DE2456273C3 - Process for the preparation of aqueous solutions of a mixture of hydroxyaluminum nitrate polymers and ammonium nitrate - Google Patents
Process for the preparation of aqueous solutions of a mixture of hydroxyaluminum nitrate polymers and ammonium nitrateInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wäßrigen Lösungen eines Gemisches von Hydroxyaluminiumnitratpolymeren und Ammoniumnitrat, wobei man Aluminiumnitrat und Aluminiummetall in einem Molverhältnis von Aluminiumnitrat zu Aluminium von etwa 1 :0,l bis 1 :1,85 in einem wäßrigen Reaktionsmedium bei einer Temperatur von 50 bis 150° C miteinander umsetzt.The invention relates to a process for the preparation of aqueous solutions of a mixture of hydroxyaluminum nitrate polymers and ammonium nitrate, being aluminum nitrate and aluminum metal in a molar ratio of aluminum nitrate to aluminum from about 1: 0.1 to 1: 1.85 in an aqueous reaction medium at a temperature of 50 to 150 ° C reacts with each other.
Hydroxyaluminiumpolymere können bekanntlich durch kontrollierten Zusatz einer Alkalimetallbase, z. B. Natriumhydroxid, zu einer wäßrigen Lösung eines wasserlöslichen Aluminiumsalzes hergestellt werden. Es wird angenommen, daß bei dem Zusatz der Base zu einer Aluminiumsalzlösung OH~-Ionen die AP+-Ionen miteinander verbinden, wobei stabile Ringe aus 6 Al-Atomen pro Einheit gebildet werden. Wenn das Molverhältnis von OH zu Al im Bereich von 0 bis 2,1 liegt, führt die Reaktion zur Bildung einzelner Einheiten der Zusammensetzung [AIo(OH)I2J6+ oder doppelter Einheiten der Zusammensetzung [AIi0(OH)22P+. Bei Verhältnissen von 2,25 bis 2,7 reagieren die zusätzlichen OH--Ionen mit diesen einfachen Einheiten und bilden eine kontinuierliche Reihe von höheren Polymeren.As is known, hydroxyaluminum polymers can be prepared by the controlled addition of an alkali metal base, e.g. B. sodium hydroxide, to be prepared to an aqueous solution of a water-soluble aluminum salt. It is assumed that when the base is added to an aluminum salt solution, OH ~ ions bind the AP + ions to one another, with stable rings being formed from 6 Al atoms per unit. If the molar ratio of OH to Al is in the range from 0 to 2.1, the reaction leads to the formation of single units of the composition [Alo (OH) I 2 J 6+ or double units of the composition [Ali 0 (OH) 22 P + . At ratios of 2.25 to 2.7 the additional OH ions react with these simple units and form a continuous series of higher polymers.
Die Natur der Hydroxyaluminiumpolymeren sowie ihre Herstellung sind in »Soil Science of America Proceedings«, Bd. 28, Nr. 6, Seiten 763-769 (1964) und im »Mineralogical Magazine«, Bd. 33 (1964), Seiten 749—768 beschrieben. noThe nature of hydroxyaluminum polymers and how they are made are in Soil Science of America Proceedings ", Vol. 28, No. 6, pages 763-769 (1964) and in" Mineralogical Magazine ", Vol. 33 (1964), pages 749-768. no
Hydroxyaluminiumpolymere können zur Verfestigung von wasserempfindliche Tone enthaltenden Bodenformationen bei der sekundären ölgewinnung wie beispielsweise in der US-PS 36 03 399 beschrieben ist, oder auch als Zusatzstoffe für Ammoniumsalzgemisehe zur Verminderung des Zusammenbackens und zur Verbesserung der Härte eingesetzt werden, wie in der älteren DT-OS 23 60 851 erläutert wird.Hydroxyaluminum polymers can be used to solidify water-sensitive clays containing them Soil formations in secondary oil extraction as described, for example, in US Pat. No. 3,6 03,399 is, or as additives for ammonium salt mixtures to reduce caking and to Improvement of hardness can be used, as explained in the older DT-OS 23 60 851.
Die Verhinderung des Ausströmens von Stickstoffoxiden mit Hilfe von Harnstoff wurde in Industrial and Engineering Chemistry Process Design Development, Bd. 4 (1965), Seite 263 beschrieben.Preventing nitrogen oxides from escaping with the aid of urea has been described in Industrial and Engineering Chemistry Process Design Development, Vol. 4 (1965), page 263.
