The effects of various precipitation chemicals on the properties of alumna-based hydroxides

Abstract

Titanium dioxide pigment is surface treated with various inorganic hydroxides. The purpose of a coating is to optimise processability as well as the chemical and physical properties of the TiO2 pigments. The treatments are tailored to the requirements of the final application. The most important surface treatment compound is aluminium hydroxide. This work was based on a previous study of pure alumina precipitations carried out by Tuomo Keskisaari. In addition to aluminium, in this study silicon, phosphorus, zirconium and titanium hydroxides were precipitated. One of the main interests was in the effect of the selected surface chemicals on the crystallinity/amorphocity of the aluminium hydroxide. The sodium and sulphate contents of the precipitate were also of interest. Three different precipitation series, with twelve different surface treatment combinations, were prepared. Two of the precipitation series were based on acidic aluminium sulphate, and the third series was based on basic sodium aluminate. The acidic precipitations were precipitated with mixed NaOH and Na2CO3 up to pH 6 and pH 8. The basic precipitations were precipitated with sulphuric acid down to pH 7. Precipitation temperature, precipitant addition rate and concentrations of the precipitations were constant. The filtration, washing and wet cake drying methods were selected according to the previous experimental study carried out by Tuomo Keskisaari. In basic combination precipitations the presence of silicon created amorphous aluminium hydroxide with some crystalline elements. The other basic precipitated samples, which did not contain silicon, were crystalline bayerite or a combination of bayerite and boehmite. The acidic precipitated samples were pseudoboehmite phase, either pure amorphous or amorphous with some crystalline boehmite elements. The crystallinity of the aluminium-based hydroxides had an effect on various chemical and physical properties of the precipitate. The pure amorphous samples were more porous than the amorphous samples which contained crystalline elements or crystalline samples. In acidic combination precipitations, the sodium and sulphate content was reduced in comparison to the pure alumina sample: the sodium content increased and sulphate contents varied in the basic precipitations.

Titaanidioksidipigmentti pinnoitetaan erilaisilla epäorgaanisilla hydroksideilla. Pinnoitteiden tarkoitus on parantaa TiO2- pigmentin prosessoituvuutta sekä lopputuotteen fysikaalisia että kemiallisia ominaisuuksia. TiO2- pigmentin pinnoittamiseen käytettävät epäorgaaniset hydroksidit valitaan pigmentin käyttötarkoituksen mukaan. Alumiinihydroksidi on tärkein pigmentin pinnoitteena käytetty hydroksidi. Tämä opinnäytetyö on jatkoa Tuomo Keskisaaren aikaisemmin tekemään diplomityöhön, jossa tutkittiin saostamalla saatuja alumiinihydroksideja. Tässä työssä saostettiin alumiinihydroksidin lisäksi pii-, fosfori-, zirkonium- ja titaanihydroksideja. Tutkimuksen painopiste oli valittujen pinnoitekemikaalien vaikutus alumiinihydroksidin kiteisyyteen/amorfisuuteen, sekä natrium- ja sulfaattipitoisuuksiin saostetuissa lopputuotteissa. Erilaisia saostuksia tehtiin kolme sarjaa, joissa kussakin oli 12 erilaista kemikaaliyhdistelmää. Kaksi sarjaa kolmesta tehtiin hapankäsittelyinä, lähtöliuoksena alumiinisulfaatti, neutraloimalla NaOH ja Na2CO3 seoksella toinen pH 6:een ja toinen pH 8:aan. Kolmas sarja tehtiin emäksisenä, lähtöliuoksena natriumaluminaatti, neutraloimalla H2SO4:lla pH 7:ään. Saostuslämpötila, neutralointikemikaalien syöttö ja pitoisuudet, suodatus- ja pesutapahtumat sekä märän kakun kuivaus, valittiin Tuomo Keskisaaren diplomityön perusteella ja ne pidettiin vakioina jokaisessa saostuksessa. Piin läsnäolo emäksisissä yhdistelmäsaostuksissa vaikutti alumiinihydroksidin amorfisuuteen. Emäksiset saostumat, jotka eivät sisältäneet piitä, olivat kiteistä bayeriittiä tai bayeriitin ja böhmiitin seosta. Happamat saostumat olivat pseudoböhmiittiä, joko täysin amorfisia tai sisälsivät böhmiittikiteitä, AlO(OH). Alumiinipohjaisen hydroksidien kiteisyys vaikutti saostuman moniin kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. Amorfiset saostumat olivat mm. huokoisempia kuin kidealkioita sisältäneet amorfiset tai kiteiset saostumat. Hapankäsittelyissä natriumja sulfaattipitoisuudet laskivat yhdistelmäsaostuksissa puhtaaseen alumiinihydrokdisaostumaan verrattuna. Natriumpitoisuudet kasvoivat ja sulfaattipitoisuudet vaihtelivat emäksisissä yhdistelmäsaostuksissa.