DE2325761A1 - Verfahren zur umwandlung von aluminiumoxiden hoher dichte und geringer porositaet in solche mit geringer dichte und hoher porositaet - Google Patents
Verfahren zur umwandlung von aluminiumoxiden hoher dichte und geringer porositaet in solche mit geringer dichte und hoher porositaetInfo
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Description
PoiemanAälte 21. Mal 1973
Dipl.-Irw. Λ Onnecker P 60?2-rei
Dr.-I η ei /·' ''r->.;yJdey
Dr-I1Ig :j. Wckmair 2325761
β Mönch ti. Ji, .i;r:'/anstr. 43
Continental Oil Company P.O. Box 1267
Ponca City, Oklahoma 7Ί-6Ο1
USA ,
mit fferinrer Dichte und hoher Porosität
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Aluminiumoxiden hoher Dichte und geringer Porosität in
solche mit geringer Dichte und hoher Porosität, insbesondere zur Umwandlung von bis zu etwa 80 Gew.-% AIpO-, enthaltenden
und durch wässrige Hydrolyse von Aluminiumalkoxiden hergestellten Aluminiumoxiden.
'Aluminiumoxid ist nach den verschiedensten Verfahren hergestellt
worden, beispielsweise nach dem Hatriumaluminatverfahren,
nach dem Allaunverfahren, durch wässrige Hydrolyse
von Aluminiumalkoxiden und andere. Die 'so hergestellton
Aluminiumoxide finden vor allem als Katalysatoren oder
Katalysatorträger Vexvaridung. Insbesondere in diesen Vorweiidungsbereichen
sind Aluminiumoxide mit geringeren effek-
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tiven Dichten, höherer Porosität und grösseren Oberflächen
solchen Aluminiumoxiden vorzuziehen, die eine höhere effektive Dichte, geringere Porenvolumen und eine kleinere Oberfläche aufweisen. Dementsprechend sind eine Reihe von Anstrengungen
unternommen worden, um Verfahren zur Herstellung von solchen Aluminiumoxiden mit geringer Dichte, hoher Porosität
und grosser Oberfläche auszuarbeiten.
Die bisher bekannt gewordenen Verfahren vermögen jedoch
die gestellten Anforderungen noch nicht zufriedenstellend zu erfüllen. Entweder sind die Verfahren selbst zu aufwendig, um industriell erfolgreich eingesetzt werden zu
können, oder die erhaltenen Produkte entsprechen nicht den Qualitätsanforderungen hinsichtlich der vorstehend genannten
Eigenschaften«
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid mit geringer effektiver
Korndichte und hoher Porosität zu schaffen, das gleichzeitig den industriellen Einsatzanforderungen genügt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird das eingangs genannte Verfahren zur Umwandlung von Aluminiumoxiden hoher Dichte und
geringer Porosität in Aluminiumoxide mit geringer Dichte und hoher Porosität vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass man das dichte und wenig poröse Aluiainiumoxid
in einer wässrigen Lösung einer einbasischen anorganischen Säure einer einbasischen organischen Säure mit
1 bis 3 Kohlenstoffatomen oder einer einbasischen halogenierten.organischen
Säure mit 2 oder 3 Kohlenstoffatonen .
in der Weise ,dispergiert, dass die Dispersion bis zu ungefähr
18 Ge\-r.~% Al2O, und etwa 0,04 - 0,12 mol Säure je
Mol AlpO-z enthält, dass man dann den pH der Dispersion :
durch Zugabe eines basischen Materials auf einen Ue rt von;
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etwa 7-11 einstellt, dass man anschliessend den so erhaltenen Niederschlag mit einer ausreichend wirksamen Menge
eines organischen Lösungsmittels, dessen Oberflächenspannung geringer als die des Wassers ist, versetzt, dass man
dann das so erhaltene Gemisch aus dem Lösungsmittel und wässrigen Aluminiumoxid trocknet.
