Síntesis de alumina por presipitacion en etanol

7/26/2019 Sntesis de alumina por presipitacion en etanol

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Synthesis of -alumina via precipitation in ethanol

1. Introduction

Alumina has enormous technological and industrial application. It exists in avariety of metastable structures including -, -, -, !-, "- and #-aluminas, as

$ell as its stable %-alumina phase &1'. Among these transitions, -alumina isone (ind of extremely important nanosi)ed materials. It has been used as acatalyst and catalyst substrate in automotive and petroleum industries,structural composites for spacecraft, and abrasive and thermal $ear coatings&*'.

+ecent studies have sho$n that -alumina is thermodynamically stable relativeto %-alumina $hen a critical surface area is achieved &', and that nano -alumina po$der can promote the sintering behavior of alumina and siliconcarbide fibers &', and also that the use of single phase of -alumina po$dersma(es the densication temperature shift to lo$er temperature as compared$ith the sample consisting of - and #-alumina &/'. 0hose outcomes can openup endless possibilities for the applications of -alumina, so its of significanceto investigate the preparation of -alumina.

2ntil no$, a large variety of methods such as sol3gel synthesis from calcinationof boehmite &*', polyhydroxoaluminum-polyvinylalcohol &/', laser ablation of analuminum target in an oxygen atmosphere &4', hydrolysis of alumina al(oxide&5', thermal decomposition of aluminum sulfate &6', metal organic chemicalvapor deposition $ith Al789: &;' have been used to prepare -alumina. Inthis paper, $e introduce a facile and practicable process to obtain dispersednano - alumina $ith lo$-cost and $ithout pollution, the (ey step of $hich is toprecipitate aluminum salt $ith in ethanol medium.

*. ?xperimental

0he starting materials Al8l=49*> and conc. $ere dissolvedrespectively in 8*9/>9 7;/@: to form certain concentration solutions 7assho$ed in 0able 1:. 0he solution $as then added drop$ise to thevigorously stirred Al8l=49*> solution, $ith the same volume as the former, toproduce a $hite, gelatinous Al7>9: precipitate. After ltrated, $ashed $ith8*9/>9 7;/@:, dried at 1 B8 for * h and calcined at certain temperature for* h, Al7>9: gel $as transformed into Al*>.

In the precipitation and $ashing procedure, the mother liCuid and the ltrate

could be distilled to recycle ethanol and gain byproduct


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.1. 0he eect of ethanol

ACueous precipitation is commonly used to synthesi)e oxides, but the po$ders$ith small si)e obtained by this process are often heavily aggregated. 0he mainreason for the aggregation is caused by the absorbed $ater and the surfacehydroxyl group in the precipitated hydroxide precursors besides the particle

aggregation occurring $hen the precipitated precursors are dried, milled andcalcined. 0he aggregation is heavy and the precipitated aluminum hydroxidegel could not be ltrated easily.

0his agglomerate strength is determined by the extent to $hich $atermolecules, hydrogen-bonded to surface hydroxyl groups, are able to formbridges bet$een adJacent particles. Instead of $ater medium duringprecipitation, ethanol $as postulated to hydrogen bond to surface hydroxyls,but could not cause particle3particle interaction, so the hydroxide gel could beltrated easily. Kurthermore, the possibility of any chemical bonds formingbet$een particles during the follo$ing dehydration is signicantly reduced,

inhibiting formation of hard agglomerates that means the condensation due tothe loss of nonbridging hydroxyl groups, and leading to the nal product verysoft and friable. 0he mechanism is similar to Lee and +eady model &1,11'.

.*. 8hoice of the experimental conditions

Eecause concentration of the reactants determines nucleating speed, molarratio of the reactants determines the gel surface charges and calcinationtemperature determines phase composition of the product, these parameters$ere inspected by homogenous design $hen ethanol $as used as reactionmedium. 8onsidering the experimental points that homogenously distribute inthe experimental scope and have more factors and more levels, homogenous

design is an eective measurement &1*'.Al8l concentration, molar ratio of to Al8l and calcinationtemperature $ere noted as H1, H* and H respectively. 0heir values $ere listedin 0able 1. ?xperiments $ere carried out under the conditions in 0able 1obtained from homogenous design.

.. Surface areas of the products

In case of every experimental point of 0able 1, the surface area of the product7noted as M: $as measured and sho$ed in 0able 1.

2sing experimental parameter H1, H* and H as independent variables and M

as a function, mathematical model $as set up by means of multiple regression.Furing multiple regression, every independent variable is standardi)ed $ith N,1O, that is, the maximum as N1O, the minimum as NO, the other valuesaccording to their proportion are transformed into certain values bet$een 31.

