Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

DEPENDENCE OF ALUMINUM HYDROXIDE PROPERTIES FROM THE METHOD OF ITS SYNTHESIS

Stas N.F. 1
1 Federal State Educational Institution of the Highest Vocational Education “National Research Tomsk Polytechnic University”
Проведено исследование сорбционной активности гелеобразного гидроксида алюминия, применяемого в составе лекарственных препаратов, при его получении методом обратного осаждения, совместного осаждения с гидроксидом магния и выдержке в органических жидкостях после осаждения. Установлена возможность повышения его сорбционной активности до 500 мг конго красного на 1 г Al2O3 применением метода обратного осаждения: введением 1 М сульфата алюминия в 10%-й раствор аммиака при 70 °С и рН 10,0–10,5. Показано, что выдержка суспензии гидроксида алюминия в органических жидкостях (этанол, ацетон, уксусная кислота) приводит к увеличению его сорбционной активности до 700–800 мг/г. Разработана методика получения нового сорбента - совместно осаждённых гидроксидов алюминия и магния. Наиболее активные образцы сорбента получены при соотношении гидроксидов 1:1, концентрации сульфатов в исходном растворе от 10 до 30%, концентрации раствора аммиака 10%, температуре 70 °С и рН 10,0. Их сорбционная активность равна 710–720 мг конго красного на 1 г Al2O3.
The research of sorption activity of jellous aluminum hydroxide, used in some medicine compositions is carried out. Aluminum hydroxide was synthesized by the methods of reverse precipitation, coprecipitations with magnesium hydroxide and extraction in organic liquids after precipitation. It was established the possibility of increasing its sorption activity up to 500 mg of Congo red on 1 g of Al2O3 by the reverse precipitation method application, that means insertion of 1 M aluminum sulfate into the 10% ammonia solution at 70 °C and pH 10,0-10,5. It is shown that extraction of aluminum hydroxide suspension in organic liquids (ethanol, acetone, acetic acid) leads to an increase of its sorption activity up to 700-800 mg/g. The procedure of new sorbent synthesis by joint precipitation of aluminum and magnesium hydroxides was developed. The most active samples of sorbent were synthesized at the hydroxides ratio 1:1, at sulfates content in the initial solution from 10 up to 30%, at ammonia solution concentration 10%, at 70 °C and pH 10,0. Their sorption activity is equal to 710-720 mg of Congo red on 1 g Al2O3.
aluminum hydroxide
suspension
synthesis
sorption capacity
Введение

Многие вакцины и сыворотки вводятся в организм человека и животных в адсорбированном на поверхности частиц гидроксида алюминия состоянии, что увеличивает срок защитного действия лекарственных препаратов. Такой гидроксид алюминия
(и другие сорбенты подобного назначения) называется адъювантом. К нему предъявляются особые требования, обусловленные применением: высокая сорбционная ёмкость и стабильность при приготовлении, стерилизации и хранении вакцин.

Существующие методы получения гидроксида алюминия, применяемого в качестве адъюванта, - аммиачный и содовый [9, 6] - не дают препаратов, удовлетворяющих этим требованиям. Гидроксид алюминия, приготовленный аммиачным способом (осаждение раствором аммиака из раствора сульфата алюминия), имеет недостаточную сорбционную ёмкость. «Содовый» гидроксид алюминия (осадитель карбонат натрия) имеет более высокую сорбционную ёмкость, но изменяет свою структуру при стерилизации и образует крупные конгломераты при хранении.

В фармацевтической промышленности гидроксид алюминия получают периодическим методом прямого осаждения [6]. Например, в аммиачном способе к 1 М раствору сульфата алюминия при комнатной температуре приливают 10 %-й раствор аммиака до достижения величины  рH 7,0-7,2. Полученную суспензию после выдержки в течение 24-х ч отмывают от сульфата аммония декантацией, повторяя эту процедуру не менее 10 раз. Затем проводят стабилизацию геля нагреванием и разукрупнение - протиранием через батистовую ткань. Полученный гель гидроксида алюминия имеет сорбционную ёмкость (в фармацевтической промышленности её называют коэффициентом сорбционной активности - КСА) 400 мг красителя конго красного на 1 г Al2O3, что значительно ниже возможной для этого адъюванта сорбционной ёмкости.

Предложен непрерывный процесс получения геля гидроксида алюминия [5], но он не применяется из-за сложности аппаратурного оформления.

Известно, что сорбционные свойства гидроксидов зависят от многих факторов: природы реагентов, концентрации и скорости смешивания исходных растворов, температуры и pH среды при осаждении и др. [8]. В данной работе изучена зависимость сорбционной ёмкости гидроксида алюминия от порядка смешивания исходных растворов, температуры и pH среды, а также влияние на сорбционную ёмкость некоторых органических жидкостей в качестве среды при выдержке геля после осаждения.