Aus der US-PS 29 31 706 ist die Herstellung von basischen Aluminiumnitraten in Form einer wäßrigen Lösung durch Auflösen von metallischem Aluminium in einer wäßrigen Lösung von Aluminiumnitrat in Gegenwart von Quecksilber oder eines löslichen Quecksilbersalzes als amalgambildender Katalysator bekannt, wobei das basische Nitrat der Formel Alb(OH)i3(NO3)5 mit einem Gemisch aus speziellen Alkoholen und Äthern in fester Form abgetrennt wird.From US-PS 29 31 706 the production of basic aluminum nitrates in the form of an aqueous Solution by dissolving metallic aluminum in an aqueous solution of aluminum nitrate in Presence of mercury or a soluble mercury salt as an amalgam-forming catalyst known, the basic nitrate of the formula Alb (OH) i3 (NO3) 5 with a mixture of special Alcohols and ethers are separated in solid form.
Aufgrund des sehr toxischen Quecksilbers sind die hierbei erhaltenen Hydroxyaluminiumnitratpolymeren jedoch nicht als Mittel zur Verminderung des Zusammenbackens von z. B. Ammoniumnitrat enthaltenden Düngemitteln verwendbar.Due to the very toxic mercury, the resulting hydroxyaluminum nitrate polymers but not as a means of reducing caking of e.g. B. containing ammonium nitrate Can be used in fertilizers.
Es war zu erwarten, daß sich auch pulverisiertes Aluminium in der in den Spalten 1, Zeilen 61, bis 2, Zeile 5 der US-PS 29 31 706 dargelegten Weise verhalten würde und daß damit in Abwesenheit eines amalgambildenden Katalysators keine Umsetzung von Aluminiummetall mit einer wäßrigen Ammoniumnitratlösung unter Bildung von Hydroxyaluminiumpolymeren herbeiführbar wäre.It was to be expected that powdered aluminum would also be found in the column 1, lines 61 to 2, line 5 of US-PS 29 31 706 set out would behave and that thus in the absence of an amalgam-forming The catalyst does not undergo any reaction of aluminum metal with an aqueous ammonium nitrate solution Formation of hydroxyaluminum polymers would be induced.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von wäßrigen Lösungen eines Gemisches von Hydroxyaluminiumnitratpolymeren und Ammoniumnitrat, wobei man Aluminiumnitrat und Aluminiummetall in einem Molverhältnis von Aluminiumnitrat zu Aluminium von etwa 1:0,1 bis 1:1,85 in einem wäßrigen Roaktionsmedium bei einer Temperatur von 50 bis 15O0C miteinander umsetzt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man pulverisiertes Aluminiummetall einsetzt und daß man dem Reaktionsgemisch Harnstoff, und zwar bis zu 2 Mol pro Mol Aluminiummetall, als weiteren Reaktionsteilnehmer zusetzt.The invention now provides a process for the preparation of aqueous solutions of a mixture of hydroxyaluminum nitrate polymers and ammonium nitrate, wherein aluminum nitrate and aluminum metal in a molar ratio of aluminum nitrate to aluminum of about 1: 0.1 to 1: 1.85 in an aqueous Roaktionsmedium at a Reacting temperature of 50 to 150 0 C with one another, which is characterized in that pulverized aluminum metal is used and that urea, up to 2 mol per mol of aluminum metal, is added as a further reactant to the reaction mixture.
Wenn auch die Erfindung nicht an eine besondere Theorie gebunden sein soll, so scheint doch die Umsetzung stöchiometrisch etwa nach der folgenden Gleichung abzulaufen:Even if the invention is not intended to be bound by a particular theory, it does seem that Implementation stoichiometrically according to the following equation:
Al(NOj)3 + a Al + 2a H2OAl (NOj) 3 + a Al + 2a H 2 O
- (1 + a)Al(OH)(43/i+ a)(NO3)(3-a/i +J) + aNO- (1 + a) Al (OH) (4 3 / i + a) (NO 3 ) (3 - a / i + J ) + aNO
Um das Ausströmen des hierbei gebildeten Stickstoffoxids zu unterdrücken und dieses unerwünschte Nebenprodukt gleichzeitig unter Bildung von Ammoniumnitrat als wertvolles Düngemittel zu verwerten, wird Harnstoff, und zwar in Mengen von bis zu 2 Mol pro Mol Aluminiummetall als weiterer Reaktionsteilnehmer im erfindungsgemäßen Verfahren angewandt, wobei Mengen von etwa 0,1 bis 1,25MoI Harnstoff pro Mol Aluminiummetall bevorzugt werden.In order to suppress the outflow of the nitrogen oxide formed in the process and this undesirable Using the by-product as a valuable fertilizer with the formation of ammonium nitrate at the same time Urea, in amounts of up to 2 moles per mole of aluminum metal as a further reactant used in the process according to the invention, with amounts of about 0.1 to 1.25MoI urea per mole Aluminum metal are preferred.
