Die Erfindung umfasst die Herstellung anionischer Tone und die Herstellung von festen Mg-Al-Lösungen durch Wärmebehandlung des anionischen Tons. Anionische Tone haben eine Kristallstruktur, die aus positiv geladenen Schichten besteht, welche aus speziellen Kombinationen von Metallhydroxiden, zwischen denen sich Anionen und Wassermoleküle befinden, aufgebaut sind. Hydrotalcit ist ein Beispiel eines natürlich vorkommenden anionischen Tons, in dem Carbonat das vorherrschende Anion ist, das vorliegt. Meixnerit ist ein anionischer Ton, in dem Hydroxyl das vorherrschende Anion ist, das vorliegt.

In Hydrotalcit-artigen anionischen Tonen sind die Brucit-artigen Hauptschichten aus Oktaedern aufgebaut, die sich mit Zwischenschichten abwechseln, in denen Wassermoleküle und Anionen, insbesondere Carbonationen, verteilt sind. Die Zwischenschichten können Anionen wie NO₃^-, OH^-, Cl^-, Br^-, I^-, SO₄^2-, SiO₃^2-, CrO₄^2-, BO₃^2-, MnO₄^-, HGaO₃^2-, HVO₄^2-, ClO₄^-, BO₃^2-, säulenbildende (pillaring) Anionen wie V₁₀O₂₈^6- und MO₇O₂₄^6-, Monocarboxylate wie Acetat, Dicarboxylate wie Oxalat, Alkylsulfonate wie Laurylsulfonat enthalten.

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Vielfalt von Ausdrücken verwendet wird, um das Material zu beschreiben, das in diesem Patent als anionischer Ton bezeichnet wird. Hydrotalcit-artig und geschichtetes Doppelhydroxid werden vom Fachmann als untereinander austauschbar verwendet. In dieser Patentanmeldung bezeichnen wir die Materialien als anionische Tone, die innerhalb dieses Ausdrucks Hydrotalcit-artige und geschichtete Doppelhydroxid-Materialien umfassen.

Die Herstellung anionischer Tone wird in vielen Literaturstellen des Standes der Technik beschrieben.

Zwei hauptsächliche Übersichtsartikel über die Chemie anionischer Tone wurden kürzlich veröffentlicht, in denen die Herstellungsverfahren, die für die Synthese anionischer Tone verfügbar sind, zusammengefasst werden:

F. Cavani et al. "Hydrotalcit-type anionic clays: Preparation, Properties and Applications", Catalysis Today", 11 (1991) Elsevier Science Publishers B.V. Amsterdam;

J.P. Besse et al. "Anionic clays: trends in pillaring chemistry", in "Synthesis of Microporous Materials" (1992), 2, 108, Herausg. M.I. Occelli, H.E. Robson, Van Nostrand Reinhold, N.Y.

In diesen Übersichtsartikeln geben die Autoren an, dass ein Merkmal von anionischen Tonen darin besteht, dass eine milde Calcinierung bei 500 °C die Bildung eines ungeordneten MgO-artigen Produkts ergibt. Dieses ungeordnete MgO-artige Produkt lässt sich von Spinell (der sich nach einer strengen Calcinierung ergibt) und von anionischen Tonen unterscheiden. In dieser Patentanmeldung beziehen wir uns auf diese ungeordneten MgO-artigen Materialien als feste Mg-Al-Lösungen. Weiterhin enthalten diese festen Mg-Al-Lösungen einen wohlbekannten Erinnerungseffekt, wobei die Einwirkung von Wasser auf solche calcinierten Materialien die Rückbildung der Struktur des anionischen Tons ergibt.

Für das Arbeiten mit anionischen Tonen wird auf die folgenden Artikel Bezug genommen:

Helv. Chim. Acta, 25, 106-137 und 555-569 (1942)

J. Am. Ceram. Soc., 42, Nr. 3, 121 (1959)

Chemistry Letters (Japan, 843 (1973)

Clays and Clay Minerals, 23, 369 (1975)

Clays and Clay Minerals, 28, 50 (1980)

Clays and Clay Minerals, 34, 507 (1996)

Clays and Clay Minerals, 34, 507 (1996)

Materials Chemistry and Physics, 14, 569 (1986)

Zusätzlich dazu existiert eine große Menge an Patentliteratur über die Verwendung von anionischen Tonen und über Verfahren zu deren Herstellung.

Die Europäische Patentanmeldung 0 536 879 beschreibt ein Verfahren zum Einführen pH-abhängiger Anionen in den Ton. Der Ton wird hergestellt, indem man eine Lösung von Al(NO₃)₃ und Mg(NO₃)₂ zu einer basischen Lösung gibt, die Boratanionen enthält. Das Produkt wird dann filtriert, wiederholt mit Wasser gewaschen und über Nacht getrocknet. Zusätzlich dazu werden Mischungen von Zn/Mg verwendet.

In US 3,796,792 von Miyata et al. mit dem Titel "Composite Metal Hydroxides" wird eine Reihe von Materialien hergestellt, in die eine umfangreiche Reihe von Kationen eingefügt wird, einschließlich Sc, La, Th, In usw. In den Beispielen werden gegebene Lösungen der zweiwertigen und dreiwertigen Kationen hergestellt und mit Base vermischt, um eine gemeinsame Ausfällung zu bewirken. Die sich ergebenden Produkte werden filtriert, mit Wasser gewaschen und bei 80 °C getrocknet. Beispiel 1 bezieht sich auf Mg und Sb, und Beispiel 2 bezieht sich auf Mg und Bi. Andere Beispiele sind angegeben, und in jedem Fall werden lösliche Salze verwendet, um Lösungen herzustellen, bevor der anionische Ton bei einem hohen pH ausgefällt wird.