Die auf diese Weise erhaltenen Aluminiumoxide weisen eine effektive Schüttdichte von etwa 320 - 480 kg/m , ein spezifisches
Porenvolumen von etwa 0,7 - 1*3 cnr/g und eine
spezifische Oberfläche von etwa 200 - 300 m /g auf.
Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise ein scheinbar 'trockenes pulverförmiges Aluminiumoxid verwendet, das neben
AIpO^ Hydratwasser, freies Wasser oder Wasser in anderer
Form enthalten kann. Der Trocknungsgrad des Aluminiumoxids ist nachstehend im Rahmen dieser Beschreibung in Form des
AlpO-7-Gehaltes des verwendeten Aluminiumoxids angegeben.
Besonders geeignet für die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ist Aluminiumoxid, das durch wässrige Hydrolyse
von Aluminiumalkoxiden hergestellt wurde und einen AlpO^-Gehalt von bis zu etwa 80 Gew.-^ hat. Typischerweise
hat ein solches Aluminiumoxid eine Schüttgutdichte von etwa 673 - 801 kg/m , ein spezifisches Porenvolumen von
etwa 0,40 - 0,55 cr/rVg und eine spezifische Oberfläche ·
von 200 - 300 m /g. Dieses Aluminiumoxid ist zwar selbst bereits durchaus als Katalysator oder als Katalysatorträger
einsetzbar, jedoch sind auch für dieses Material noch insbesondere eine? Verringerung der effektiven Dichte und eine
Vergrößerung de.s spezifischen Porenvolumens wünschenswert.
Zur Durchführung des Verfahrens gernass der Erfindung wird
dieses relativ dichte Ausgangsmateriel in dem entsprechend
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BAD ORIGINAL
angesäuerten Wasser dispergiert. Anschliessend wird der pH-Wert der Dispersion auf 7-11 zur Fällung von Aluminiumoxid
eingestellt. Das organische Lösungsmittel mit einer Oberflächenspannung, die geringer ist als die des Wassers,
wird mit dem gefällten Aluminiumoxid vermischt. Nach Trocknen dieses Gemisches wird das gewünschte Produktoxid mit der
geringen effektiven Dichte und der hohen Porosität erhalten.
Zur Herstellung der Dispersionen eignen sich einbasische anorganische Säureny 'einbasische organische Säuren mit 1 3
Kohlenstoffatomen und halogenierte organische einbasische Säuren mit 2-3 Kohlenstoffatomen. Als besonders bevorzugte
Beispiele für solche Säuren seien die folgenden genannt: Salzsäure, Salpetersäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure,
Monochloressigsäure und Dichloressigsäure. Besonders
günstige Ergebnisse wurden bei Verwendung von Salpetersäure erzielt.
Die Dispersion kann prinzipiell beliebige Mengen Aluminiumoxid bis zur Löslichkeitsgrenze des Aluminiumoxids in der
dispergierenden Lösung enthalten. Versuche deuten' jedoch darauf hin, dass AlpCU-Gehalte in der Dispersion von mehr
als etwa 18 Gew.-% unpraktikabel sind. Die besten Ergebnisse wurden bei einer AlpO^-Konzentration in der Dispersion von
etwa 5-15 Gew.-% erhalten.
Die Säure muss in einer Konzentration von etwa 0,04 bis etwa 0,12 mol je Mol Al2O^ vorliegen. Besonders günstige Ergebnisse
wurden bei einer Säurekonzentration von 0,06 - 0,11 mol je
Mol Al2O7 erhalten. Bei geringeren Säurekonzentrationen wurde
die angestrebte Produktqualität nicht erreicht. Bei zu hohen Säurekonzentrationen bildete das Aluminiumoxid statt einer
leicht zu handhabenden Dispersion eine gelatinöse Masse, die schwierig zu handhaben und zu filtrieren ist. Eine Weiterverarbeitung
solcher gelatinöser Massen ist daher aus- *f
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serordentlich schwierig.
