispiel 3 200 g zu Kügelchen verformter EPC-Ruß mit einer Oberfläche von 106 m2/g und einem mittleren Teilchendurchmesser von 306 Ä werden mit Feuchtigkeit konditioniert und mit Dimethyldichlorsilandämpfen gemäß Beispiel 1 behandelt.
  • Nach dem Abbrennen des Rußes bleiben 4,2 01o feinteilige Kieselsäure in Form kleiner Kügelchen zurück.
  • Gemäß Stickstoffadsorptionsmethode beträgt die Oberfläche 980 m2ig.
  • Beispiel 4 200 g eines Rußes gemäß Beispiel 3 werden mit Feuchtigkeit wie im Beispiel 1 konditioniert. Die Masse wird in einen geschlossenen Kolben gegeben, der mit seitlichen Ansätzen zur Aufnahme von H2O und SiCl4 (flüssig, Kp. 570 C) versehen ist, und das Ganze wird in einen Ofen gegeben.
  • Wasserdampf im freien Raum wird abgepumpt und SiCl4-Dampf bei 280C eingelassen. Das Ganze wird anschließend auf 600 C erhitzt, um den Dampfdruck des Sich, zu steigern. Die Reaktion wird 2 Stunden fortgesetzt und während dieser Zeit der freie H Cl-Dampf abgepumpt und mehr SiCl4 eingeführt.
  • Der behandelte Ruß wird getrocknet und wie vorher verascht, um den Kohlenstoff zu entfernen. Es bleiben 4,5 Gewichtsprozent SiO2 zurück.
  • Diese Kieselsäure liegt in Form von Kügelchen vor, die den Kügelchen eines Rußes gemäß Beispiel 3 entsprechen. Die nach der Stickstoffadsorptionsmethode bestimmte Oberfläche beträgt 631 m2lg.
  • Beispiel 5 Etwa 200 g von Rußkügelchen nach Beispiel 1 werden mit Feuchtigkeit wie im Beispiel 1 konditioniert.
  • Die Masse wird in einen Drehrohrofen aus Glas gegeben, der aus einer langen, innen mit Rührarmen ausgerüsteten Röhre besteht, so daß der Ruß ständig bewegt wird.
  • Trockener, mit Dimethyldichlorsilan bei Raumtemperatur gesättigter Stickstoff wird unter Bewegen des Rußes durch den Ofen geleitet.
  • Die Reaktion tritt schnell ein und ist in 30 Minuten beendet, wobei sich eine warme, den Reaktionsbereich anzeigende Zone abwärts durch das Rohr bewegt.
  • Nach dem Trocknen und Veraschen des Rußes werden 10,60/, Kieselsäure, bezogen auf Rußgewicht, mit einer Oberfläche (bestimmt nach der Stickstoffadsorptionsmethode) von 1180 m2/g erhalten.
  • Die angegebenen Gleichungen sollen die auf dem Ruß stattfindende Hydrolysereaktion nur summarisch kennzeichnen. Es wird angenommen, daß die Verbindungen bei den niedrigen Reaktionstemperaturen nur in die Hydroxyd oder Siloxanform umgewandelt werden. Es ist jedoch möglich, daß ein Teil oder sogar die gesamten Verbindungen tatsächlich durch die Hydrolyse vollständig in die Oxyde umgewandelt werden, und zwar vor der anschließenden, bei höherer Temperatur durchgeführten Oxydationsstufe. Dies ist jedenfalls durchaus möglich, wenn die Hydrolyse bei Temperaturen über 100°C durchgeführt wird. Bei der Beschreibung der Hydrolyseergebnisse als eine Umwandlung in Hydroxyd oder Siloxan muß angenommen werden, daß eine Umwandlung in Oxyd ebenfalls unmittelbar danach erfolgen kann.
  • PATENTANSPBSCHE: 1. Verfahren zur Herstellung sehr feinteiliger Metall- oder Metalloidoxyde unter Verwendung von Ruß als Trägermaterial, welcher anschließend durch Erhitzen in einer oxydierenden Atmosphäre unter gleichzeitiger Überführung von Metall- oder Metalloidverbindungen in Oxyde entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine hydrolysierbare Metall- oder Metalloidverbindung, vorzugsweise in Dampfform, an feinteiligem Ruß adsorbiert und hydrolysiert und der Ruß in an sich bekannter Weise entfernt wird.

Claims (1)

  1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Adsorption der Metall- oder Metalloidverbindung Wasser an dem Ruß adsorbiert wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrolyse der auf dem Ruß adsorbierten hydrolysierbaren Verbindung in einer wärmeisolierten Reaktionskammer mit wasserdampfhaltigen gasförmigen Verbrennungsprodukten durchgeführt wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 565 178.
DEC16807A 1957-05-10 1958-05-09 Verfahren zur Herstellung sehr feinteiliger Metall- oder Metalloidoxyde Pending DE1080982B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10226975A1 (de) * 2002-06-17 2004-01-15 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung von Abgas eines Dieselmotors

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE565178C (de) * 1931-01-01 1932-11-26 Herbert Adolph Bahr Dr Verfahren zur Herstellung von fein verteiltem Eisenoxyd

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