In US 3,879,523 von Miyata et al. mit dem Titel "Composite Metal Hydroxides" wird auch eine große Anzahl von Herstellungsbeispielen aufgeführt. Die zugrunde liegende Chemie basiert jedoch wieder auf dem gemeinsamen Ausfällen löslicher Salze, gefolgt von einem Waschen und Trocknen. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass das Waschen ein notwendiger Teil solcher Herstellungsverfahren ist, weil, um eine basische Umgebung für das gemeinsame Ausfällen der Metallionen zu erzeugen, eine basische Lösung benötigt wird, und dies durch NaOH/Na₂CO₃-Lösungen bereitgestellt wird. Restliches Natrium z.B. kann einen signifikanten schädlichen Effekt auf die anschließende Leistungsfähigkeit des Produkts als Katalysator oder Oxidträger haben.

In US 3,879,525 (Miyata) werden wieder ähnliche Arbeitsweisen beschrieben.

In US 4,351,814 von Miyata et al. wird ein Verfahren zur Herstellung von faserigem Hydrotalcit beschrieben. Solche Materialien unterscheiden sich in der Struktur von der normalen plättchenförmigen Gestalt. Die Synthese umfasst wiederum lösliche Salze. Z.B. wird eine wässrige Lösung einer Mischung von MgCl₂ und CaCl₂ hergestellt und in geeigneter Weise gealtert. Daraus fällt das nadelartige Produkt Mg₂(OH)₃Cl&bullopr;4H₂O aus. Eine separate Lösung von Natriumaluminat wird dann in einem Autoklaven mit dem festen Mg₂(OH)₃Cl&bullopr;4H₂O umgesetzt, und das Produkt wird wieder filtriert, mit Wasser gewaschen und getrocknet.

In US 4,458,026 von Reichle – in dem wärmebehandelte anionische Tone als Katalysatoren für Aldol-Kondensationsreaktionen beschrieben werden – werden wiederum Magnesium- und Aluminiumnitratsalz-Lösungen verwendet. Solche Lösungen werden zu einer zweiten Lösung von NaOH und Na₂CO₃ gegeben. Nach dem Ausfällen wird die Aufschlämmung filtriert und zweimal mit destilliertem Wasser gewaschen, bevor bei 125 °C getrocknet wird.

In US 4,656,156 von Misra wird die Herstellung eines neuen Absorptionsmittels beschrieben, die auf dem Vermischen von aktiviertem Aluminiumoxid und Hydrotalcit basiert. Der Hydrotalcit wird hergestellt, indem man aktiviertes MgO (das durch Aktivierung einer Magnesium-Verbindung wie Magnesiumcarbonat oder Magnesiumhydroxid hergestellt wird) mit wässrigen Lösungen umsetzt, die Aluminat-, Carbonat- und Hydroxylionen enthalten. Zum Beispiel wird die Lösung aus NaOH, Na₂CO₃ und Al₂O₃ hergestellt. Insbesondere umfasst die Synthese die Verwendung von industrieller Bayer-Lauge als Al-Quelle. Die sich ergebenden Produkte werden gewaschen und filtriert, bevor sie bei 105 °C getrocknet werden.

In US 4,904,457 von Misra wird ein Verfahren zur Herstellung von Hydrotalciten in hoher Ausbeute beschrieben, indem man aktiviertes Magnesiumoxid mit einer wässrigen Lösung umsetzt, die Aluminat-, Carbonat- und Hydroxylionen enthält.

Diese Verfahrensweise wird in US 4,656,156 wiederholt.

In US 5,507,980 von Kelkar et al. wird ein Verfahren zur Herstellung neuer Katalysatoren, Katalysatorträger und Absorptionsmittel beschrieben, die synthetische Hydrotalcit-artige Bindemittel umfassen. Die Herstellung des typischen Blatt-Hydrotalcits umfasst die Umsetzung von Pseudo-Böhmit, zu dem Essigsäure gegeben wurde, um den Pseudo-Böhmit zu peptisieren. Dies wird dann mit Magnesiumoxid vermischt. Wichtiger ist, dass in der Patent-Zusammenfassung klar festgestellt wird, dass in der Erfindung organische Monocarbonsäuren wie Ameisensäure, Propionsäure und Isobuttersäure verwendet werden. In diesem Patent werden die konventionellen Versuche zur Herstellung von Hydrotalcit präsentiert.

In US 5,439,861 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators, der auf Hydrotalciten basiert, für die Synthesegas-Produktion offenbart. Das Herstellungsverfahren basiert wiederum auf dem gemeinsamen Ausfällen löslicher Salze durch Vermischen mit Base, z.B. durch Zugabe einer Lösung von RhCl₃, Mg(NO₃)₂ und Al(NO₃)₃ zu einer Lösung von Na₂CO₃ und NaOH.

Auch in US 5,399,537 von Bhattacharyya zur Herstellung von nickelhaltigen Katalysatoren auf der Basis von Hydrotalcit wird das gemeinsame Ausfällen löslicher Magnesium- und Aluminiumsalze verwendet.

In US 5,591,418 von Bhattacharyya wird ein Katalysator zum Entfernen von Schwefeloxiden oder Stickoxiden aus einer gasförmigen Mischung hergestellt, indem man einen anionischen Ton calciniert, wobei der anionische Ton durch gemeinsames Ausfällen einer Lösung von Mg(NO₃)₂, Al(NO₃)₃ und Ce(NO₃)₃ hergestellt wird. Das Produkt wird wiederum filtriert und wiederholt mit deionisiertem Wasser gewaschen.

