实验讲义-活性氧化铝的制备

实验1 催化剂载体——活性氧化铝的制备

一、目的与要求

1．通过铝盐与碱性沉淀剂的沉淀反应，掌握氧化铝催化剂载体的制备过程。

2．了解制备氧化铝水合物的技术和原理。

3．掌握活性氧化铝的成型方法。

二、实验原理

活性氧化铝（Al2O3）是一种具有优异性能的无机物质，不仅能作脱水吸附剂、色谱吸附剂，更重要的是作催化剂和催化剂载体，并广泛用于石油化工领域，涉及重整、加氢、脱氢、脱水、脱卤、歧化、异构化等各种反应。它之所以能如此广泛地被采用，主要原因是它在结构上有多种形态及物理性质和化学性质的千差万别。学习有关Al2O3的制备方法，对掌握催化剂的制备有重要意义。

催化剂或催化剂载体用的氧化铝，在物理性质和结构方面都有一定要求。最基本的是比表面积、孔结构、晶体结构等。例如，重整催化剂是将贵重金属铂、铼载在γ－Al2O3或η－Al2O3上。氧化铝的结构对反应活性影响极大。载于其他形态的氧化铝上，其活性是很低的，如烃类脱氢催化剂，若将Cr－K载在γ－Al2O3或η－Al2O3上，活性较好，而载在其他形态氧化铝上，活性很差。这说明它不仅起载体作用，而且也起到了活性组分的作用，因此，也称这种氧化铝为活性氧化铝。α－Al2O3在反应中是情性物质，只能作载体使用。制备活性氧化铝的方法不同，得到的产品结构亦不相同，其活性的差异也很大，因此制备中应严格掌握每一步骤的条件，并且不应混入杂质。尽管制备方法和路线很多，但无论哪种路线都必须制成氧化铝水合物（氢氧化铝），再经高温脱水生成氧化铝。自然界存在的氧化铝或氢氧化铝脱水生成的氧化铝，不能作载体或催化剂使用。这不仅是杂质多，主要是难以得到所要求的结构和催化活性。为此，必须经过重新处理。可见制备氧化铝水合物是制备活性Al2O3的基础。

氧化铝水合物经X射线分析，可知有多种形态，通常分为结晶态和非结晶态。结晶态中含有一水和三水化物2类形体；非结晶态则含有无定形和结晶度很低的水化物2种形体，它们都是凝胶态。可总括为下述表达形式：

Al2O3·H2O，一软水铝石

Al2O3·H2O，一硬水铝石

Al2O3·3H2O，α三水铝石

Al2O3·3H2O，β三水铝石

Al2O3·3H2O，新β三水铝石

2

O3≥3

2

O/Al2O3≈1.5～2.0

水合氧化铝

无定形水合氧化铝，尤其假一水铝石，在制备中能通过控制溶液pH或温度，向一水合氧化铝转变。经老化后大部分变成α－Al2O3·H2O，而这种形态是生成γ－Al2O3的惟一路线。上述α－Al2O3·H2O凝胶是针状聚集体，难以洗涤过滤。β－Al2O3是球形颗粒，紧密排列，易于洗涤过滤。

氧化铝水合物是非稳定态，加热会脱水，随着脱水气氛和脱水温度的不同可生成各种晶型的氧化铝。当受热到1200℃时，各种晶形的氧化铝都将变成α－Al2O3（亦称刚玉）。α－Al2O3具有最小的表面积和孔容积。

由此可见，不论获得何种晶型的氧化铝都要首先制成氢氧化铝。氢氧化铝也是制陶瓷和无机阻燃剂及阻燃添加剂的重要原料。

制备水合氧化铝的方法很多，其中有以铝盐、偏铝酸钠、烷基铝、金属铝等为原料的方法，并控制温度、pH、反应时间、反应物浓度等，得到均一的相态和不同的物性。通常有下列几种方法。

（1）以铝盐为原料：用AlCl3·6H2O、Al2（SO4）3·18H2O、Al（NO3）3·9H2O、KAl（SO4）2·12H2O等的水溶液与沉淀剂——氨水（或NaOH、Na2CO3等）溶液作用生成氧化铝水合物。

