DE102010030523A1 - Granule, useful as catalyst or catalyst carrier, comprises silicon-titanium mixed oxide powder, where the titanium comprises rutile and anatase modifications - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Siliciumdioxid und Titandioxid enthaltendes Granulat, das eine hohe Stabilität der BET-Oberfläche, des Porenvolumens und der katalytischen Aktivität bei hohen Temperaturen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Granulates und seine Verwendung als Katalysator und Katalysatorträger.The invention relates to a granulate containing silica and titanium dioxide, which has a high stability of the BET surface area, the pore volume and the catalytic activity at high temperatures. The invention further relates to a process for the preparation of the granules and its use as a catalyst and catalyst support.
In der Natur existieren drei Titandioxid-Phasen, nämlich Rutil, Anatas und Brookit. Oft ist Anatas das Hauptprodukt verschiedener synthetischer Routen, wie Sol-Gel-Prozesse, hydrothermale Prozesse, Fällungsreaktionen oder Flammenprozesse.In nature, there are three titanium dioxide phases, rutile, anatase and brookite. Often anatase is the major product of various synthetic routes, such as sol-gel processes, hydrothermal processes, precipitation reactions or flame processes.
Anwendungen von Titandioxid als Katalysator oder Katalysatorträger verlangen hohe Temperaturen, die zu einer irreversiblen Umwandlung von Anatas zu Rutil führen und damit zu einer Verringerung der katalytischen, insbesondere der photokatalytischen Aktivität führen können.Applications of titanium dioxide as a catalyst or catalyst support require high temperatures, which lead to an irreversible conversion of anatase to rutile and thus can lead to a reduction of the catalytic, in particular the photocatalytic activity.
Eine Verbesserung dieser Situation kann beispielsweise durch den Ersatz von Titandioxid durch Silicium-Titan-Mischoxide erzielt werden, die eine verbesserte thermische Stabilität der BET-Oberfläche aufweisen.An improvement of this situation can be achieved, for example, by the replacement of titanium dioxide with silicon-titanium mixed oxides which have improved thermal stability of the BET surface.
Silicium-Titan-Mischoxidpulver können beispielsweise auf pyrogenem Weg hergestellt werden. Hierbei wird in der Regel ein Gemisch aus Siliciumtetrachlorid und Titantetrachlorid in einer Flamme hydrolysiert und/oder oxidiert. Die Flamme kann beispielsweise durch Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff erzeugt werden. Hierbei entsteht das zur Hydrolyse der Chloride notwendige Wasser. So wird in
Prinzipiell können diese Pulver alle als Katalysator oder Katalysatorträger eingesetzt werden. Speziell das in
Es stellte sich daher die technische Aufgabe ein Material bereitzustellen, welches bei hohen Temperaturen eine gute thermische und mechanische Stabilität und eine hohe katalytische Aktivität aufweist.It was therefore the technical problem to provide a material which has good thermal and mechanical stability and high catalytic activity at high temperatures.
Die technische Aufgabe wird gelöst durch ein Granulat, umfassend oder bestehend aus ein oder mehreren Silicium-Titan-Mischoxidpulvern, wobei der Anteil
an Titandioxid 70 bis 98 Gew.-%, bevorzugt 75 bis 97 Gew.-%, besonders bevorzugt 85 bis 95,5 Gew.-%,
an Siliciumdioxid von 2 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt 4 bis 15 Gew.-%, beträgt, und
wobei die Summe der Anteile wenigstens 98 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 99 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 99,5 Gew.-% ist, jeweils bezogen auf das Granulat und wobei
- a) bei Raumtemperatur
- a1) der Anteil des Titandioxides, die Modifikationen Rutil und Anatas umfasst oder aus ihnen besteht, und der Anteil an Anatas, bezogen auf den Titandioxidanteil, mehr als 50%, bevorzugt 60 bis 95%, besonders bevorzugt 65 bis 85% beträgt,
- a2) die BET-Oberfläche 10 bis 200 m2/g, bevorzugt 30 bis 150 m2/g, besonders bevorzugt 40 bis 60 m2/g, ist
- a3) das Volumen der Poren von 2 bis 50 nm 0,15 bis < 0,4 ml/g, bevorzugt 0,20 bis 0,30 ml/g ist und
- b) nach dem Erhitzen auf 900°C über einen Zeitraum von 4 Stunden
- b1) der Anteil an Anatas mehr als 50%, bevorzugt 60 bis 100%, besonders bevorzugt 65 bis 99%, des Anteiles bei Raumtemperatur ist,
- b2) die BET-Oberfläche wenigstens 60%, bevorzugt 65 bis 99%, besonders bevorzugt 75 bis 95% der BET-Oberfläche bei Raumtemperatur ist,
- b3) das Volumen der Poren von 2 bis 50 nm wenigstens 50, bevorzugt 60 bis 99%, besonders bevorzugt 70 bis 95%, des Volumens der Poren von 2 bis 50 nm bei Raumtemperatur ist.