In US 5,114,898/WO 9110505 von Pinnavaia et al. werden geschichtete Doppelhydroxid-Sorptionsmittel zum Entfernen von Schwefeloxid(en) aus Rauchgasen beschrieben, wobei das geschichtete Doppelhydroxid hergestellt wird, indem man eine Lösung von Al- und Mg-Nitraten oder -Chloriden mit einer Lösung von NaOH und Na₂CO₃ umsetzt. In US 5,079,203/WO 9118670 werden geschichtete Doppelhydroxide beschrieben, in die Polyoxo-Anionen eingelagert sind, wobei der Stammton durch Co-Präzipitationstechniken hergestellt wird.

In US 5,578,286 im Namen von Alcoa wird ein Verfahren zur Herstellung von Meixnerit beschrieben, wobei dieses Verfahren die Umsetzung von Magnesiumoxid mit Übergangs-Aluminiumoxid umfasst. Dieser Meixnerit kann mit einem Dicarboxylat- oder Polycarboxylat-Anion in Kontakt gebracht werden, um ein Hydrotalcit-artiges Material zu bilden. In den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 wird Hydromagnesit mit Aluminiumtrihydrat in einer CO₂-Atmosphäre von mehr als 30 atm in Kontakt gebracht. In diesen Beispielen wurde kein Hydrotalcit erhalten.

In US 5,514,316 wird ein Verfahren zur Herstellung von Meixnerit unter Verwendung von Magnesiumoxid und Übergangs-Aluminiumoxid beschrieben. Für Vergleichszwecke wurde Aluminiumtrihydrat in Kombination mit Magnesiumoxid verwendet. Es wurde darauf hingewiesen, dass dieses Verfahren nicht so gut wie mit Übergangs-Aluminiumoxid funktionierte.

In US 4,454,244 und US 4,843,168 wird die Verwendung von säulenbildenden Anionen in anionischen Tonen beschrieben.

In US 4,946,581 und US 4,952,382 von van Broekhoven wurde das gemeinsame Ausfällen von löslichen Salzen wie Mg(NO₃)₂ und Al(NO₃)₃, mit oder ohne das Einfügen von Salzen seltener Erden, zur Herstellung anionischer Tone als Katalysator-Komponenten und Additive verwendet. Eine Vielfalt von Anionen und zwei- und dreiwertigen Kationen wird beschrieben.

In WO 93/22237 wird ein Verfahren zur Herstellung von Hydrotalcit offenbart, wobei das Verfahren die Umsetzung einer Mischung einer Magnesiumquelle, einer Carbonatquelle, Aluminiumtrihydrat und eines Alkalimetallaluminats unter hydrothermalen Bedingungen umfasst. Der sich ergebende Hydrotalcit soll als Stabilisator und Säure-Rezeptor in Polymersystemen geeignet sein.

Wie in der Beschreibung des oben aufgeführten Standes der Technik angegebenen ist, gibt es viele Anwendungen für anionische Tone. Diese schließen die folgenden ein: Katalysatoren, Adsorptionsmittel, Bohrspülungen, Katalysatorträger und Träger, Streckmittel und Anwendungen auf dem medizinischen Sektor, sie sind aber nicht auf dieselben beschränkt. Insbesondere van Broekhoven hat ihre Verwendung in der Chemie der SO_x-Reduktion beschrieben.

Aufgrund der großen Vielfalt großtechnischer kommerzieller Anwendungen dieser Materialien werden neue Verfahren, bei denen alternative kostengünstige Rohmaterialien verwendet werden und die auf kontinuierliche Weise durchgeführt werden können, benötigt, um kosteneffizientere und umweltverträgliche Verfahren zur Herstellung anionischer Tone bereitzustellen. Insbesondere kann man aus dem oben beschriebenen Stand der Technik schließen, dass das Herstellungsverfahren auf folgende Weise verbessert werden kann: die Verwendung preisgünstigerer Quellen der Reaktionsteilnehmer, Verfahren für eine leichtere Handhabung der Reaktionsteilnehmer, so dass nicht die Notwendigkeit des Waschens oder der Filtration besteht, die Eliminierung der Filtrationsprobleme, die mit diesen feinteiligen Materialien verbunden sind, das Vermeiden von Alkalimetallen (die für bestimmte katalytische Anwendungen besonders nachteilig sein können): bei Herstellungen gemäß dem Stand der Technik wurden organische Säuren verwendet, um Aluminiumoxid zu peptisieren. Die Verwendung organischer Säuren ist kostspielig und führt einen zusätzlichen Schritt in das Syntheseverfahren ein und ist daher nicht kosteneffizient. Weiterhin werden beim Trocknen oder Calcinieren des anionischen Tons, der durch Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurde, gasförmige Emissionen von Stickoxiden, Halogenen, Schwefeloxiden usw. angetroffen, die Umweltverschmutzungsprobleme verursachen. Darüber hinaus stellt keines der in der Technik beschriebenen Herstellungsverfahren kontinuierliche Verfahren für die Herstellung von anionischen Tonen bereit.

Unsere Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung von anionischen Tonen ein, wobei man kostengünstige Rohmaterialien verwendet und solche Rohmaterialien in einem einfachen Verfahren verwendet, das äußerst geeignet ist, um auf kontinuierliche Weise durchgeführt zu werden. Dieses Verfahren umfasst die Umsetzung von Mischungen mit oder ohne Rühren in Wasser bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur bei atmosphärischem Druck oder erhöhtem Druck. Solche kontinuierlichen Verfahren können mit industriellen Standardgerätschaften durchgeführt werden. Insbesondere besteht keine Notwendigkeit des Waschens und Filtrierens, und ein großer Bereich von Mg/Al-Verhältnissen ist im Reaktionsprodukt möglich.