0he properties of regression eCuation (eep unchanged $hen any (ind ofstatistic calculations is done, and their regression coePcients can be compareddirectly. 0he regression eCuation obtained by this manner under condenceinterval bigger than .;; $as listed as follo$sQ


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M R Q55 Q/6H1H* Q6/;H

In terms of this regression eCuation, the variance K7statistic: $as 1/., theregressive freedom *, residual freedom /, and the multiple correlationcoePcient 7+: .;;*. So the eCuation $as in valid and the eects of H1, H* andH on M could be discussed by the eCuation. According to the regression

eCuation, $ith the increase of H1H* that means synergistic eect of Al8lconcentration and molar ratio of to Al8l, the surface area Mincreased. Then Al8l concentration increased, nucleation$as speed up, andthe number of nuclei in unit volume expanded, mean$hile the gel surfacecharges increased $ith the increase of molar ratio of to Al8l, so theagglomeration alleviated and the surface area increased.

According to the regression eCuation, $ith the increase of calcinationtemperature H, the surface area M decreased. Then the calcinationtemperature increased, the phase changed from amorphous to metastablestructure then finally to stable %-alumina phase, undoubtedly accompanying

the decrease of the surface areas &1'.Also according to the regression eCuation, the eect of H on M $as moresignicant than that of H1H* because the absolute value of the regressioncoePcient of H $as bigger than that of H1H*, so the calcination temperature$as the maJor factor to determine the surface area.

.. Dorphology and phase composition of the products

0he 0?D photos in Kig. 1, the H+F patterns in Kig. * and the I+ spectra in Kig. $ere arranged in order of the increase of calcination temperature.

Krom Kig. 1, $e can see that the diameters of the most products increased $ith

the increase of the calcination temperatures. 8alcined belo$ 11 B8, thesenano-particles of the product


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readily explained. 0he stronger broadening band 63 cmW1 occurs dueto the hydrogen bond bet$een the various hydroxyl groups in the product. 0hisband disappeared gradually $ith the increase of the calcination temperature.

0he stronger broadening band 13 cmW1 correspond to Al3>vibrationexisted under the temperature belo$11 B8,$hile the calcination temperatureexceeded 11 B8, this band split into t$o bands representative of %-alumina,one of $hich $as bet$een 13/ cmW1, the other bet$een /3 cmW1.

. 8onclusion

Firect precipitation in ethanol $as a crucial step for synthesis of the dispersivenano -alumina and this (ind of -alumina that exhibited direct transformationto %-alumina $as prepared from amorphous alumina. Among the three factorsincluding the reactant concentration, the molar ratio of reactants and thecalcination temperature, the third one $as responsible for the surface area, thediameter and the phase composition of the product. Then the calcinationtemperatures $ere controlled at 4 B8, bet$een 46431*; B8 and above

111 B8, amorphous alumina $ith the surface area of 1./ m*Gg, -alumina of*31* m*Gg and %-alumina of 14.*3 4.4 m*Gg $ere obtained respectively.

Sntesis de -almina mediante precipitacin en etanol

1. IntroducciXn

La alYmina tiene una enorme aplicaciXn tecnolXgica e industrial. ?xiste en unavariedad de estructuras metaestables incluyendo -, -, -, !-, "- y chi-alYminas, asZ como su fase %-alYmina estable &1'. ?ntre estas transiciones, -alYmina es una clase de materiales de tama[o nanom\trico extremadamente

importantes. Se ha utili)ado como sustrato de catali)ador y catali)ador enindustrias del automXvil y del petrXleo, materiales compuestos estructuralespara la nave espacial, y revestimientos de desgaste abrasivo y t\rmicas &*'.

?studios recientes han demostrado Cue la -alYmina es termodin]micamenteestable con respecto a alfa-alYmina cuando se alcan)a un ]rea de superciecrZtica &', y Cue el polvo de nano -alYmina pueden promover elcomportamiento de sinteri)aciXn de alYmina y carburo de silicio bras &', ytambi\n Cue el uso de una sola fase de polvos de -alYmina hace Cue elcambio de temperatura de densicaciXn a la temperatura m]s baJa encomparaciXn con la muestra Cue consiste en - y #-alYmina &/'. ?sos resultadospueden abrir innitas posibilidades de las aplicaciones de la -alYmina, por loCue es de importancia para investigar la preparaciXn de -alYmina.

9asta ahora, una gran variedad de m\todos tales como la sZntesis sol-gel apartir de la calcinaciXn de boehmita &*', polyhydroxoaluminum-alcoholpolivinZlico &/', la ablaciXn con l]ser de un blanco de aluminio en una atmXsferade oxZgeno &4', la hidrXlisis de alcXxido de alYmina &5' , la descomposiciXnt\rmica de sulfato de aluminio &6', la deposiciXn de vapor CuZmico org]nico demetal con al 789: &;' se han utili)ado para preparar -alYmina. ?n este


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trabaJo, presentamos un proceso f]cil y factible para obtener nano dispersa -alYmina con baJo costo y sin contaminaciXn, el paso clave de las cuales es paraprecipitar la sal de aluminio con en medio etanol.

*. ?xperimental

Los materiales de partida Al8l = 49*> y 98l conc. se disolvieronrespectivamente en 8*9/>9 7;/@: para formar ciertas soluciones deconcentraciXn 7como se muestra en la 0abla 1:. Se a[adiX la soluciXn 9*> = vigorosamente agitada,con el mismo volumen Cue el primero, para producir un blanco, Al gelatinosa7>9: precipitado. Fespu\s se ltrX, se lavX con 8*9/>9 7;/@:, se secX a 1B 8 durante * h y se calcinX a cierta temperatura durante * h, Al 7>9: gel setransformX en Al*>.