titanium dioxide 70 to 98 wt .-%, preferably 75 to 97 wt .-%, particularly preferably 85 to 95.5 wt .-%,
on silica from 2 to 30 wt .-%, preferably 3 to 25 wt .-%, particularly preferably 4 to 15 wt .-%, is, and
wherein the sum of the proportions of at least 98 wt .-%, preferably at least 99 wt .-%, particularly preferably at least 99.5 wt .-%, in each case based on the granules and wherein
- a) at room temperature
- a1) the proportion of titanium dioxide which comprises or consists of rutile and anatase modifications and the proportion of anatase, based on the titanium dioxide content, is more than 50%, preferably 60 to 95%, particularly preferably 65 to 85%,
- a2) the BET surface area is 10 to 200 m 2 / g, preferably 30 to 150 m 2 / g, particularly preferably 40 to 60 m 2 / g
- a3) the volume of the pores from 2 to 50 nm is 0.15 to <0.4 ml / g, preferably 0.20 to 0.30 ml / g, and
- b) after heating to 900 ° C over a period of 4 hours
- b1) the proportion of anatase is more than 50%, preferably 60 to 100%, particularly preferably 65 to 99%, of the proportion at room temperature,
- b2) the BET surface area is at least 60%, preferably 65 to 99%, particularly preferably 75 to 95% of the BET surface area at room temperature,
- b3) the volume of the pores is from 2 to 50 nm at least 50, preferably 60 to 99%, particularly preferably 70 to 95%, of the volume of the pores of 2 to 50 nm at room temperature.
Unter Raumtemperatur ist eine Temperatur von 23°C zu verstehen.Room temperature is a temperature of 23 ° C.
Das erfindungsgemäße Granulat kann bevorzugt einen mittleren Granulatdurchmesser D50 von 10 bis 200 μm aufweisen. Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 10 bis 40 μm.The granules according to the invention may preferably have an average granule diameter D 50 of 10 to 200 μm. Particularly preferred is a range of 10 to 40 microns.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des Granulates bei dem man eine wässerige Dispersion enthaltend ein oder mehrere Silicium-Titan-Mischoxidpulver bei 200 bis 600°C sprühtrocknet. Das so erhaltene Granulat weist eine sehr gute mechanische Stabilität auf und ist somit als Katalysator oder Katalysatorträger ideal geeignet. Die Herstellung der Dispersion kann mit dem Fachmann bekannten Dispergieraggregaten erfolgen. Vorzugsweise werden Rotor-Stator-Aggregate eingesetzt. Der Anteil an Pulver in der Dispersion kann 1 bis 30 Gew.-% betragen. In der Regel ist der Anteil an Pulver von 5 bis 20 Gew.-%. Die flüssige Phase enthält Another object of the invention is a process for the preparation of the granules in which an aqueous dispersion containing one or more silicon-titanium mixed oxide powder spray-dried at 200 to 600 ° C. The granules thus obtained have a very good mechanical stability and is thus ideally suited as a catalyst or catalyst support. The dispersion can be prepared by dispersion units known to the person skilled in the art. Preferably, rotor-stator units are used. The proportion of powder in the dispersion may be 1 to 30 wt .-%. In general, the proportion of powder is from 5 to 20 wt .-%. The liquid phase contains
Die flüssige Phase der Dispersion kann weiterhin eine oder mehrere, die Viskosität der Dispersion erniedrigende Substanzen enthalten. Dies können Säuren oder Basen sein. Beispielhaft seien Salzsäure, Essigsäure, Kaliumhydroxid, Ammoniak und Tetraalkylammoniumhydroxide genannt. Solche, die Viskosität erniedrigenden Substanzen, können vor allem dann eingesetzt werden, wenn der Feststoffgehalt der Dispersion hoch ist.The liquid phase of the dispersion may further comprise one or more substances which lower the viscosity of the dispersion. These can be acids or bases. Hydrochloric acid, acetic acid, potassium hydroxide, ammonia and tetraalkylammonium hydroxides may be mentioned by way of example. Such viscosity-lowering substances can be used especially when the solids content of the dispersion is high.
Idealerweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren pyrogen hergestellte Silicium-Titan-Mischoxidpulver eingesetzt. Unter pyrogen ist zu verstehen, dass die dem Pulver zugrunde liegenden Partikel mittels einer Flammenhydrolyse oder einer Flammenoxidation oder einer Mischform beider Reaktionen erhalten werden. Im vorliegenden Fall handelt es sich um sogenannte „co-fumed” Mischoxidpulver, bei denen die Einsatzstoffe, beispielsweise Siliciumtetrachlorid und Titantetrachlorid, gemeinsam in der Flamme umgesetzt werden. Dabei resultieren echte Mischoxidpartikel, im Gegensatz zu physikalischen Mischungen. Im Reaktionsverlauf werden zunächst Primärpartikel gebildet, die nachfolgend zu Aggregaten zusammenwachsen. Dabei sind die Primärpartikel weitestgehend oder vollständig frei von inneren Poren. Jedoch führt die räumliche Anordnung der Aggregate im Granulat zu einem für katalytische Prozesse auch bei thermischer Behandlung stabilen Porenvolumen.Ideally, pyrogenically prepared silicon-titanium mixed oxide powders are used in the process according to the invention. By pyrogenic is meant that the particles underlying the powder are obtained by means of flame hydrolysis or flame oxidation or a mixed form of both reactions. In the present case, these are so-called "co-fumed" mixed oxide powders in which the starting materials, for example silicon tetrachloride and titanium tetrachloride, are reacted together in the flame. This results in real mixed oxide particles, in contrast to physical mixtures. In the course of the reaction, primary particles are initially formed, which subsequently grow together into aggregates. The primary particles are largely or completely free of internal pores. However, the spatial arrangement of the aggregates in the granules leads to a stable for catalytic processes even under thermal treatment pore volume.