In dem Verfahren gemäß der Erfindung werden eine Aluminiumquelle und eine Magnesiumquelle, z.B. Magnesiumoxid oder Brucit, in wässriger Suspension umgesetzt, um einen anionischen Ton zu erhalten. Die Aluminiumquelle umfasst zwei Typen von Aluminium-enthaltenden Verbindungen, z.B. Aluminiumoxidtrihydrat (wie Gibbsit, Bayerit oder Nordstrandit) und wärmebehandelte Formen derselben. Die Umsetzung wird bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur und Umgebungsdruck oder erhöhtem Druck durchgeführt, und die Reaktionsmischung ergibt die direkte Bildung eines anionischen Tons, der durch einfaches Trocknen der Aufschlämmung, die kontinuierlich aus dem Reaktor entnommen wird, erhalten werden kann. Das Pulver-Röntgenbeugungsdiagramm (PXRD) weist darauf hin, dass das Produkt mit anionischen Tonen vergleichbar ist, die durch andere (diskontinuierliche) Standardverfahren hergestellt wurden. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Produkts sind auch mit denen anionischer Tone vergleichbar, die durch die anderen konventionellen Verfahren hergestellt wurden. Das Gesamtverfahren der Erfindung ist sehr flexibel, es ermöglicht eine große Vielfalt von anionischen Ton-Zusammensetzungen und von anionischen tonartigen Materialien, die z.B. Carbonat, Hydroxid und andere Anionen umfassen, welche auf eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Art hergestellt werden können.

Die 1 zeigt ein PXRD-Spektrum eines im Handel erhältlichen anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons.

Die 2 zeigt ein PXRD-Spektrum eines anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons, der durch gemeinsames Ausfällen hergestellt wurde.

Die 3 zeigt ein PXRD-Spektrum eines anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons, der unter Verwendung von Gibbsit, amorphem Aluminiumoxid-Gel und MgO hergestellt wurde.

Die 4 zeigt ein PXRD-Spektrum eines anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons, der unter Verwendung von Gibbsit, thermisch gehandeltem Gibbsit und MgO hergestellt wurde.

Die 5 zeigt ein PXRD-Spektrum eines anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons, der unter Verwendung von Gibbsit, flash-claciniertem Aluminiumoxid und MgO hergestellt wurde.

Die 6 zeigt ein PXRD-Spektrum eines anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons, der unter Verwendung von Gibbsit, Catapal A^® und MgO hergestellt wurde

Die Erfindung umfasst die Herstellung anionischer Tone. Insbesondere beschreibt sie ein Verfahren zur Herstellung eines anionischen Tons, wobei eine Aluminiumquelle und eine Magnesiumquelle in wässriger Dispersion umgesetzt werden, um einen anionischen Ton zu erhalten, die Aluminiumquelle zwei Typen von Aluminium-enthaltenden Verbindungen umfasst, wobei der erste Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung entweder Aluminiumtrihydrat oder dessen wärmebehandelte Form ist, und wobei

• (a) wenn der erste Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung Aluminiumtrihydrat ist, der zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumsolen, wärmebehandeltem Aluminiumtrihydrat, Aluminiumgelen, Pseudoböhmit, Böhmit, Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid und Aluminiumchlorhydrat besteht, und
• (b) wenn der erste Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung wärmebehandeltes Aluminiumtrihydrat ist, der zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anderen Formen von wärmebehandeltem Aluminiumtrihydrat, Aluminiumtrihydrat, Aluminiumsolen, Aluminiumgelen, Pseudoböhmit, Böhmit, Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid und Aluminiumchlorhydrat besteht.

Diese Magnesiumquelle kann aus einer Lösung eines Magnesiumsalzes, einer festen Magnesium-aufweisenden Verbindung oder einer Mischung der beiden bestehen. Die Umsetzung zwischen der Mg-Quelle und der Aluminiumquelle ergibt die direkte Bildung eines anionischen Tons. Diese Umsetzung erfolgt bei Raumtemperatur oder einer höheren Temperatur. Bei Temperaturen von größer als 100 °C wird die Umsetzung vorzugsweise unter autogenen Bedingungen durchgeführt. In dem Verfahren gemäß der Erfindung werden Carbonat, Hydroxyl oder andere Anionen oder Mischungen derselben, die entweder im Reaktionsmedium z.B. durch Zugabe eines löslichen Salzes in den Reaktor bereitgestellt werden oder während der Synthese aus der Atmosphäre absorbiert werden, als das notwendige ladungsausgleichende Anion in den Zwischenschichtbereich eingefügt.

Anionische Tone, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, weisen die wohlbekannten Eigenschaften und Merkmale (z.B. chemische Analyse, Pulver-Röntgenbeugungsdiagramm, FTIR, thermische Zersetzungseigenschaften, spezifische Oberfläche, Porenvolumen und Porengrößenverteilung) auf, die üblicherweise mit anionischen Tonen verbunden sind, die durch die gebräuchlichen und vorhergehend offenbarten Verfahren hergestellt werden.

Nachdem sie erwärmt wurden, bilden anionische Tone im Allgemeinen feste Mg-Al-Lösungen und bei höheren Temperaturen Spinelle. Wenn sie als Katalysator, als Adsorptionsmittel (z.B. ein SO_x-Adsorptionsmittel für katalytische Krackreaktionen) oder als Katalysatorträger verwendet werden, wird der anionische Ton gemäß der Erfindung üblicherweise während der Herstellung erwärmt und liegt somit in der Form einer festen Mg-Al-Lösung vor. Während der Anwendung in einer FCC-Einheit wird der Katalysator oder das Adsorptionsmittel aus einem anionischen Ton in feste Mg-Al-Lösungen überführt.

Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Al-Mg-enthaltenden festen Lösung und/oder Spinell, das die folgenden Schritte umfasst:

• (i) die Umsetzung in wässriger Suspension einer Magnesiumquelle und einer Aluminiumquelle, die zwei Typen von Aluminium-enthaltenden Verbindungen umfasst, wobei der erste Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung entweder Aluminiumtrihydrat oder dessen wärmebehandelte Form ist, und wobei
  
  (a) wenn der erste Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung Aluminiumtrihydrat ist, der zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumsolen, wärmebehandeltem Aluminiumtrihydrat, Aluminiumgelen, Pseudoböhmit, Böhmit, Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid und Aluminiumchlorhydrat besteht, und
  
  (b) wenn der erste Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung wärmebehandeltes Aluminiumtrihydrat ist, der zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus anderen Formen von wärmebehandeltem Aluminiumtrihydrat, Aluminiumtrihydrat, Aluminiumsolen, Aluminiumgelen, Pseudoböhmit, Böhmit, Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid und Aluminiumchlorhydrat besteht, und
• (ii) die Wärmebehandlung des sich ergebenden Produkts bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 1200 °C.

Der anionische Ton gemäß der Erfindung hat eine geschichtete Struktur, entsprechend der allgemeinen Formel: [Mg_m²⁺Al_n³⁺(OH)_2m+2n](X_n/z^z-)&bullopr;b H₂O, in der m und n einen solchen Wert haben, dass m/n = 1 bis 10, vorzugsweise 1 bis 6 ist, und b einen Wert im Bereich von 0 bis 10, im allgemeinen einen Wert von 2 bis 6 und oft einen Wert von etwa 4 hat. X kann CO₃^2-, OH^- oder irgendein anderes Anion sein, das normalerweise in den Zwischenschichten anionischer Tone vorliegt.

Es wird mehr bevorzugt, das m/n einen Wert von 2 bis 4 hat, insbesondere einen Wert von nahe an 3 hat.

Da bei dem in diesem Patent offenbarten Verfahren kein Waschen des Produkts oder kein Filtrieren notwendig sind, gibt es keinen Filtratabfall oder gasförmige Emissionen (z.B. aus der Säure-Zersetzung), wodurch das Verfahren besonders umweltfreundlich wird und gegenüber Umweltauflagen, die kommerziellen Arbeitsweisen in zunehmendem Maße aufgebürdet werden, besser geeignet ist. Das Produkt kann direkt sprühgetrocknet werden, um Mikrokügelchen zu bilden, oder es kann extrudiert werden, um geformte Körper zu bilden.

Die vorliegende Erfindung schließt die Verwendung von zwei Typen von Aluminium-enthaltenden Verbindungen ein, wobei der erste Typ von Aluminiumenthaltender Verbindung entweder Kristallines Aluminiumtrihydrat (ATH) oder dessen wärmebehandelte Form ist. Ein Beispiel von Aluminiumtrihydrat ist Gibbsit (der z.B. von Reynold Aluminium Company als RH-20^® oder von JM Huber als Micral^®-Qualitäten bereitgestellt wird). Auch BOC (Bauxite Ore Concentrate), Bayerit und Nordstrandit sind geeignete Aluminiumtrihydrate. BOC ist die preisgünstigste Aluminiumquelle. Das Aluminiumtrihydrat hat vorzugsweise eine geringe Teilchengröße. Wärmebehandelte Formen von Gibbsit können auch verwendet werden. Das wärmebehandelte (calcinierte) Aluminiumtrihydrat ist leicht erhältlich, indem man Aluminiumtrihydrat (Gibbsit) während einer Zeitspanne von 15 Minuten bis 24 Stunden bei einer Temperatur wärmebehandelt, die von 100 °C bis 800 °C reicht. Auf jeden Fall sollten die Calcinierungstemperatur und -zeit, um calciniertes Aluminiumtrihydrat zu erhalten, ausreichend sein, um eine messbare Zunahme der spezifischen Oberfläche gegenüber der spezifischen Oberfläche des Gibbsits, wie er durch das Bayer-Verfahren hergestellt wird, zu bewirken, die im Allgemeinen zwischen 30 m²/g und 50 m²/g liegt. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass innerhalb des Konzepts der Erfindung flash-calciniertes Aluminiumoxid auch als wärmebehandelte Form von Aluminiumtrihydrat angesehen wird, obwohl es im Allgemeinen als ein sehr spezielles Aluminiumoxid angesehen wird. Flash-calciniertes Aluminiumoxid wird erhalten, indem man Aluminiumtrihydrat während sehr kurzer Zeitspannen bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1000 °C in einer speziellen industriellen Gerätschaft behandelt, wie sie in US 4,051,072 und US 3,222,129 beschrieben wird. Wenn man Aluminiumtrihydrat als erste Aluminium-enthaltende Verbindung verwendet, wird der zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung aus der Gruppe ausgewählt, die aus Aluminiumsolen, wärmebehandeltem Aluminiumtrihydrat, Aluminiumgelen, Pseudoböhmit, Böhmit, Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid und Aluminiumchlorhydrat besteht. Dieser zweite Typ von Aluminium-enthaltenden Verbindungen kann in Wasser löslich oder unlöslich sein und kann zu dem Aluminiumtrihydrat gegeben werden oder kann als Feststoff, Lösung oder Suspension separat in den Reaktor gegeben werden. Wenn man ein wärmebehandeltes Aluminiumtrihydrat als erste Aluminium-enthaltende Verbindung verwendet, ist der zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung aus der Gruppe ausgewählt, die aus anderen Formen von wärmebehandeltem Aluminiumtrihydrat, Aluminiumtrihydrat, Aluminiumsolen, Aluminiumgelen, Pseudoböhmit, Böhmit, Aluminiumnitrat, Aluminiumchlorid und Aluminiumchlorhydrat besteht. Dieser zweite Typ von Aluminium-enthaltender Verbindung kann zu dem wärmebehandelten Aluminiumtrihydrat gegeben werden oder er kann als Feststoff, Lösung oder Suspension separat in den Reaktor gegeben werden. Vorzugsweise wird die Aluminiumquelle in Form einer Aufschlämmung in den Reaktor gegeben. Insbesondere betonen wir, dass es nicht notwendig ist, eine peptisierbare Aluminiumquelle (Gibbsit ist nicht peptisierbar) zu verwenden, und demgemäß besteht keine Notwendigkeit, entweder eine Mineralsäure oder eine organische Säure zuzugeben, um den pH der Mischung zu verändern.