Die Dispersion kann in an sich bekannter ¥eise hergestellt werden, jedoch wurde festgestellt, dass die besten Ergebnisse
erhalten wurden, wenn das Ausgangsaluminiumoxid in die wässrige Säure gegeben wurde. Dem steht jedoch nicht entgegen,
dass das Aluminiumoxid auch zunächst mit Wasser vermischt und das Gemisch anschliessend angesäuert werden kann oder
eine andere Reihenfolge vorgesehen wird. Bemerkenswert gute Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Dispersion bei erhöhten
Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von 50 - etwa 90 0C, hergestellt wurde.
Das Aluminiumoxid wird aus der Dispersion durch Einstellen der Dispersion auf einen pH von ca. 7 bis ca, 11 ausgefällt.
•Besonders bevorzugte Ergebnisse wurden durch eine Einstellung
des pH auf einen Wert im Bereich von ca. 9,5 bis ca, 10,5 erreicht. Der pH-Wert lässt sich leicht durch Zugabe basischer
Stoffe zur Dispersion einstellen. Insbesondere sind dazu Ammoniak, Ammoniumcarbonat und Ammoniumhydrogencarbonst
geeignet. Wenn damit auch der Bereich der verwendbaren Basen
nicht erschöpft ist, so sind die genannten Stoffe jedoch aus dem Grund vorzuziehen, v/eil sie keine Kationen oder
Anionen enthalten, die das hergestellte Aluminiumoxid verunreinigen. Die aufgezählten bevorzugten alkalischen Stoffe
zeichnen sich dadurch aus, dass sie nur aus solchen Komponenten bestehen, die beim Trocknen des gefällten Aluminiumoxids
leicht flüchtig sind und dieses weder anionisch noch kationisch verunreinigen. Wenn dagegen zu bestimmten Zwecken
anionische oder kationische Stoffe zu bestimmten Verwendungszwecken dem erzeugten Aluminiumoxid zugesetzt werden sollen,
so können diese vorzugsweise durch eine geeignete Auswahl der basischen Stoffe für die Fällung zugesetzt werden.
Wenn bei niedrigeren pH-Werten, beispielsweise bei Werten unter-
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- ο —
halb etwa 8, gefällt wird, so ist das gefällte Aluminiumoxid
in der Regel schlecht zu filtrieren und bietet auch sonst einige Probleme bei der Handhabung. Solche Schwierigkeiten
treten nicht auf bei einem pH von etwa 9,5 bis etwa 10,5.
Nach der Fällung des Aluminiumoxids werden die flüssige Phase der Dispersion und das niedergeschlagene Aluminiumoxid
mit einem organischen Lösungsmittel vermischt, dessen Oberflächenspannung geringer als diejenige des Wassers ist.
Das Gemisch wird anschliessend zur Gewinnung des Produktaluminiumoxids
getrocknet.
Geeignete Lösungsmittel sind in diesem Zusammenhang Aceton, Methanol, Äthanol, n-Propanol, Isopropanolj n-Butanol, Isobutanol,
sec-Butanol oder tert-Butanol. Das niedergeschlagene
Aluminiumoxid kann nach der Fällung durch Filtration von der Dispersion abgetrennt werden, und zwar auch vor dem
Vermischen mit dem organischen Lösungsmittel. Ebensogut kann aber auch das gesarate aus der flüssigen Phase und dem
Aluminiumoxidteil bestehende Reaktionsprodukt mit dem organischen Lösungsmittel vermischt werden. Geeignete Verfahren
für das Durchmischen und Inberührungbringen mit
dem Lösungsmittel sind in der US-Patentanmeldung 191 085/1971 und in der US-Patentanmeldung 218 882/1972 beschrieben. Wie
in diesen Beschreibungen ausführlich dargelegt, werden die besten Ergebnisse erhalten, wenn das Lösungsmittel in der
Menge vorliegt, dass es das Wasser durch azeotrope Verdampfung oder azeotrope Destillation aufnehmen und entfernen kann.