Im Rahmen der Erfindung sollen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch pyrogene Mischoxidpulver eingesetzt werden können, die eine oder mehrere weitere Komponenten auf Basis von Edelmetallen oder Metalloxiden enthalten. Der Anteil dieser Komponenten kann bis zu 1 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 1000 ppm, bezogen auf das Mischoxidpulver, betragen. Als weitere Komponenten kommen insbesondere Metalle und Metalloxide aus der Gruppe Ag, Al, As, Au, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Ho, In, Ir, K, La, La, Li, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Nd, Ni, Os, P, Pb, Pd, Pm, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, Sb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Tc, Tl, Tm, V, W, Y, Yb, Zn und Zr in Frage. Verfahren zur Herstellung solcher Pulver sind beispielsweise aus
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Granulates als Katalysator oder Katalysatorträger, insbesondere auch in solchen Prozessen, bei denen Wasserdampf vorliegt oder entsteht.Another object of the invention is the use of the granules as a catalyst or catalyst support, especially in those processes in which water vapor is present or arises.
BeispieleExamples
Analytische VerfahrenAnalytical procedures
Das Porenvolumen der Poren von 2 bis 50 nm wird mittels der BJH-Methode nach
Einsatzstofffeedstock
In Anlehnung an das in
Herstellung eines GranulatesProduction of a granulate
1,50 kg P1 werden in 10 kg Wasser mittels eines Ultraturrax DI 25 über einen Zeitraum von 15 Minuten bei einer Drehzahl von 20000 U/min dispergiert. Die Dispersion wird anschließend mittels eines Scheibenzerstäubers bei 380°C sprühgetrocknet und das entstandene Granulat G1 auf einem Filter abgeschieden.1.50 kg of P1 are dispersed in 10 kg of water by means of an Ultraturrax DI 25 over a period of 15 minutes at a speed of 20,000 rpm. The dispersion is then spray dried by means of a disk atomizer at 380 ° C and the resulting granules G1 deposited on a filter.
G1 weist bezüglich des SiO2-Anteile, des TiO2-Anteiles, der BET-Oberfläche und des Anatasanteiles annähernd die gleichen Werte auf wie P1. Der mittlere Granulatdurchmesser beträgt 30 μm.G1 has approximately the same values as P1 with respect to the SiO 2 content, the TiO 2 content, the BET surface area and the anatase content. The average granule diameter is 30 μm.
Stabilität des PorenvolumensStability of the pore volume
2,5 g G1 werden in einem Aluminiumoxid-Schiffchen in einem Muffeloffen über einen Zeitraum von 4 Stunden einer bestimmten Temperatur ausgesetzt. Die Temperaturen sind 600°C, 700°C, 800°C und 900°C. Bei der Untersuchung der Eigenschaften des Granulates unter hydrothermalen Bedingungen wird eine Vorrichtung eingesetzt, bei der sich das Granulat in einem Ofen befindet, durch den ein mit Wasserdampf gesättigter Gasstrom bei einem Druck von 1,1 bar geleitet wird. Die absolute Feuchtigkeit wird auf einen Wert von 100 ± 15 g H2O/m3 Gasstrom geregelt.2.5 g of G1 are exposed to a certain temperature in an alumina boat in a muffle open over a period of 4 hours. The temperatures are 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C and 900 ° C. In the investigation of the properties of the granules under hydrothermal conditions, a device is used, in which the granules are in an oven, through which a water vapor saturated gas stream is passed at a pressure of 1.1 bar. The absolute humidity is controlled to a value of 100 ± 15 g H 2 O / m 3 gas flow.
ErgebnisResult
Die Tabelle zeigt, dass bei G1 das Porenvolumen der Poren von 2 bis 50 nm, die BET-Oberfläche und der Anatasanteil bei Temperaturen bei thermischer und bei hydrothermaler Belastung nur unwesentlich abnimmt.The table shows that in G1, the pore volume of the pores from 2 to 50 nm, the BET surface area and the anatase content at temperatures under thermal and hydrothermal load only insignificantly decreases.
G1 zeigt somit optimale Eigenschaften für die Verwendung als Katalysator und Katalysatorträger, nämlich eine hohe Stabilität des Porenvolumens, eine hohe Stabilität der BET-Oberfläche und eine hohe Stabilität der für katalytische Prozesse relevanten Anatasphase. Tabelle 1: Stoffparameter bei thermischer und hydrothermaler Belastung
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| DIN 66131 |
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