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聚合氯化铝的合成方法
加入时间:2012/1/9 16:29:12 浏览
 
        聚合氯化铝(PAC)是近年来在水处理领域研究和应用较多的无机高分子絮凝剂。PAC在去除浊度和天然有机物时具有碱度消耗小、处理成本低廉、受温度影响小和污泥产量较少的优点而被广泛地应用于生活饮用水、工业给水处理、工业废水和生活污水的净化处理。另外在铸造、医药、制革、造纸等方面也得到广泛地应用。目前生产聚合氯化铝的方法较多,现介绍几种较流行的合成方法。
    1 聚合氯化铝的合成原料
    聚合氯化铝的合成原料很多,根据原料的来源,可大致分为3类:1)含铝矿石包括铝土矿、高岭土、黏土、煤矸石、焦宝石、明矾石等;2)工业废物包括铝屑、铝灰、铝渣、废铝箔、三氯化铝废水等;3)化工产品及中间体包括结晶氢氧化铝、三氯化铝、铝酸钠等。
    2 聚合氯化铝的合成方法
    PAC的合成方法按照原料的不同,可分为金属铝法、活性氢氧化铝法、三氧化二铝法、氯化铝法等。也可按照生产工艺的不同分为酸法、碱法、中和法、热解法、加压反应法、混凝胶法、电渗析法、电解法等。本文主要介绍聚合氯化铝的各种生产方法及主要工艺。
    2.1 金属铝法
    采用金属铝法合成PAC的原料主要为铝加工的下脚料,如铝屑、铝灰和铝渣等。在工艺上可分为酸法、碱法、中和法3种。由于碱法生产工艺难度较高,设备投资较大且用碱量大,还要大量盐酸中和至pH4-5,成本较高,现阶段其应用受到一定限制,所以不作过多地介绍。
    2.1.1 酸法
    酸法具有反应速度快、设备投资少、工艺简单、操作方便等优点,但溶液中的杂质含量偏高,尤其是重金属元素含量通常容易超标,产品质量不稳定,设备腐蚀较严重。
    以铝灰为例简要介绍其生产工艺。铝灰主要成分为铝,其生产工艺流程,见图1    此法工业生产多利用铝厂下脚料、机械加工废铝屑等。生产时经净化处理,控制投料比例、投料速度及酸浓度,可以进行自发热反应得到适宜的产品。
    2.1.2 中和法
    中和法的特点是综合了酸法和碱法两者的优点。中和法的关键在于合成PAC时,铝酸钠和三氯化铝溶液之间的配比必须严格控制,使盐基度达到标准要求。生产工艺流程见图2
    2.2氢氧化铝法
    氢氧化铝纯度高,合成的PAC重金属含量较低,但是由于氢氧化铝的酸溶性较差,一般采用加热加压酸溶的生产工艺。这种工艺相对比较简单,但生产的聚合氯化铝的盐基度较低,因此一般采用氢氧化铝加温加压酸溶和铝酸钙矿粉中和聚合等两道工序。工艺流程见图3
    2.3 三氧化二铝法
    含三氧化二铝的原料主要有三水铝石、铝钒土、高岭土、煤矸石等。该生产工艺可分为两步:第一步是得到结晶氯化铝,第二步是通过热解法或中和法得到PAC。工艺流程见图4
    2.4 氯化铝法
    以三氯化铝为原料合成PAC一般有3种方法:中和法、电化学法和热分解法。
    2.4.1 中和法
A1Cl3溶液中加入烧碱、石灰石、碳酸钠等碱.性物质提高OH-浓度,以促进A1Cl3不断水解。不同加碱量可得到不同盐基度的PAC溶液。此法生产的PAC适于在对水中Cl-含量及硬度要求不高的企业使用。
    2.4.2 电化学法
    科学家研究表明,Al13Alb(化学式为Al13O4(OH)247+形态是PAC中最有效的形态,采用有效的方法获得高含量的Alb。形态聚合物已成为PAC研究与制备的主要目标。而电化学法是一种有效的方法。以氯化铝为原料利用电化学合成PAC可采用2种方法:一种是采用可溶解性铝阳极电解法;另一种是采用惰性电极的电渗析法。
    1)电解法
