Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения слоистого гидроксида магния и алюминия

Изобретение относится к способам получения гидроталькитоподобных соединений, в частности слоистого гидроксида магния и алюминия, и может быть использовано в производстве сорбентов и катализаторов.

Большинство существующих способов получения слоистых двойных гидроксидов (СДГ) заключается в совместном осаждении катионов металлов из растворов их солей под действием щелочных реагентов (NaOH, Na₂CO₃) при контролируемом значении рН. Эти способы характеризуются длительностью выдержки суспензии при повышенной температуре для формирования слоистой структуры гидроксидов, что приводит к высоким энергозатратам и значительному объему материальных потоков. Кроме того, эти способы связаны с образованием больших объемов сточных вод, что снижает их экологичность.

Известен способ получения слоистого гидроксида магния и алюминия (см. Гредина И.В., Кулюхин С.А., Тюпина Е.А. Слоистые двойные гидроксиды в процессах локализации радиоактивных элементов из водных растворов // Успехи в химической технологии. - 2009. - т. XXIII, №8. - С. 18-23), включающий приливание при перемешивании к раствору нитратов магния и алюминия при соотношении Mg²⁺:A1³⁺=3:1 и общей концентрации катионов - 1М раствора карбоната и гидроксида натрия при соотношении СО₃^2-ОН^-=1:6 и общей концентрации анионов - 3М. Полученный осадок выдерживают в маточном растворе при 80°С в течение 72 часов, отделяют центрифугированием, сушат на воздухе при 100-120°С, многократно промывают водой и повторно сушат.

Недостатками данного способа являются его длительность, высокие энергозатраты, значительный объем материальных потоков и сточных вод, большое число используемых реагентов. Наличие повторной сушки еще более снижает технологичность способа.

Известен также принятый в качестве прототипа способ получения слоистого гидроксида магния и алюминия (см. пат. 2361814 РФ, МПК C01F 5/00, 7/00, 17/00, C01G 49/00 (2006.01), 2009), заключающийся в том, что к раствору нитратов или хлоридов магния и алюминия с концентрацией солей не более 3М добавляют раствор-осадитель, содержащий гидроксид натрия и карбонат натрия с общей концентрацией не более 3М, при этом соотношение ионов Al³⁺:Mg²⁺:ОН^-:СО₃^2- в растворе составляет 1:3:8:1. Выпавший осадок термостатируют в маточном растворе при 96-98°С в течение 2 суток. После охлаждения до комнатной температуры маточный раствор с осадком декантируют и затем трижды подвергают анионному обмену с Na₂CO₃. После отстаивания полученный раствор декантируют, осадок промывают дистиллированной водой до получения отрицательного результата на наличие иона натрия и сушат при температуре 80-105°С.

Недостатками известного способа являются его длительность, высокие энергозатраты, большой объем материальных потоков и сточных вод. Все это снижает технологичность и экологичность способа.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении технологичности способа за счет снижения его энергоемкости и длительности, уменьшения объема материальных потоков. Техническим результатом является также уменьшение объема сточных вод, что повышает экологичность способа.

Технический результат достигается тем, что в способе получения слоистого гидроксида магния и алюминия, включающем смешение хлорида или нитрата магния и алюминия с карбонатным реагентом, выделение гидратного осадка магния и алюминия, его промывку водой и сушку, согласно изобретению, хлорид или нитрат магния и алюминия берут в виде кристаллогидратов, их смешение с карбонатным реагентом ведут в твердом виде при молярном соотношении Al³⁺:Mg²⁺:CO₃^2-=1:2-3:3,5-4,5, полученную реакционную массу выщелачивают водой при повышенной температуре с образованием суспензии, из которой выделяют гидратный осадок магния и алюминия, а промывку осадка водой ведут до значения рН промывной воды не более 7,5.

Технический результат достигается также тем, что в качестве карбонатного реагента используют карбонат натрия или карбонат аммония.