Для получения гидроксида алюминия использовали кристаллогидрат сульфата алюминия Al2(SO4)3∙18H2O и раствор аммиака квалификации «ч.д.а.». Коэффициент сорбционной активности определяли с помощью каллибровочной кривой, построенной по результатам определения на фотоколориметре оптической плотности раствора с известным содержанием красителя конго красного. Для замеров КСА брали по 5 мл суспензии, содержание оксида алюминия в которой определяли в параллельных пробах весовым методом после прокаливания отфильтрованного осадка до постоянного веса. Суспензию смешивали с 10 мл водного раствора конго красного, который готовили следующим образом: к 1, 2, 3, 4 или 5 мл (в зависимости от ожидаемого КСА) 0,1 %-го раствора красителя добавляли 1 мл фосфатного буферного раствора и 10 мл воды. Смесь суспензии и раствора красителя перемешивали 20 мин для завершения процесса сорбции, фильтровали через фильтр «синяя лента», после чего фильтрат колориметрировали. По уменьшению концентрации красителя рассчитывали КСА (мг конго красного на 1 г Al2O3). Максимальная погрешность определения КСА этим методом составляет ±2 %. Дисперсность частиц оценивали по интенсивности света, проходящего через суспензию и определяемого на фотоколориметре [3]. При разведении суспензий до одинаковой концентрации интенсивность проходящего света зависит только от дисперсности геля; увеличение интенсивности рассеянного света означает рост размеров частиц гидроксида. Вязкость суспензии (относительно воды) определяли на вискозиметре Оствальда.

1. Метод обратного осаждения

Для получения гидроксида алюминия был применен метод обратного осаждения, эффективность которого показана в технологии сорбентов и катализаторов [1]. При обратном осаждении образование осадка происходит в условиях, далеких от равновесия, что увеличивает дисперсность, удельную поверхность и сорбционную активность продукта. Мы получали гидроксид алюминия приливанием одномолярного раствора сульфата алюминия к 10 %-му раствору аммиака. Время выдержки в маточном растворе (14 сут) и число промывок декантацией (14) во всех опытах были одинаковыми, но изменялись температура сливаемых растворов и рH в конце осаждения. Свойства гидроксида алюминия при его получении методом обратного осаждения приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1 Влияние температуры и рH на свойства гидроксида алюминия при получении его методом обратного осаждения

 

T, °С

 

pH

Содержание Al2O3в суспензии, мас. %

Дисперсностьсуспензии, отн. ед.

Вязкость суспензии, отн. ед.

КСА, мг/г

20

30

40

50

60

70

 

20

30

40

50

60

70

 

20

30

40

50

60

70

 

20

30

40

50

60

70

 

20

30

40

50

60

70

7,5

7,4

7,4

7,6

7,6

7,5

 

8,5

8,6

8,5

8,6

8,5

8,6

 

9,6

9,5

9,4

9,5

9,5

9,6

 

10,3

10,3

10,3

10,3

10,5

10,5

 

11,4

11,4

11,5

11,5

11,5

11,5

1,3

1,3

1,3

1,6

1,5

1,6

 

1,1

1,1

1,2

1,2

1,7

1,6

 

1,8

1,7

1,7

1,7

1,8

1,8

 

2,0

2,1

2,2

2,2

1,9

1,6

 

2,7

2,5

2,5

2,1

2,0

2,7

1,2

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

 

1,5

1,3

1,3

1,3

1,5

1,6

 

1,3

1,2

1,2

1,2

1,4

1,5

 

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

 

2,0

1,8

1,6

1,5

1,4

1,4

1,20

1,20

1,22

1,23

1,23

1,23

 

1,38

1,34

1,30

1,30

1,37

1,35

 

1,26

1,26

1,23

1,21

1,20

1,18

 

1,23

1,23

1,16

1,16

1,20

1,23

 

1,08

1,06

1,02

1,10

1,12

1,13

400

430

450

350

250

180

 

210

300

350

330

240

180

 

220

350

400

370

310

200

 

250

310

360

400

450

500

 

80

100

130

180

220

150

Из таблицы 1 видно, что при pH от 7,5 до 9,5 повышение температуры приводит к увеличению концентрации и дисперсности суспензии, а значение КСА проходит через максимум при 40 °С. При pH 10,3-10,5 влияние температуры становится другим: при 40-50 °С концентрация суспензии проходит через максимум, вязкость через минимум, дисперсность от температуры не зависит, а значение и КСА с повышением температуры увеличивается и достигает максимальной величины 500 мг/г при 70 ºС. При pH 11,4-11,5 сорбционная активность гидроксида алюминия резко уменьшается.