In vorstehender Gleichung hat a einen Wert von etwa 0,1 bis 1,85, noch besser einen Wert von 0,3 bis 1,7 und insbesondere einen Wert von 1,0 bis 1,7, mit anderen Worten, das Molverhältnis von Aluminiumpulver zu Aluniiniumnitrat liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich von etwa 0,1 :1 bis 1,85 :1, vorzugsweise von etwa 0,3 :1 bis 1,7 :1 und insbesondere von 1:1 bis 1,7:1.In the above equation, a has a value of about 0.1 to 1.85, more preferably a value of 0.3 to 1.7, and particularly a value of 1.0 to 1.7, in other words, the molar ratio of aluminum powder to aluminum nitrate in the process according to the invention is in the range from about 0.1: 1 to 1.85: 1, preferably from about 0.3: 1 to 1.7: 1 and in particular from 1: 1 to 1.7: 1.
Das als Reaktionsteünehmer verwendete Aiuminiumnitrat ist zweckmäßig wasserfreies Aluminiumnitrat oder hydratisiertes Aluminiumnitrat. Hauptsächlich wegen der leichten Erhältlichkeit wird Aluminiumnitratnonahydrat bevorzugt.The aluminum nitrate used as a reactant is conveniently anhydrous aluminum nitrate or hydrated aluminum nitrate. Mainly aluminum nitrate nonahydrate is preferred because of its ready availability.
Im allgemeinen kann jedes im Handel erhältliche Aluminiumpulver von angemessener Reinheit verwendet werden. Geeignete TeilchengröBen des Aluminiumpulvers liegen im Bereich von > 0,044 bis < 2,00 mm, vorzugsweise im Bereich von > 0,25 mm bis < 0,84 mm.In general, any commercially available aluminum powder of reasonable purity can be used will. Suitable particle sizes of the aluminum powder are in the range of > 0.044 to <2.00 mm, preferably in the range from> 0.25 mm to <0.84 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in m wäßrigen Reaktionsmedium durchgeführt. Im all; . neinen werden etwa 2 bis 1000 Mol Wasser pro Mol Aluminiumnitrat verwendet, wobei ein Verhältnis von etwa 10 bis 100 Mol Wasser pro Mol Aluminiumnitrat bevorzugt wird.The process according to the invention is carried out in an aqueous reaction medium. In space; . no about 2 to 1000 moles of water per mole of aluminum nitrate are used, with a ratio of about 10 to 100 moles of water per mole of aluminum nitrate is preferred.
Um die Reaktiousteilnehmer miteinander in Berührung zu bringen, können verschiedene Verfahren angewendet werden. In einer Ausführungsform werden die Gesamtmengen der Reaktionsteilnehmer in ein Reaktionsgefäß eingebracht und während der gewünschten Reaktionsdauer bei den Reaktionsbedingungen gehalten. In einer anderen Ausführungsform wird ein Reakiionsteilnehmer nach und nach den anderen Reaktionsteilnehmern zugesetzt. Beispielsweise wird ein wäßriges Gemisch von Aluminiumnitrat und Aluminiumpulver nach und nach mit Harnstoff versetzt. Bei jeder Ausführungsform wird das Verfahren bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Im allgemeinen sind Temperaturen von etwa 50 bis 150° C zufriedenstellend, wobei Temperaturen von etwa 75 bis 125° C bevorzugt sind. Besonders bevorzugt als Reaktionstemperatur ist der Siedepunkt des Reaktionsgemisches, d. h. die Rückflußtemperatur. Es können Normaldruck, Unterdruck oder Überdruck angewendet werden, wobei im allgemeinen am besten bei Normaldruck gearbeitet wird. Die Reaktionszeiten hängen teilweise vom Molverhältnis der Reaktionsteilnehmer und teilweise von der Reaktionstemperatur und dem Druck ab. Im allgemeinen sind jedoch Reaktionszeiten von 1 bis 24 Stunden zufriedenstellend.Various methods can be used to bring the reactive participants into contact with one another be applied. In one embodiment, the total amounts of the reactants are in one Reaction vessel introduced and for the desired reaction time under the reaction conditions held. In another embodiment, one participant gradually becomes the other Reactants added. For example, an aqueous mixture of aluminum nitrate and Urea is gradually added to aluminum powder. In each embodiment, the procedure is at carried out at elevated temperatures. In general, temperatures of about 50 to 150 ° C are satisfactory, with temperatures of about 75 to 125 ° C being preferred. Particularly preferred as the reaction temperature is the boiling point of the reaction mixture, i.e. H. the reflux temperature. Normal pressure, Underpressure or overpressure can be applied, with normal pressure generally being best is being worked on. The reaction times depend in part on the molar ratio of the reactants and in part on the reaction temperature and pressure. In general, however, reaction times are from 1 to 24 Hours satisfactory.