?n el procedimiento de precipitaciXn y lavado, el lZCuido madre y el ltrado sepodrZan destilan para reciclar etanol y ganar subproducto


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Febido a Cue la concentraciXn de los reactivos determina la velocidad denucleaciXn, la relaciXn molar de los reactivos determina las cargas supercialesde gel y la temperatura de calcinaciXn determina composiciXn de la fase delproducto, estos par]metros fueron inspeccionados por dise[o homog\neocuando se usX etanol como medio de reacciXn. 0eniendo en cuenta los puntosexperimentales Cue distribuyen de forma homog\nea en el ]mbitoexperimental y tienen m]s factores y m]s niveles, dise[o homog\neo es unamedida efectiva &1*'.

concentraciXn Al8l, relaciXn molar de a Al8l y la temperatura decalcinaciXn se observX como H1, H* y H respectivamente. Sus valores seenumeran en la 0abla 1. Los experimentos se llevaron a cabo baJo lascondiciones de la 0abla 1 obtenidos a partir de dise[o homog\neo.

.. Supercies de los productos

?n el caso de cada punto experimental de la 0abla 1, se midiX el ]rea de lasupercie del producto 7se[alado como M: y mostrX en la 0abla 1.

?l uso experimental de par]metros H1, H* y H como variables independientese M como una funciXn, modelo matem]tico se creX por medio de regresiXnmYltiple. Furante la regresiXn mYltiple, cada variable independiente ha sidoestandari)ada con ^, 1^, es decir, el m]ximo como ^1^, el mZnimo como ^^,los otros valores de acuerdo a su proporciXn se transforman en ciertos valoresentre -1. Las propiedades de la ecuaciXn de regresiXn mantienen sin cambioscuando se lleva a cabo cualCuier tipo de c]lculos estadZsticos, y suscoecientes de regresiXn se puede comparar directamente. La ecuaciXn deregresiXn obtenida por esta manera baJo intervalo de conan)a m]s grandeCue .;; se muestra como sigueQ

M R Q 55 Q /6H1H*Q 6/;H

?n t\rminos de esta ecuaciXn de regresiXn, la varian)a K 7estadZstica: fue1/., la libertad regresiva *, la libertad residual /, y el coeciente decorrelaciXn mYltiple 7+: ,;;*. Vor lo tanto la ecuaciXn estaba en v]lido y losefectos de H1, H* y H en M podrZa ser discutido por la ecuaciXn. Fe acuerdocon la ecuaciXn de regresiXn, con el aumento de H1H* Cue signica efectosin\rgico de la concentraciXn de Al8l y la relaciXn molar de a Al8l,el ]rea supercial M aumentX. 8uando la concentraciXn de Al8l aumentX,nucleation$as aceleran, y el nYmero de nYcleos en unidad de volumenexpandido, mientras tanto las cargas superciales gel aumentX con el aumento

de la relaciXn molar de a Al8l, por lo Cue la aglomeraciXn aliviado yel ]rea supercial aumentX.

Fe acuerdo con la ecuaciXn de regresiXn, con el aumento de la temperatura decalcinaciXn H, el ]rea supercial M disminuye. 8uando la temperatura decalcinaciXn aumentX, la fase cambia de amorfo a la estructura metaestable,nalmente, a la fase %-alYmina estable, sin duda, Cue acompa[a a ladisminuciXn de las ]reas de supercie &1'.


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0ambi\n de acuerdo con la ecuaciXn de regresiXn, el efecto de H en M fue m]ssignicativa Cue la de H1H* porCue el valor absoluto del coeciente deregresiXn de H era m]s grande Cue la de H1H*, por lo Cue la temperatura decalcinaciXn era el factor principal para determinar el ]rea de supercie .

.. DorfologZa y fase de composiciXn de los productos

Las fotografZas 0?D en la Kig. 1, los patrones de difracciXn de rayos H en la g.* y el espectro de I+ en la Kig. fueron dispuestos en orden del aumento de latemperatura de calcinaciXn.

Fe la Kig. 1, se puede observar Cue los di]metros de las mayorZa de losproductos se incrementaron con el aumento de las temperaturas decalcinaciXn. 8alcinado inferior a 11 B 8, estos nano-partZculas del producto


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reactivos y la temperatura de calcinaciXn, el tercero era responsable del ]reade supercie, el di]metro y la composiciXn de la fase del producto. 8uando lastemperaturas de calcinaciXn se controlaron a 4 B 8, entre 464 a 1*; B 8 ypor encima de 111 B 8, alYmina amorfo con el ]rea de supercie de 1,/m* G g, -alYmina de * a 1* m* G g y %-alYmina de 14.*- 4,4 m* G g seobtuvieron respectivamente.

Síntesis de alumina por presipitacion en etanol

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