Сложная зависимость свойств гидроксида алюминия от условий его получения объясняется тем, что формула Al(OH)3 для этого вещества условна. В действительности осаждаемый из растворов солей гелеобразный продукт содержит химически связанную воду (донорно-акцепторное взаимодействие, водородная связь), количество которой зависит от условий осаждения и изменяется при выдержке в маточном растворе; при этом изменяется не только состав (содержание воды), но и строение вещества [4]. Можно предполагать, что высокая сорбционная активность в четвёртой серии опытов (500 мг/г) при 70 °С и рН 10,5 объясняется образованием высокодисперсного бемита [2], а резкое уменьшение активности при pH 11,4-11,5 - кристаллизацией геля [4].

Свойства гидроксида алюминия, полученного методом обратного осаждения при оптимальных условиях (Т = 70 °С, pH = 10,5), изменяются в зависимости от числа промывок, то есть от содержания в нём сульфата аммония. В первые сутки после осаждения и в течение первых 5 промывок гидроксид алюминия грубодисперсный и малоактивный (КСА равен 90 мг/г), после 6-й промывки начинается его разрыхление, которое особенно заметно после 10-14 промывок, когда КСА достигает 500 мг/г. Активность контрольного непромытого образца после 14 суток выдержки в маточном растворе в 10 раз ниже. Таким образом, самая медленная стадия получения адъювантного гидроксида алюминия (промывка) является необходимой, так как она обеспечивает не только его чистоту, но и увеличение сорбционной ёмкости.

2. Выдержка суспензии в органических жидкостях

Изучена возможность увеличения сорбционной ёмкости гидроксида алюминия за счёт его выдержки после осаждения в органических жидкостях. Учитывая положительное влияние этанола, ацетона и уксусной кислоты при получении силикагеля [8], опыты проводили с этими веществами, используя их 90 и 45 %-е водные растворы. Органическую жидкость вводили сразу же после осаждения геля, каждые сутки перемешивали и отбирали пробы суспензии на анализ. Результаты исследования представлены в табл. 2.

Т а б л и ц а 2 Зависимость КСА гидроксида алюминия от продолжительности выдержки в органических жидкостях

Время выдержки, сутки

КСА при выдержке в воде,  мг/г

КСА (мг/г) при выдержке

в этаноле

в ацетоне

в уксусной кислоте

90 %

45 %

90 %

45 %

90 %

45 %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

90

90

100

110

120

140

180

230

270

320

400

450

480

500

-

-

-

-

-

-

80

130

180

250

300

320

350

400

450

500

550

600

640

700

720

750

770

790

810

820

30

40

70

80

90

100

110

120

130

150

160

180

190

200

230

280

320

360

400

430

50

120

180

200

250

300

330

380

420

460

480

500

550

650

-

-

-

-

-

-

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

180

190

200

200

210

230

250

260

1000

960

900

890

880

870

860

860

860

850

850

840

830

830

820

810

810

800

800

790

900

870

850

830

820

810

800

790

780

750

730

700

690

680

870

660

650

640

630

630

Из таблицы 2 видно, что при выдержке осаждённого гидроксида алюминия в спирте наблюдается увеличение КСА, значение которого в 90 %-м C2H5OH после 14 и 20 суток составляет 700 и 820 мг/г, соответственно.

При использовании ацетона коэффициент сорбционной активности увеличивается в меньшей степени, чем в спирте, но его значение в 90 %-м растворе ацетона выше (650 мг/г), чем при выдержке в воде (500 мг/г). При добавлении к суспензии уксусной кислоты КСА в первые сутки достигает очень высоких значений 900-1000 мг/г, который при дальнейшей выдержке постепенно уменьшается.

Влияние органических жидкостей на сорбционную активность гидроксида алюминия объясняется, вероятнее всего, их небольшим поверхностным натяжением. Такое явление наблюдается, например, в исследованиях по синтезу силикагеля [7], в которых установлено, что уменьшение поверхностного натяжения жидкой фазы приводит к увеличению сорбционной активности образующихся в ней гелеобразных осадков.

Выводы

  1. Исследованы два метода получения гидроксида алюминия, предназначенного для использования в составе лекарственных препаратов: обратное осаждение и выдержка после осаждения в органических жидкостях.
  2. Показана возможность повышения сорбционной ёмкости гидроксида алюминия на 25 % (до 500 мг/г) при его синтезе методом обратного осаждения - введением одномолярного раствора сульфата алюминия в 10 %-й раствор аммиака при 60-70 °С и рН 10,0-10,5.
  3. Установлено, что выдержка суспензии свежеосаждённого гидроксида алюминия в органических жидкостях с низким поверхностным натяжением - в этаноле, ацетоне и уксусной кислоте - приводит к увеличению сорбционной ёмкости продукта до 700-800 мг/г.

Рецензенты:

  • Саркисов Юрий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск.
  • Лотов Василий Агафонович, доктор технических наук, профессор кафедры силикатов и наноматериалов ГОУ ВПО «Научно-исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.