Mg-enthaltende Quellen, die verwendet werden können, schließen MgO, Mg(OH)₂, Magnesiumacetat, Magnesiumformiat, Magnesiumhydroxyacetat, Hydromagnesit (Mg₅(CO₃)₄(OH)₂), Magnesiumcarbonat, Magnesiumbicarbonat, Magnesiumnitrat, Magnesiumchlorid, Dolomit und Sepiolith ein. Sowohl feste Mg-Quellen als auch lösliche Mg-Salze sind geeignet. Auch Kombinationen von Mg-Quellen können verwendet werden. Die Magnesiumquelle kann als Feststoff, Lösung oder vorzugsweise als Aufschlämmung in den Reaktor gegeben werden.

Die Magnesiumquelle kann auch mit der Aluminiumquelle kombiniert werden, bevor sie in den Reaktor gegeben wird.

Aufgrund seiner Einfachheit ist dieses Verfahren zur Durchführung im kontinuierlichen Modus besonders geeignet. Dazu werden eine Aluminiumquelle und eine Magnesiumquelle in einen Reaktor gegeben und in wässriger Suspension umgesetzt, um einen anionischen Ton zu erhalten. Im Falle eines diskontinuierlichen Verfahrens werden die Aluminiumquelle und die Magnesiumquelle in den Reaktor gegeben und in wässriger Suspension umgesetzt, um einen anionischen Ton zu erhalten.

Im Zusammenhang mit der Erfindung wird ein Reaktor als jede begrenzte Zone angesehen, in der die Reaktion zwischen der Aluminiumquelle und der Magnesiumquelle stattfindet. Der Reaktor kann mit Rührern, Prallblechen usw. versehen sein, um ein homogenes Vermischen der Reaktionsteilnehmer zu gewährleisten. Die Umsetzung kann mit oder ohne Rühren, bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur und bei atmosphärischem Druck oder einem erhöhten Druck stattfinden. Üblicherweise wird eine Temperatur zwischen 0 und 100 °C bei atmosphärischem Druck oder darüber verwendet. Es wird bevorzugt, das Verfahren bei Temperaturen oberhalb von 50 °C und nicht bei Raumtemperatur durchzuführen, weil dies anionische Tone mit schärferen Peaks im Röntgenbeugungsdiagramm ergibt als anionische Tone, die bei Raumtemperatur erhalten werden. Der Reaktor kann durch irgendeine Heizquelle wie ein Ofen, eine Mikrowelle, Infrarot-Quellen, Heizmäntel (entweder elektrisch oder mit einem Heizfluid), Lampen usw. erwärmt werden.

Diese wässrige Suspension im Reaktor kann erhalten werden, indem man entweder Aufschlämmungen der Ausgangsmaterialien – entweder kombiniert oder separat – in den Reaktor gibt oder eine Magnesiumquelle zu einer Aufschlämmung einer Aluminiumoxid-Quelle gibt oder vice versa, und die sich ergebende Aufschlämmung in den Reaktor gibt. Es ist z.B. möglich, die Aluminiumquellen-Aufschlämmung bei erhöhter Temperatur zu behandeln und dann entweder die Mg-Quelle an sich zuzugeben oder die Mg-Quelle in einer Aufschlämmung oder Lösung entweder in den Reaktor oder zur Aluminiumquellen-Aufschlämmung zu geben. Wenn bestimmte technische Vorrichtungen verfügbar sind, kann das Verfahren hydrothermal durchgeführt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, weil es schneller ist und eine höhere Umwandlung erhalten wird. Ein Waschen oder Filtrieren des Produkts ist nicht notwendig, da unerwünschte Ionen (z.B. Natrium, Ammonium, Chlorid, Sulfat), die häufig angetroffen werden, wenn man andere Herstellungsverfahren verwendet, in dem Produkt fehlen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren in einem Mehrstufen-Verfahren durchgeführt, z.B. wird eine Aufschlämmung einer Aluminiumquelle und einer Magnesiumquelle in einem ersten Reaktor bei einer milden Temperatur thermisch behandelt, anschließend erfolgt eine hydrothermale Behandlung in einem zweiten Reaktor. Falls es erwünscht ist, kann ein vorher geformter anionischer Ton in den Reaktor gegeben werden. Dieser vorher geformte anionische Ton kann aus der Reaktionsmischung wiedergewonnener anionischer Ton sein oder ein anionischer Ton sein, der separat durch das Verfahren gemäß der Erfindung oder gemäß irgendeinem anderen Verfahren hergestellt wurde.

Falls es erwünscht ist, können organische oder anorganische Säuren und Basen, z.B. zur Steuerung des pH, in den Reaktor gegeben werden oder entweder zu der Magnesiumquelle oder der Aluminiumquelle gegeben werden, bevor sie in den Reaktor gegeben werden. Ein Beispiel eines bevorzugten pH-Modifizierungsmittels ist eine Ammoniumbase, weil nach dem Trocknen keine schädlichen Kationen in dem anionischen Ton zurückbleiben.

Falls es erwünscht ist, kann der anionische Ton, der durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde, einem Ionenaustausch unterzogen werden. Beim Ionenaustausch werden die ladungsausgleichenden Anionen in der Zwischenschicht durch andere Anionen ersetzt. Solche anderen Anionen sind diejenigen, die üblicherweise in anionischen Tonen vorliegen, und sie schließen säulenbildende (pillaring) Anionen wie V₁₀O₂₈^6-, MO₇O₂₄^6-, PW₁₂O_4O^3-, B(OH)₄^-, B₄O₅(OH)₄^2-, HBO₄^2-, HGaO₃^2- und CrO₄^2- ein. Beispiele geeigneter säulenbildender Anionen sind in US 4,774,212 angegeben, auf das für diesen Zweck hierin Bezug genommen wird. Dieser Ionenaustausch kann vor oder nach dem Trocknen des anionischen Tons, der in der Aufschlämmung gebildet wurde, durchgeführt werden.

