RU2412905C1 - Electrochemical method of producing aluminium hydroxide - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to production of aluminium hydroxide from aluminium metal, which can be used as a modifying additive for polymer materials for producing active aluminium oxide for making extra strong and fire resistant ceramic articles, composite materials and antipyrenes. The electrochemical method of producing aluminium oxide involves anodic dissolution aluminium metal in a chlorine-containing electrolyte solution, followed by washing and thermal treatment. Anodic dissolution is carried out in a coaxial electrolysis cell with the surface area of the anode at least twice greater than that of the cathode and the precipitate is then held in the electrolyte solution. Concentration of chloride in the electrolyte solution is equal to 0.05-0.8 mol/l and anode current density is equal to 50-300 A/m².

EFFECT: invention enables to control the phase ratio of boehmite and bayerite and obtain aluminium hydroxide nanoparticles with size in the range of 10-200 nm.

1 dwg, 2 tbl, 4 ex, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области получения гидроксидов алюминия из металлического алюминия, которые могут быть использованы в качестве модифицирующих добавок для полимерных материалов, для получения активного оксида алюминия, для изготовления особо прочных и огнеупорных керамических изделий, композиционных материалов и антипиренов.The invention relates to the field of production of aluminum hydroxides from metal aluminum, which can be used as modifying additives for polymeric materials, for the production of active aluminum oxide, for the manufacture of particularly durable and refractory ceramic products, composite materials and flame retardants.

Обширная область применения обусловлена уникальными свойствами кристаллических модификаций гидроксида алюминия в виде бемита и байерита, получаемых синтетическим путем.The wide scope is due to the unique properties of crystalline modifications of aluminum hydroxide in the form of boehmite and bayerite obtained synthetically.

Известен электрохимический способ получения гидроксида алюминия из металлического алюминия и устройство для его осуществления. Способ включает приготовление суспензии высокодисперсного порошкообразного алюминия в воде, создание в реакторе давления насыщенных водяных паров, распыление суспензии, вывод из реактора смеси паров воды и водорода, а также вывод гидроксида алюминия в приемное устройство, см. RU Патент №2278077, MПK7 C01F 7/42, С01B 3/10, 2006 г.Known electrochemical method for producing aluminum hydroxide from aluminum metal and a device for its implementation. The method includes preparing a suspension of finely powdered aluminum in water, creating saturated water vapor pressure in the reactor, spraying the suspension, withdrawing a mixture of water and hydrogen vapor from the reactor, and also discharging aluminum hydroxide to a receiving device, see RU Patent No. 2278077, MPK7 C01F 7 / 42, С01B 3/10, 2006

Указанный способ получения гидроксида алюминия имеет ряд недостатков, препятствующих его широкому использованию в промышленном производстве:The specified method of producing aluminum hydroxide has several disadvantages that prevent its widespread use in industrial production:

- высокие энергетические затраты на приготовление суспензии, ее распыление, поддержание высокого давления и перемешивание;- high energy costs for the preparation of the suspension, its spraying, maintaining high pressure and mixing;

- взрывоопасность процесса.- the explosiveness of the process.

Наиболее близким по технической сущности является электрохимический способ получения гидроксида алюминия, включающий анодное растворение металлического алюминия в растворе аммонийных солей, фильтрацию и сушку осадка, в котором в качестве аммонийных солей используют углекислый или уксуснокислый аммоний и анодное растворение ведут с введением соляной кислоты, см. SU Патент №801469, МПК7 C01F 7/42, 2003 г.The closest in technical essence is the electrochemical method of producing aluminum hydroxide, including the anodic dissolution of aluminum metal in a solution of ammonium salts, filtration and drying of the precipitate, in which ammonium carbonate or acetic acid and anodic dissolution are carried out with the introduction of hydrochloric acid, see SU Patent No. 801469, IPC7 C01F 7/42, 2003