AlCl3＋3NH4OH →Al(OH)3↓＋3NH4Cl

Al2(SO4)3 + 6NH4OH →2Al(OH)3↓＋3(NH4)2SO4

实验室多使用该法制备水合氧化铝。

（2）以偏铝酸钠为原料：偏铝酸钠可在酸性溶液作用下分解，沉淀析出氢氧化铝。此原料在工业生产上较经济，是常用的生产活性氧化铝的路线，常因混有不易脱除的Na＋，故常用通入CO2的方法制各种晶型的Al(OH)3。

2NaAlO2＋CO2＋3H2O →Na2CO3＋2Al(OH)3↓

NaAlO2＋HNO3＋H2O →NaNO3＋Al(OH)3↓

制备过程中Al3+和OH－存在是必要的，其他离子可经水洗被除掉。

另外还有许多方法，它们都是为制取特殊要求的催化剂或载体而采用的。制备催化剂或载体时，都要求去除S、P、As、Cl等有害杂质，否则催化活性较差。

本实验采用铝盐与氨水沉淀法，将沉淀物在pH＝8～9范围内老化一定时间，使之变成α一水铝石，再充分洗涤。将滤饼用酸溶成流动性较好的溶胶，用滴加法滴入油氨柱内，在油中受表面张力作用收缩成球，再进行氨水中和，经中和和老化后形成较硬的凝胶球状物（直径为l～3 mm），经水洗油氨后进行干燥。也可将酸化的溶胶喷雾到干燥机内，生成40～80μm的微球氢氧化铝。上述过程可用框图表示。

沉淀是制成一定活性和物理性质的Al 2O 3的关键，对滤饼洗涤难易有直接影响。其操作条件决定了颗粒大小、粒子排列和结晶完整程度。加料顺序、浓度和速度也都有影响，沉淀中pH 不同，得到的水化物也不同。例如：

−−→−<7pH 无定形胶体

Al 3+ + OH －

−−→−=9pH α－Al 2O 3·H 2

O 胶体 −−→−>10pH β－Al 2O 3·3H 2

O 结晶 当将Al 3+倾倒于碱液中时，pH 由大于10向小于7转变，产物有各种形态水化物，不易得到均一形体。如果反向投料，若pH 不超过10，只有2种形体，经老化也会趋于一种形体。为此，并流接触并维持稳定pH ，可得到均一的形体。

老化是使沉淀形成、不再发生可逆结晶变化的过程；同时使一次粒子再结晶、纯化和生长；另外也使胶粒之间进一步黏结，胶体粒子得以增大。这一过程随温度升高而加快，常常在较高温度下进行。

洗涤是为了除去杂质。若杂质以相反离子形式吸附在胶粒周围而不易进入水中时，则需用水在搅拌情况下把滤饼打散成浆状物再过滤，多次反复操作才能洗净。若有SO 42－存在，则难以完全洗净。

当pH 近于7时，在Al(OH)3中加入少量HNO 3，发生如下反应：

Al(OH)3＋3HNO 3 →Al(NO 3)3 ＋3H 2O

生成的Al 3＋在水中电离并吸附在Al(OH)3表面上，NO 3－为反离子，从而形成胶团的双电层，仅有少量HNO 3就足以使凝胶态的滤饼全部发生胶溶，以致变成流动性很好的溶胶体。当Cl －或Na ＋或其他离子存在时，溶胶的流动性和稳定性变差。应尽可能避免杂质存在，否则会影响催化剂的活性。利用溶胶在适当pH 值和适当介质中能凝胶化的原理，可把溶胶以小滴形式滴入油层，这时因表面张力的作用而形成球滴。球滴下降中遇碱性介质形成凝胶化小球，以制备Al 2O 3小球催化剂。

三、仪器和试剂

1．仪器

250 mL 烧杯2个，搅拌器l 台，真空泵及抽滤系统1套，500 mL 量筒2个，100mL 量筒一个，500mL 烧杯，抽滤漏斗，5mL 针筒注射器一个，陶瓷皿。

2．试剂

工业硫酸铝，浓氨水（体积分数为25％，化学纯），无离子水，浓HNO 3（分析纯），pH 试纸（pH1－14），平平加表面活性剂，变压器油。