Das Verfahren der Erfindung stellt eine große Flexibilität bei der Herstellung von Produkten mit einem großen Bereich von Mg:Al-Verhältnissen bereit. Das Mg:Al-Verhältnis kann von 0,1 bis 10, vorzugsweise von 1 bis 6, mehr bevorzugt von 2 bis 4 reichen und liegt besonders bevorzugt nahe bei 3.

Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, dass Additive, sowohl Metalle als auch Nichtmetalle, wie Seltenerdmetalle, Si, P, B, Elemente der Gruppe VI, Elemente der Gruppe VIII, Erdalkalimetalle (z.B. Ca und Ba) und/oder Übergangsmetalle (z.B. Mn, Fe, Ti, Zr, Cu, Ni, Zn, Mo, Sn) vorliegen. Diese Metalle und Nichtmetalle können leicht auf dem anionischen Ton oder der festen Lösung gemäß der Erfindung abgeschieden werden, oder sie können entweder zur Aluminiumquelle oder Magnesiumquelle gegeben werden, die kombiniert oder separat in den Reaktor gegeben werden. Die Metalle und Nichtmetalle können auch zu der wässrigen Suspension gegeben werden, in der die Umsetzung stattfindet. Geeignete Quellen von Metallen oder Nichtmetallen sind Oxide, Halogenide oder irgendein anderes Salz wie Chloride, Nitrate usw. Im Falle eines Mehrstufen-Verfahrens können die Metalle und Nichtmetalle in irgendeiner der Stufen zugegeben werden. Es kann besonders vorteilhaft sein, die Verteilung der Metalle und Nichtmetalle in dem anionischen Ton zu steuern.

Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert, die in keiner Weise als einschränkend anzusehen sind.

Eine im Handel erhältliche Probe eines anionischen Mg-Al-Carbonat-Tons wurde von Reheis Chemical Company erhalten. Ihr PXRD-Spektrum ist zur Erläuterung in der 1 aufgeführt.

Dieses Vergleichsbeispiel erläutert das gemeinsame Ausfällungsverfahren, bei dem Mg- und Al-Salzlösungen zu einer Lösung einer Base gegeben werden (US 3,979,523, Rechtsnachfolger Kyowa Chemical Industry, Japan).

Eine Lösung, die 0,04 M Al(NO₃)₂&bullopr;9H₂O und 0,8 M Mg(NO₃)₂&bullopr;6H₂O in 100 ml destilliertem Wasser enthält, wurde tropfenweise und unter starkem Rühren zu 150 ml destilliertem Wasser, das 0,05 M Na₂CO₃ enthält, bei Raumtemperatur gegeben. Das Mg/Al-Verhältnis war 2,0. Der pH wurde nahe bei 10 gehalten, indem man 3 N NaOH zugab, und die sich ergebende Aufschlämmung wurde über Nacht bei Raumtemperatur gealtert. Der Niederschlag wurde durch Zentrifugieren abgetrennt, mehrere Male mit heißem destilliertem Wasser gewaschen, dann über Nacht bei 65 °C getrocknet.

Das PXRD-Spektrum, das von dieser Probe erhalten wurde, ist in 2 aufgeführt. Die Ergebnisse waren wie folgt:

Die thermogravimetrische Analyse zeigte drei Gewichtsverluste, und zwar bei etwa 100 °C, 250 °C und 450 °C, die auf den Verlust an physikalisch sorbiertem Wasser, Zwischenschicht-Wasser und den Verlust an CO₂ und auf Gitter-Dehydroxylierung zurückzuführen sind.

Das im Beispiel 1 erhaltene Produkt wurde 12 Stunden lang bei 500 °C calciniert. Das Produkt ergab breite Röntgenbeugungslinien bei 45 und 63° 2&thgr;, die denjenigen ähnlich sind, die für Proben calcinierter anionischer Tone erhalten wurden, die durch andere eingeführte Verfahren mit einem Mg:Al-Verhältnis zwischen 2 und 5 hergestellt wurden.

Das im Beispiel 2 erhaltene Produkt wurde 12 Stunden lang bei 500 °C calciniert. Das Produkt ergab breite Röntgenbeugungslinien bei 45 und 63° 2&thgr;, die denjenigen ähnlich sind, die für Proben calcinierter anionischer Tone erhalten wurden, die durch andere eingeführte Verfahren mit einem Mg:Al-Verhältnis zwischen 2 und 5 hergestellt wurden.

0,15 g des Produkts des Vergleichsbeispiels 3 wurden zu 75 ml Wasser bei Raumtemperatur gegeben und 12 Stunden lang gerührt. Das Produkt wurde filtriert, gewaschen und bei 80 °C getrocknet. Das PXRD-Spektrum ergab, dass die anionische Ton-Struktur mit charakteristischen Linien bei 11,5, 23,5 und 35° im PXRD zurückgebildet wurde.

0,15 g des Produkts des Beispiels 4 wurden zu Wasser bei Raumtemperatur gegeben und 12 Stunden lang gerührt. Das Produkt wurde filtriert und bei 80 °C getrocknet. Das PXRD-Spektrum ergab, dass das Produkt demjenigen des Vergleichsbeispiels 5 ähnlich war, und es wurde bestätigt, dass die anionische Ton-Struktur rückgebildet wurde.

