[发明专利]合成磷酸锆颗粒的方法

说明书

本申请是中国发明申请(发明名称：合成磷酸锆颗粒的方法，申请日：2005年12月14日；申请号：200580045196.5)的分案申请。 

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2004年12月28日提交的在先美国临时专利申请60/639740的优先权，其全部内容引入本文中作为参考。 

技术领域

本发明涉及磷酸锆颗粒，具体地，本发明涉及例如通过溶胶凝胶合成法制备磷酸锆颗粒的方法。 

背景技术

磷酸锆(ZrP)颗粒用作离子交换材料，特别是用作再生渗析的吸附剂。磷酸锆(ZrP)颗粒可以利用也称为氯化氧锆的二氯氧化锆(ZOC)作为原材料，通过溶胶凝胶法合成。ZOC是优选的原材料，因为它储量丰富并且在商业上可以以低价获得。 

作为在本文中所采用的术语，溶胶凝胶沉淀法(sol gel precipitation)一般是指形成陶瓷或催化剂的方法，其中通过使水合金属离子(第III和IV族)与沉淀剂反应形成胶粒(称为溶胶)，随后聚合胶粒形成凝胶颗粒。参见例如Bogdanov SG等人，Structure of zirconium phosphate gels produced by the sol-gel method，J.Phys.:Condens.Matter94031-4039(1997)，引入本文中作为参考。溶胶凝胶沉淀法是由二氯氧化锆得到磷酸锆特别便利的方法，因为它是能够在室温下进行的直接、单步转化法。因此，相比于其它方法，溶胶凝胶沉淀法呈现出在效率和制造成本方面的巨大优势。而且，通过溶胶凝胶沉淀法得到的磷酸锆颗粒通常具有高孔隙率和高BET表面积，这些增强它们对氨的吸附容量。此外，溶胶凝胶沉淀法的利用能够对产物的粒度和形态进行控制，以及对杂质含量进行控制。对于渗析应用而言，磷酸锆颗粒的这些特性对氨吸附和柱体(cartridge)设计是重要的。 

尽管具有这些优点，但是溶胶凝胶沉淀法不容易以生产规模实现。困难主要是由原材料(例如，ZOC)的特性，难于控制的反应的快速度，及缺乏适当的过程控制方法(流速、搅拌速度、浓度等)引起的。这些困难可以描述如下。 

当利用磷酸作为沉淀剂直接由二氯氧化锆溶液沉淀出来时，溶胶凝胶磷酸锆为具有宽范围粒度的软凝胶颗粒的形式。出现这种现象的一个原因是二氯氧化锆溶液中的锆离子是高度水合的单体，即，它们被大量配位水分子包围。在磷酸锆的形成过程中，当产物浆料在反应过程中变厚时，或者当颗粒在过滤和干燥过程中夯实时，软凝胶颗粒往往聚集(agglomerate)。由于这种聚集，所以在干燥后大的聚集体存在于最终产物中，使得需要碾磨或研磨才能获得自由流动的粉末，另一个缺点是碾磨产生了许多过细的颗粒。聚集还在一定程度上增加粒度，这是柱或分离应用所不希望的。 

由于另外的原因，即粒度取决于反应物的浓度，其随着沉淀继续而逐渐降低，引起更小颗粒的形成，所以得到的产物的宽范围粒度是常规溶胶凝胶沉淀法的共同结果。因而，难于利用单一的反应物加入技术控制粒度。对于渗析应用来说，大颗粒和过细颗粒都是不希望的，因为大颗粒能导致氨泄漏和较小的吸附容量，而细颗粒能增加吸附剂柱体中的流动阻力和压力降。 

此外，随着浆料浓度增加，在制备过程中溶胶凝胶磷酸锆的聚集妨碍反应物的搅拌和混合，导致过量细颗粒的形成。 

通过增加磷酸的量和浓度(例如，通过提供1:3的ZrO₂:PO₄比)，能够增加溶胶凝胶磷酸锆的粒度，但是随着ZrP中过量晶格(lattice)H⁺与H₂O分子混合，磷酸的增加也增强胶凝效果。 

因此，需要一种能够以生产规模进行的改进的合成磷酸锆颗粒的方法。 

还需要一种克服一个或多个上述缺点的改进的合成磷酸锆颗粒的方法。 

发明内容

本发明的一个特征在于提供一种通过溶胶凝胶技术合成磷酸锆颗粒的方法，该方法避免了一个或多个上述缺点。 

本发明的另一个特征在于提供一种通过溶胶凝胶技术合成磷酸锆颗粒的方法，该方法避免了软凝胶颗粒的产生和/或该方法避免了磷酸锆凝胶颗粒的聚集。 

本发明的又一个特征在于提供一种通过溶胶凝胶技术合成磷酸锆颗粒的方法，和/或提供具有吸附所需的硬度、粒度、粒度范围、形状、堆积密度(packing density)、孔隙率、BET表面积和/或吸附容量的颗粒。