Das wäßrige Produktgemisch aus Hydroxyaluminiumnitratpolymeren und Ammoniumnitrat eignet sich für viele Anwendungen, ohne daß eine weitere Reinigung erforderlich wäre, z. B. als Mittel zur Verhinderung des Zusammenbackens von Düngemitteln, insbesondere solchen auf Basis von Ammoniumsalzen, wie Ammoniumnitrat, wobei sich seine Freiheit von toxischen Komponenten und die Anwesenheit von Ammoniumnitrat, das selbst ein Düngemittel ist, vorteilhaft auswirkt. Gewünschtenfalls kann das Produktgemisch jedoch eingedampft werden, um konzentriertere Lösungen oder feste Produkte zu erhalten.The aqueous product mixture of hydroxyaluminum nitrate polymers and ammonium nitrate is useful in many applications without the need for further purification, e.g. B. as a means of Prevention of caking of fertilizers, especially those based on ammonium salts, such as ammonium nitrate, being its freedom from toxic components and the presence of Ammonium nitrate, which is itself a fertilizer, has beneficial effects. If desired, the product mixture however, evaporated to obtain more concentrated solutions or solid products.
Das Molverhältnis von Aluminium zu Hydroxylgruppen in dem Hydroxyaluminiumnitratpolymer hängt hauptsächlich von dem Molverhältnis von Aluminiumnitrat zu Aluminiumpulver im Ausgangsgemisch des Verfahrens ab. Im dllgemeinen beträgt das bevorzugte Molverhältnis von Aluminium zu Hydroxylgruppen etwa 1 :1 bis 1 :2,6 und insbesondere 1 :2 bis 1 :2,6.The molar ratio of aluminum to hydroxyl groups in the hydroxyaluminum nitrate polymer depends mainly on the molar ratio of aluminum nitrate to aluminum powder in the starting mixture of the Procedure. Generally, the preferred molar ratio of aluminum to hydroxyl groups is about 1: 1 to 1: 2.6 and especially 1: 2 to 1: 2.6.
In einer Reihe von Versuchen wurde die Herstellung von Hydroxyaluminiumpolymeren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt In jedem Versuch wurden 0,2 Mol Aluminiumnitrat-nonahydrat (ANN) mit unterschiedlichen Mengen Aluminiumpulver und Harnstoff in 75 ml Wasser etwa 16 Stunden lang bei Rückflußtemperatur erhitzt. Das Molverhältnis der verwendeten Reaktionsteilnehmer, das Verhältnis von Hydroxylgruppen zu Aluminium und der Aluminiumgehalt in Gewichtsprozent für die erhaltenen Hydroxyaluminiumnitratpolymeren sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt Der Gehalt an Hydroxylgruppen wurde durch direkte Titration nach Zusatz von Kaliumoxalat zwecks Verhinderung der hydrolytischen Fällung von Aluminiumionen bestimmtIn a series of attempts, the preparation of hydroxyaluminum polymers according to the invention Procedure Performed In each experiment, 0.2 moles of aluminum nitrate nonahydrate was used (ANN) with different amounts of aluminum powder and urea in 75 ml of water for about 16 hours Heated to reflux temperature. The molar ratio of reactants used, the ratio of Hydroxyl groups to aluminum and the aluminum content in percent by weight for the hydroxyaluminum nitrate polymers obtained are summarized in the table below The hydroxyl group content was determined by direct titration after the addition of potassium oxalate for the purpose of preventing the hydrolytic Precipitation of aluminum ions determined
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