Технический результат достигается также и тем, что выщелачивание реакционной массы водой ведут при температуре 70-95°С в течение 0,5-2 часов.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. При смешении в твердом виде кристаллогидратов хлорида или нитрата магния и алюминия с карбонатным реагентом, в качестве которого используют карбонат натрия или карбонат аммония, согласно изобретению, протекают следующие химические реакции:

Возможность протекания этих реакций при смешении солей в твердом виде в заданном молярном соотношении Al³⁺:Mg²⁺:CO₃^2-=1:2-3:3,5-4,5 обусловлена наличием в достаточном количестве слабосвязанной кристаллизационной воды в составе кристаллогидратов солей магния и алюминия. При смешении в твердом виде кристаллическая решетка солей не разрушается, как это имеет место в жидкофазных способах, а быстро перестраивается в кристаллическую структуру новой фазы слоистого гидроксида магния и алюминия. В процессе водного выщелачивания полученной реакционной массы при повышенной температуре 70-95°С в течение 0,5-2 часов образуется суспензия, состоящая из раствора хлоридных или нитратных солей и гидратного осадка магния и алюминия. При смешении солей в твердом виде в отсутствие жидкой фазы гидратный осадок формируется в малогидратированной форме и поэтому легко выделяется из суспензии фильтрованием. При промывке осадка водой происходит постепенное вымывание растворимых хлоридных или нитратных солей. При снижении значения рН промывной воды до 7,5 достигается достаточно полная степень отмывки осадка слоистого гидроксида магния и алюминия от примеси хлоридных или нитратных солей.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование хлорида или нитрата магния и алюминия в виде кристаллогидратов позволяет осуществить их взаимодействие с карбонатным реагентом при смешении солей в твердом виде, поскольку в составе кристаллогидратов солей магния и алюминия присутствует достаточное количество кристаллизационной воды для протекания реакций 1-4.

Смешение хлорида или нитрата магния и алюминия с карбонатным реагентом в твердом виде при молярном соотношении Al³⁺:Mg²⁺:СО₃^2-=1:2-3:3,5-4,5 обеспечивает формирование слоистой кристаллической структуры гидроксида магния и алюминия. При этом взаимодействие реагентов протекает достаточно быстро и не требует повышенной температуры, что обеспечивает снижение длительности и энергоемкости способа, а также позволяет минимизировать расход воды на выщелачивание реакционной массы и промывку осадка, что способствует снижению объема материальных потоков и улучшению экологичности. При меньшем содержании Mg²⁺ и СO₃^2- в указанном молярном соотношении не обеспечивается полнота протекания реакции и не происходит формирования слоистой структуры, а большее содержание Mg²⁺ и СО₃^2- не оказывает влияния на качество получаемого продукта и является избыточным, что снижает технологичность способа.

Выщелачивание реакционной массы водой при повышенной температуре позволяет получить суспензию, твердая фаза которой представляет собой хорошо откристаллизованный нерастворимый гидратный осадок магния и алюминия, а жидкая фаза - раствор хлоридов или нитратов натрия или аммония.

Промывка осадка водой до значения рН промывной воды не более 7,5 обеспечивает достаточно полную степень отмывки осадка слоистого гидроксида магния и алюминия от примеси хлоридных или нитратных солей. При величине рН промывной воды более 7,5 не достигается полнота отмывки.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в снижении его энергоемкости и длительности, уменьшении объема материальных потоков, а также уменьшении объема сточных вод, что в целом повышает технологичность и экологичность способа.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие режимные параметры.

Использование в качестве карбонатного реагента карбоната натрия или аммония позволяет в условиях смешения солей в твердом виде получить гидратный осадок магния и алюминия в виде кристаллического соединения, обладающего слоистой структурой.

Выщелачивание реакционной массы водой при температуре 70-95°С в течение 0,5-2 часов способствует повышению кристалличности гидратного осадка магния и алюминия. Снижение температуры ниже 70°С и продолжительности менее 0,5 часа не способствует повышению кристалличности получаемого соединения, а повышение температуры выше 95°С и продолжительности более 2 часов не оказывает заметного влияния на степень кристалличности.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения повышения технологичности способа.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими Примерами.