    Paul M Bertsc研究表明,Al(OH)4-是生成Alb形态的前驱物,而电解法能克服化学法制备过程中产生Al(OH)4-相斥不易聚合成A1b。形态的缺点。采用电解法可以制备出高碱化度、高A1b含量、性能稳定的聚合氯化铝产品。
在特定的电解槽中,以氯化铝溶液作电解液,金属铝作阳极,通直流电解。控制一定条件使阳极铝逐渐溶解,而不析出氧气或氯气,阴极氢不断析出,而不沉淀出铝,从而创造出有利于如下反应进行的条件:
AlH2OAlC13 Alm(OH)nC13m-nH2
    Alm(OH)nC13m-n继续水解为Al(OH)3。因此,通过控制适当的电极条件和溶液化学条件,即可控制铝溶出和OH-生成的速度,进而控制如下铝离子的水解-聚合-沉淀过程:
Al3+ Ala Alb AlcAl(OH)3
    为生成所需要的含最佳絮凝形态的聚合铝,应使其最大限度地停留在A1b(Al13)阶段。
    2)电渗析法
    路光杰等利用两张阴离子交换(异相)膜将电解槽分隔成3个室,分别是阳极室、反应室和阴极室。根据预制的产品铝含量和碱化度,将一定浓度的三氯化铝溶液加入到电解槽的反应室内。阳极室内为三氯化铝溶液或硫酸钠溶液,阴极室内为氢氧化钠溶液。石墨板(或钛钉网)等惰性电极为阳极,多孔铁板(或铂板)等为阴极。电渗析法合成聚合氯化铝原理见图5
    电化学反应的原理:
    阳极室反应:
C1-e1/2C12
    阴极室反应:
H2Oe-----OH-+1/2H2
    反应室内的化学反应:
nOHmAlCl3 Alm(OH)nC13m-n nCl-
    反应发生时,在直流电场的作用下,阴极室内的阴离子(OH-)透过阴离子交换膜向阳极方向作迁移进入反应室与A13+溶液发生中和反应,从而生成PAC的水溶液,与此同时,反应室内的部分Cl-在正电场的作用下向阳极室迁移。在上述电迁移过程中,由于电解槽采用两张阴离子交换膜,这种膜的特点是只允许阴离子选择性透过,而不允许阳离子透过,所以阳极室和反应室内阳离子(Na+Al3+)都不会透过阴离子交换膜而进入相邻的反应室或阴极室内。在整个反应系统中,形成了一条只有阴离子迁移的通路。
    2.4.3 热分解法
    加热条件下,A1C13,分解进行到底可生成Al2O3HCl。如控制热分解进程,可得到介于A1C13A12O3之间的一系列中间产物,即不同盐基度的PAC。其热分解可看作是在加热条件下配位水发生的水解反应,反应式如下:
    [A1(H2O)6]Cl13A1(H2O)5(OH)Cl2HCl
    A1(H2O)5(OH)Cl2[A1(H2O)4(OH)2]ClHCl
    [A1(H2O)4(OH)2]Cl[A1(H2O)3(OH)3]HCl
    2[A1(H2O)3(OH)3]Al2O3+9H2O
    此法又可分为湿式和干式。湿式受分解温度限制,成品的盐基度一般较低,效率也低。干式用结晶A1C13热分解,可得任意盐基度的产品,克服了湿式法的不足,但产品溶解性差。
    3 PAC的发展趋势
    PAC以其优良的性能、宽适用范围、低成本而得到广泛地应用。在使用中,单一药剂的使用往往受到一些制约,不同的药剂具有各异的优良性能。为了取长补短,人们对PAC作了许多改进研究。第一,在PAC生产中引入一种或更多的阳离子及阴离子,在一定程度上改变其形态结构分布。第二,根据协同增效原理,将PAC与一种或更多的其他化合物复合,制得一类新型高效混凝剂。第三,聚合铝盐——有机高分子复配体系用于水处理,大有方兴未艾之势,共聚生成的新型高聚物兼具无机、有机高分子絮凝剂的特点,既具有中和电荷作用,又具有长链大分子强烈的拖拉、网捕作用,从而成为新生代的高效混凝剂。这是PAC领域内的重要课题之一。
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