Dazu ist es selbstverständlich nicht unbedingt erforderlich, dass man das Aluminiumoxid von der dispergierenden Phase
abtrennt, vielmehr kann das organische Lösungsmittel auch dem Fällungsreaktion sgeini sch direkt in der Menge zugesetzt
v/erden, dass ein azeotropes Abdestillieren des gesamten Wassers möglich ist. Ausserdem sei darauf hingewiesen, dass
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_ 7 —
insbesondere in dem Fall, dass das gefällte Aluminiumoxid von der flüssigen Phase der Dispersion abgetrennt wird,
auch ein mehrfaches Inberührungbringen des Niederschlages mit dem Lösungsmittel oder ein Kreislaufverfahren anstelle
der einmaligen Zugabe des Lösungsmittels vorgesehen sein können. Diese Verfahren des Zusatzes sind in den genannten
Patentanmeldungen ausführlich beschrieben.
Das Trocknen zur Entfernung des Lösungsmittels und des Wassers kann in an sich bekannter Weise mit herkömmlichen
Verfahren durchgeführt werden, Diese Verfahren brauchen an dieser Stelle nicht näher beschrieben zu werden. Es sei
jedoch hinsichtlich spezifischer Verfahren auf die US-Patentanmeldung
244 221/1972 und auf die US-Patentanmeldung 211 770/1S71 verwiesen. In der zuletzt genannten Anmeldung
ist ausserdem ein Verfahren zur Herabsetzung des Restkohlenstoffgehaltes
in dem Aluminiumoxidendprodukt beschrieben.
Auf die wesentlichen Verbesserungen der Werte des erfindungsgemäss
hergestellten Aluminiumoxids hinsichtlich de-r effektiven Dichte und des spezifischen Porenvolumens
gegenüber den vergleichbaren Werten des Ausgangsrnaterials wurde vorstehend bereits hingewiesen» Weiterhin zeichnet
sich das Aluminiumoxid„ wie es erfindungsgemäss erhalten
wird, jedoch vor allem dadurch aus5 dass es sehr gut extrudierbar
ist, und zwar auch bei ausserordentlich hohen · A^O^-Konzentrationen. Die Extrudierbarkeit des nach dem
Verfahren gemäss der Erfindung erhaltenen Aluminiumoxids
ist Gegenstand der US-Patentanmeldung 168 420/1971» ■
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind nachstehend Ausführungsbeispiele näher beschrieben»
1/0?
200 g Aluminiumoxid mit 75 Gew.-% AIpO,, die durch wässrige
Hydrolyse von Aluminiumalkoxiden nach dem ZIEGLER-Verfahren erhalten wurden und eine effektive Schüttgutdichte von
721 kg/m , ein spezifisches Porenvolumen von ca. 0,53 cm /g und eine spezifische Oberfläche von 250 m /g aufwiesen,
wurden zu 1250 ml Wasser gegeben, das 4.ml Salpetersäure, entsprechend 0,04 mol Salpetersäure pro Mol Aluminiumoxid,
enthielt. Die so hergestellte Aluminiumoxiddispersion enthielt 10,3 Gew.-% Al2O,. Zu dieser Dispersion wurde 1 1
Butanol hinzugefügt. Der pH-Wert wurde auf 7 eingestellt. Das niedergeschlagene Aluminiumoxid wurde filtriert und
mit weiterem Butanol versetzt. Das so erhaltene Gemisch aus Lösungsmittel und wässrigem Aluminiumoxid wurde getrocknet.
Die Dichte des so erhaltenen Endproduktes betrug 801 kg/m
Das Ergebnis zeigt deutlich, dass bei Säurekonzentrationen in der Grössenordnung von 0,04 mol pro Mol AIpO, keine
Verbesserung des Endproduktes gegenüber dem Ausgangsprodukt erreicht wird.