По известному способу получают гидроксид алюминия бемитовой структуры, а не бифазную систему на основе бемита и байерита, что не позволяет получать высокодисперсные частицы и сужает область использования. К недостаткам способа также относятся использование аммонийной соли, приводящей к появлению паров аммиака в процессе электролиза, а также необходимость дополнительного введения соляной кислоты, имеющей второй класс опасности (вещества высокоопасные) и приводящей к химическому растворению алюминия, т.е. образованию нецелевого продукта (хлорида алюминия).According to the known method, aluminum hydroxide of boehmite structure is obtained, and not a biphasic system based on boehmite and bayerite, which does not allow to obtain highly dispersed particles and narrows the scope of use. The disadvantages of the method also include the use of ammonium salt, which leads to the appearance of ammonia vapors during the electrolysis, as well as the need for additional introduction of hydrochloric acid, which has a second hazard class (highly hazardous substances) and leads to the chemical dissolution of aluminum, i.e. the formation of an inappropriate product (aluminum chloride).

Задачей изобретения является создание электрохимического способа получения гидроксида алюминия с регулируемым соотношением фаз бемита и байерита и размером частиц не более 200 нм.The objective of the invention is to provide an electrochemical method for producing aluminum hydroxide with an adjustable phase ratio of boehmite and bayerite and a particle size of not more than 200 nm.

Техническая задача решается электрохимическим способом получения гидроксида алюминия, включающим анодное растворение металлического алюминия в хлоридсодержащем растворе электролита, с последующей отмывкой и термообработкой, в котором анодное растворение ведут в коаксиальном электролизере при условии превышения площади анода на два и более порядка площади катода, при концентрации хлорида в растворе электролита 0,05-0,8 моль/л и анодной плотности тока 50-300 А/м², с последующей выдержкой осадка в растворе электролита.The technical problem is solved by the electrochemical method of producing aluminum hydroxide, including the anodic dissolution of aluminum metal in a chloride-containing electrolyte solution, followed by washing and heat treatment, in which the anodic dissolution is carried out in a coaxial electrolyzer provided that the anode area is two or more orders of magnitude greater than the cathode area, at a concentration of chloride in an electrolyte solution of 0.05-0.8 mol / l and an anode current density of 50-300 A / m ² , followed by exposure of the precipitate in an electrolyte solution.

Решение технической задачи позволяет регулировать соотношение фаз бемита и байерита и получать наноразмерные частицы гидроксида алюминия с диапазоном размеров 10-200 нм.The solution to the technical problem allows you to adjust the ratio of boehmite and bayerite phases and obtain nanosized particles of aluminum hydroxide with a size range of 10-200 nm.

Электролизер для обработки водных растворов, используемый в заявляемом способе, содержит корпус с размещенными в нем коаксиально установленными цилиндрическими электродами, см. SU Авторское свидетельство №1597344, МПК C02F 1/46, 1990.The electrolyzer for processing aqueous solutions used in the present method contains a housing with coaxially mounted cylindrical electrodes placed therein, see SU Copyright Certificate No. 1597344, IPC C02F 1/46, 1990.

Указанный бездиафрагменный электролизер использовался в прикладной электрохимии для обработки водных растворов в гальваническом производстве с целью получения растворов с повышенным содержанием ионов водорода и гидроксида.The specified diaphragmless electrolyzer was used in applied electrochemistry for the treatment of aqueous solutions in galvanic production in order to obtain solutions with a high content of hydrogen ions and hydroxide.

Устройство содержит корпус 1 (камеру), крышку 2; анод, выполненный в форме цилиндра 3; катод, расположенный строго по центру камеры 4; входные клеммы электродов 5, см. фиг.1.The device comprises a housing 1 (camera), a cover 2; an anode made in the form of a cylinder 3; a cathode located strictly in the center of the chamber 4; input terminals of the electrodes 5, see figure 1.

Далее изобретение иллюстрируют следующие примеры конкретного выполнения.The invention is further illustrated by the following specific examples.