Пример 1. 100 г Al(NO₃)₃⋅9H₂O, 136,5 г Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 127,2 г Na₂CO₃ (молярное соотношение Al³⁺:Mg²⁺:CO₃^2-=1:2:4,5) смешивают в твердом виде в лопастном смесителе в течение 30 минут. Полученную реакционную массу весом 328,5 г выщелачивают 1,0 л воды при температуре 70°С в течение 1 часа. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением гидратного осадка магния и алюминия. Осадок промывают водой на фильтре 5 раз порциями по 200 мл до значения рН пятой порции промывной воды 7,5 и сушат при температуре 105°С до постоянной массы. Получают 59,5 г осадка гидроксида магния и алюминия. По данным рентгено-фазового анализа (РФА) осадок представляет собой гидроксид магния и алюминия состава Mg₄Al₂(OH)₁₂⋅CO₃⋅3H₂O и имеет слоистую структуру.

Пример 2. 100 г АlСl₃⋅6Н₂O, 252,2 г MgCl₂⋅6H₂O и 153,6 г Na₂CO₃ (молярное соотношение Al³⁺:Mg²⁺:CO₃^2-=1:3:3,5) смешивают согласно Примеру 1. Полученную реакционную массу весом 451,1 г выщелачивают 1,35 л воды при температуре 95°С в течение 2 часов. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением гидратного осадка магния и алюминия. Осадок промывают водой на фильтре 5 раз порциями по 250 мл до значения рН пятой порции промывной воды 7,3 и сушат при температуре 105°С до постоянной массы. Получают 93,4 г осадка гидроксида магния и алюминия. По данным РФА осадок представляет собой гидроксид магния и алюминия состава Mg₄Al₂(OH)₁₂⋅CO₃⋅3H₂O и имеет слоистую структуру.

Пример 3. 100 г Al(NO₃)₃⋅9H₂O, 170,7 г Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 102,4 г (NH₄)₂CO₃ (молярное соотношение Al³⁺:Mg²⁺:CO₃^2-=1:2,5:4) смешивают согласно Примеру 1. Полученную реакционную массу весом 318,4 г выщелачивают 0,95 л воды при температуре 80°С в течение 0,5 часа. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением гидратного осадка магния и алюминия. Осадок промывают водой на фильтре 5 раз порциями по 200 мл до значения рН пятой порции промывной воды 7,2 и сушат при температуре 105°С до постоянной массы. Получают 60,6 г осадка гидроксида магния и алюминия. По данным РФА осадок представляет собой гидроксид магния и алюминия состава Mg₄Al₂(OH)₁₂⋅CO₃⋅3H₂O и имеет слоистую структуру.

Пример 4. 100 г АlСl₃⋅6Н₂O, 168,1 г MgCl₂⋅6H₂O и 139,1 г (NH₄)₂CO₃ (молярное соотношение Al³⁺:Mg²⁺:CO₃^2-=1:2:3,5) смешивают согласно Примеру 1. Полученную реакционную массу весом 352,5 г выщелачивают 1,1 л воды при температуре 85°С в течение 2 часов. Образовавшуюся суспензию фильтруют на нутч-фильтре с выделением гидратного осадка магния и алюминия. Осадок промывают водой на фильтре 5 раз порциями по 225 мл до значения рН пятой порции промывной воды 7,4 и сушат при температуре 105°С до постоянной массы. Получают 93,6 г осадка гидроксида магния и алюминия. По данным РФА осадок представляет собой гидроксид магния и алюминия состава Mg₄Al₂(OH)₁₂⋅CO₃⋅3H₂O и имеет слоистую структуру.

Из приведенных Примеров видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет при смешении исходных солей в твердом виде получить более технологичным методом слоистый гидроксид магния и алюминия, который может быть использован в производстве сорбентов и катализаторов. Способ является менее энергоемким и менее длительным, характеризуется пониженным объемом материальных потоков, в том числе и сточных вод, что повышает его технологичность и экологичность. Предлагаемый способ относительно прост и может быть реализован с использованием стандартного химического оборудования.