200 g des gleichen Aluminiumoxids, wie es auch im Beispiel 1 eingesetzt wurde, wurden zu 1250 ml Wasser gegeben, die
4 ml Salpetersäure enthielten. Die so erhaltene Aluminiumoxiddispersion enthielt 10,3 Gew.-?t AIpO, und 0,04 mol
Säure je Mol AIpO,. Zu der Dispersion wurde 1 1 Butanol gegeben. Anschliessend wurde der pH mit Ammoniak auf 7
eingestellt. Das Gemisch wurde 1 min lang in einer Mischapparatur gemischt, anschliessend filtriert und zweimal
mit je 1 1 80 0C warmem Methanol gewaschen. Anschliessend
wurde filtriert und getrocknet. Die effektive Schüttgutdichte des so erhaltenen Produktes betrug 481 kg/m . Beim
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Trocknen des so erhaltenen Aluminiumoxids bei 120 0C zeigte
sich, dass der Niederschlag noch immer einen starken Gelcharakter aufwies und Wasser zurückhielt..
Die Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 zeigen, dass niedrige Säureniveaus selbst dort, wo ein gewisser Fortschritt in
den Endprodukten erzielt wird, nicht zu den optimalen Ergebnissen führen, die nach dem Verfahren geinäss der
Erfindung erzielt werden können.
200 g eines Aluminiumoxids mit einer Schüttgutdichte von ca. 721 kg/m , einem spezifischen Porenvolumen bei Porendurchmessern
von 0-10 000 A von ca. 0,53 cnr/g und einer spezifischen Oberfläche von ca. 250 m /g, das durch wässrige
Hydrolyse von Aluminiumalkoxid nach dem ZIEGLER-Verfahren
erhalten wurde, wurden zu 1 1 Wasser gegeben, das 8 ml
Salpetersäure enthielt. Das Gemisch wurde auf 70 0C erwärmt.
Die so hergestellte Dispersion enthielt Ί1,7 Gew.-% p^
und wies eine Säurekonzentration von 0,08 mol Säure je
Mol Aluminiumoxid auf. Zu dieser Dispersion wurden 500 ml wässriger Ammoniak gegeben, so dass das Gemisch einen pH-Wert
von 10 aufwies (gemessen mit einem Standard-pH-meter). Zusätzlicher Ammoniak wurde zugesetzt, um den pH im Bereich
von 9|6 - 10,0 zu halten, wenn die angesäuerte Aluminiumoxidauf
schlämmung zugegeben wurde. Das ausgefällte Aluminiumoxid
wurde 1 h lang bei einem pH von 10 bei 70 0C gealtert.
Zur Filtration wurde ein Filtrationshilfsmittel zur Aggregation der Aluminiumoxidteilchen und zur Erhöhung der
Filtrationsgeschwindigkeit zugesetzt. Das gefällte Aluminiumoxid wurde dann leicht und ohne Schwierigkeiten
filtriert und anschliessend mit 1 1-Portionen von 80 0C
v/armem Butanol behandelt, dem Ammoniak zugesetzt war, um den pH-Wert auf etwa 8 zu halten. Die Butanolbehandlung
309881/0788
wurde zur Entfernung des Wassers aus dem Filterkuchen dreimal wiederholt. Der so erhaltene Aluminiumoxidfilterkuchen
wurde etwa 2 h lang bei 120 0C getrocknet und anschliessend zerkleinert. Das so erhaltene Endprodukt
wies die folgenden Eigenschaften auf: Schüttgutdichte 348 kg/m , spezifisches Porenvolumen 0,98 cm /g und spezifische
Oberfläche ca. 248 m2/g.
Wie den Ergebnissen zu entnehmen ist, werden mit höheren Säurekonzentrationen ganz wesentlich verbesserte Aluminiumoxide
erhalten.