Пример 1.Example 1

Электрохимический способ получения гидроксида алюминия осуществляют в коаксиальном электролизере с источником постоянного тока, вместимостью рабочей камеры 400 см³. Катод электролизера изготовлен из стали Х18Н10Т, а анод из алюминиевой фольги с содержанием элементного алюминия ≥99,5%. В рабочую камеру электролизера заливают 300 см³ хлоридсодержащего раствора электролита с концентрацией хлорида натрия 0,05 моль/л и включают источник постоянного тока; анодная плотность тока составляет 167 А/м². После анодного растворения металлического алюминия (время проведения электролиза 1,5 часа) осадок выдерживают в растворе электролита, а затем его отмывают и высушивают при температуре 403 К до постоянной массы. Данные по составу гидроксида алюминия приведены в таблице.The electrochemical method for producing aluminum hydroxide is carried out in a coaxial electrolyzer with a constant current source, with a working chamber capacity of 400 cm ³ . The cathode of the electrolyzer is made of X18H10T steel, and the anode is made of aluminum foil with elemental aluminum content ≥99.5%. 300 cm ^{3 of a} chloride-containing electrolyte solution with a concentration of sodium chloride of 0.05 mol / L are poured into the working chamber of the electrolyzer and include a direct current source; the anode current density is 167 A / m ² . After anodic dissolution of aluminum metal (electrolysis time 1.5 hours), the precipitate is kept in an electrolyte solution, and then it is washed and dried at a temperature of 403 K to constant weight. Data on the composition of aluminum hydroxide are given in the table.

Общий выход продукта описанного процесса в пересчете на гидроксид алюминия составляет около 50 г/ч.The total product yield of the described process in terms of aluminum hydroxide is about 50 g / h.

Пример 2-4 осуществляют при других режимных условиях аналогично примеру 1, см таблицу 1.Example 2-4 is carried out under other operating conditions analogously to example 1, see table 1.

Результаты по примерам 1-4 приведены в таблице 2.The results of examples 1-4 are shown in table 2.

Таблица 1Table 1 Режимные условияRegime conditions Пример 1Example 1 Пример 2Example 2 Пример 3Example 3 Пример 4Example 4 Концентрация хлорида натрия в растворе электролита, моль/л,The concentration of sodium chloride in the electrolyte solution, mol / l, 0,050.05 0,50.5 0,20.2 0,80.8 Анодная плотность тока, А/м² Anode current density, A / m ² 167,0167.0 83,383.3 53,353.3 300,0300,0 Время выдержки в растворе электролита, часThe exposure time in the electrolyte solution, hours 4242 4646 5151 5353 Время проведения электролиза, часElectrolysis time, hour 1,51,5 1,51,5 1,21,2 1,51,5

Таблица 2table 2 ПоказателиIndicators Данные по составу оксида алюминияAlumina Composition Data Пример 1Example 1 Пример 2Example 2 Пример 3Example 3 Пример 4Example 4 Размеры частиц получаемого гидроксида алюминияThe particle size of the obtained aluminum hydroxide частицы размером ~50 нм и агрегаты размером >150-200 нм~ 50 nm particles and aggregates> 150-200 nm Соотношение фаз бемит/байерит до термообработкиThe boehmite / bayerite phase ratio before heat treatment 4,924.92 0,450.45 0,720.72 6,206.20

Таким образом, управление параметрами электрохимического процесса дает возможность регулировать соотношение фаз бемита и байерита и получать наночастицы с диапазоном размеров 10-200 нм.Thus, controlling the parameters of the electrochemical process makes it possible to control the ratio of boehmite and bayerite phases and to obtain nanoparticles with a size range of 10-200 nm.

Claims (1)

Электрохимический способ получения гидроксида алюминия, включающий анодное растворение металлического алюминия в хлоридсодержащем растворе электролита с последующей отмывкой и сушкой осадка, отличающийся тем, что анодное растворение ведут в коаксиальном электролизере, в котором площадь анода превышает площадь катода не менее чем на два порядка, при концентрации хлорида в растворе электролита 0,05-0,8 моль/л, при анодной плотности тока 50-300 А/м², с последующей выдержкой осадка в растворе электролита. The electrochemical method for producing aluminum hydroxide, including anodic dissolution of aluminum metal in a chloride-containing electrolyte solution, followed by washing and drying the precipitate, characterized in that the anodic dissolution is carried out in a coaxial electrolyzer, in which the anode area exceeds the cathode area by at least two orders of magnitude, at a chloride concentration in an electrolyte solution of 0.05-0.8 mol / l, at an anode current density of 50-300 A / m ² , followed by exposure of the precipitate in an electrolyte solution.