Die anionischen Tone können unter Stickstoff oder in einer kohlendioxidfreien Atmosphäre hergestellt werden, so dass der anionische Ton überwiegend Hydroxid und nicht überwiegend Carbonat als ladungsausgleichendes Anion umfasst. Es ist auch möglich, Kohlendioxid in den Reaktor zu geben, so dass sich ein anionischer Ton ergibt, der überwiegend Carbonat als ladungsausgleichendes Anion aufweist.

Eine 80:20-Mischung von Gibbsit und einem amorphen Aluminiumoxid-Gel wurde als Suspension in Wasser zu MgO gegeben, und die Mischung wurde 24 Stunden lang bei 85 °C behandelt. Das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet (3).

16,27 g Gibbsit und eine Probe von 5,13 g Gibbsit, der vorher bei 400 °C calciniert wurde, wurden in 400 g entionisiertem Wasser aufgeschlämmt. Zu dieser Aufschlämmung wurden 27,2 g MgO-Pulver in 170 g entionisiertem Wasser gegeben und 10 Minuten in einem Mischer vermischt. Das Gewichtsverhältnis von Gibbsit zu calciniertem Gibbsit war 70:30, und das Gesamtverhältnis von Mg:Al in der Aufschlämmung war 2,3. Der pH wurde durch Zugabe einer Ammoniumhydroxid-Lösung auf 9,94 eingestellt. Abschließende Aufschlämmungsfeststoffe = 7,0 Gew.-%. Die Aufschlämmung wurde 18 Stunden lang bei 120 °C gealtert, und das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet. Siehe beigefügte 4.

16,27 g Gibbsit und eine Probe von 5,13 g Gibbsit, der vorher bei 400 °C calciniert wurde, wurden in 400 g entionisiertem Wasser aufgeschlämmt. Zu dieser Aufschlämmung wurden 27,2 g MgO-Pulver in 170 g entionisiertem Wasser gegeben und 10 Minuten in einem Mischer vermischt. Das Gewichtsverhältnis von Gibbsit zu calciniertem Gibbsit war 70:30, und das Gesamtverhältnis von Mg:Al in der Aufschlämmung war 2,3. Der pH wurde durch Zugabe einer Ammoniumhydroxid-Lösung auf 9,94 eingestellt. Abschließende Aufschlämmungsfeststoffe = 7,0 Gew.-%. Die Aufschlämmung wurde in einem Mikrowellenofen 60 Minuten lang bei 200 psi und etwa 198 °C behandelt. Das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet.

16,27 g Gibbsit und eine Probe von 5,75 g flash-calciniertem Gibbsit CP-1,5^® wurden in 400 g entionisiertem Wasser aufgeschlämmt. Zu dieser Aufschlämmung wurden 27,2 g MgO-Pulver in 170 g entionisiertem Wasser gegeben und 10 Minuten in einem Mischer vermischt. Das Gewichtsverhältnis von Gibbsit zu CP-1,5 war 70:30, und das Gesamtverhältnis von Mg:Al in der Aufschlämmung war 2,3. Der pH wurde durch Zugabe einer Ammoniumhydroxid-Lösung auf 9,87 eingestellt. Abschließende Aufschlämmungsfeststoffe = 7,0 Gew.-%. Die Aufschlämmung wurde 18 Stunden lang bei 120 °C gealtert, und das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet. Siehe beigefügte 5.

16,27 g Gibbsit und eine Probe von 5,75 g flash-calciniertem Gibbsit CP-1,5^® wurden in 400 g entionisiertem Wasser aufgeschlämmt. Zu dieser Aufschlämmung wurden 27,2 g MgO-Pulver in 170 g entionisiertem Wasser gegeben und 10 Minuten in einem Mischer vermischt. Das Gewichtsverhältnis von Gibbsit zu CP-1,5 war 70:30, und das Gesamtverhältnis von Mg:Al in der Aufschlämmung war 2,3. Der pH wurde durch Zugabe einer Ammoniumhydroxid-Lösung auf 9,87 eingestellt. Abschließende Aufschlämmungsfeststoffe = 7,0 Gew.-%. Die Aufschlämmung wurde in einem Mikrowellenofen 60 Minuten lang bei 200 psi und etwa 198 °C behandelt. Das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet.

16,27 g Gibbsit und eine Probe von 6,09 g Catapal A^® wurden in 400 g entionisiertem Wasser aufgeschlämmt. Zu dieser Aufschlämmung wurden 27,2 g MgO-Pulver in 170 g entionisiertem Wasser gegeben und 10 Minuten in einem Mischer vermischt. Das Gewichtsverhältnis von Gibbsit zu Catapal war 70:30, und das Gesamtverhältnis von Mg:Al in der Aufschlämmung war 2,3. Der pH wurde durch Zugabe einer Ammoniumhydroxid-Lösung auf 9,96 eingestellt. Abschließende Aufschlämmungsfeststoffe = 7,0 Gew.-%. Die Aufschlämmung wurde 18 Stunden lang bei 120 °C gealtert, und das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet. Siehe beigefügte 6.

16,27 g Gibbsit und eine Probe von 6,09 g Catapal A^® wurden in 400 g entionisiertem Wasser aufgeschlämmt. Zu dieser Aufschlämmung wurden 27,2 g MgO-Pulver in 170 g entionisiertem Wasser gegeben und 10 Minuten in einem Mischer vermischt. Das Gewichtsverhältnis von Gibbsit zu Catapal war 70:30, und das Gesamtverhältnis von Mg:Al in der Aufschlämmung war 2,3. Der pH wurde durch Zugabe einer Ammoniumhydroxid-Lösung auf 9,96 eingestellt. Abschließende Aufschlämmungsfeststoffe = 7,0 Gew.-%. Die Aufschlämmung wurde in einem Mikrowellenofen 60 Minuten lang bei 200 psi und etwa 198 °C behandelt. Das Produkt wurde bei 110 °C getrocknet.