Das nach Beispiel 3 hergestellte Aluminiumoxid wurde nach Trocknen auf 80 Gew.-% AIpO^, und Mischen von 100 g dieses
Aluminiumoxids mit 100 ml Wasser, das 2 ml Essigsäure enthielt,, extrudiert. Das zur Extrusion verwendete Gemisch
hatte eine kittartige Konsistenz. Nach dem Extrudieren wurde das Produkt 2 h lang bei 120 0C getrocknet und anschliessend
etwa 3 h lang bei 482 0C gebrannt. Die extrudierten
Produkte wiesen eine effektive Dichte von 340 kg/m , ein spezifisches Porenvolumen von 1,17 cm7g
und eine spezifische Oberfläche von 244 m /g auf. Bemerkenswert· ist dabei, dass die extrudierten Produkte im wesentlichen
die guten Eigenschaften des zur Herstellung der Extrudierraasse verwendeten und nach dem Verfahren gemäss
der Erfindung hergestellten Aluminiumoxids beibehielten, teils sogar verbesserten. Insbesondere wurde beobachtet,
dass das spezifische Porenvolumen der extrudierten Produkte gegenüber dem spezifischen Porenvolumen des.zur Herstellung
der zu extrudierenden Masse verwendeten Aluminiumoxids vergrössert wurde.
309881/0788
Claims (11)
- PatentansprücheVerfahren zur Umwandlung von Aluminiumoxiden hoher Dichte und geringer Porosität in solche mit geringer Dichte und holier-Porosität, insbesondere zur Umwandlung von bis zu etwa SO Gew.-% AIoO7 enthaltenden und durch wässrige Hydrolyse von Aluminiumalkoxiden hergestellten Aluminiumoxiden, dadurch gekennzeichnet, dass man das dichte und v/enig poröse Aluminiumoxid in einer wässrigen Lösung einer einbasischen anorganischen Säure, einer einbasischen organischen Säure mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen oder einer- einbasischen halogenierten organischen Säure mit 2 oder 3 Kohlenstoffatomen in der V/eise dispergiert, dass die Dispersion bis zu ungefähr 18 Gew.-% Al2O-, und etwa 0,04 -■ 0f12 möl Säure je Mol Al2O-, enthält, dass man dann den pH der Dispersion durch Zugabe eines basischen Materials auf einen Wert von etwa 7-11 einstellt, dass man ansciiliessend den so erhaltenen Niederschlag mit einer ausreichend v/irksamen Menge eines organischen Lösungsmittels, dessen Oberflächenspannung geringer als die des Wassers ist, versetzt und dass man dann das so erhaltene Gemisch aus dem Lösungsmittel und wässrigen Aluminiumoxid trocknet.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Säure Salzsäure, Salpetersäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Monochloressxgsäure oder Di- chloressigsäure verwendet.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder.2, dadurch-• gekennzeichnet, dass man die Säure in einer Menge von 0,06 bis 0,11 mol je Mol Al2O^ einsetzt.309881/073823257S1
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Dispersion auf einen Gehalt von 5-15 Gew.-% Al2O, einstellt.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man als basisches Material Ammoniak, Ammoniumcarbonat und bzw. oder Ammoniumhydrogencarbonat verwendet.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5S dadurch gekennzeichnet „ dass man den pH-Wert auf 9,5 - 10,5 einstellt.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als organisches Lösungsmittel Aceton, Methanol, Äthanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Isobutanol oder tert-Butanol verwendet.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man das Lösungsmittel zumindest in der Menge zusetzt, dass man das in dem Gemisch aus Lösungsmittel und wässrigem Aluminiumoxid vorhandene Wasser durch azeotrope Verdampfung entfernen kann.
- 9· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Aluminiumoxid von den Produkten der Fällungsreäktion abtrennt.
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man das organische Lösungsmittel vor der Einstellung des pH-Wertes und dem Fällen des Aluminiumoxids aus der Dispersion zugibt. -
- 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Dispersion mit 0,08 mol Salpetersäure je Mol309881/07882325781pO^ versetzt, dass man die Dispersion auf 70 0C erwärmt, dass man dann n-Butanol zusetzt, dass man den pH-Wert auf 9,6 bis 10,0 einstellt, dass man das gefällte Aluminiumoxid von den Produkten der Fällungsreaktion abtrennt, dass man dann das so erhaltene Aluminiumoxid etwa 2 h lang bei 120 0C trocknet.309881/0788
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