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提高聚合氯化鋁鹽基度方法

     從理論上分析了用氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈉和鋁酸鈉提高聚合氯化鋁鹽基度的可行性, 同時(shí)對(duì)各種方法的利弊進(jìn)行了對(duì)比分析。重點(diǎn)對(duì)應(yīng)用鋁屑提高聚合氯化鋁鹽基度的方法進(jìn)行了理論分析, 不僅增加了聚合氯化鋁的有效成份含量, 同時(shí)給出了各物料間的定量關(guān)系, 完全可以指導(dǎo)生產(chǎn)。

     1、聚合氯化鋁

     無(wú)機(jī)高分子聚合氯化鋁與傳統(tǒng)鋁鹽和鐵鹽混凝劑相比, 具有投藥量小、絮凝體形成速度快、顆粒密實(shí)、沉降速度快等特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于工業(yè)用水、飲用水及污水處理方面, 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
     聚合氯化鋁可以看作是氯化鋁水解反應(yīng)的中間體，是由水合鋁離子在不同的pH值條件下，通過(guò)羥基和氧原子的架橋作用形成的具有一定聚合度的聚合鋁離子，其聚合度和分子量尚不能測(cè)定，通常以鹽基度或堿化度B(B為聚合鋁中羥基與3倍鋁離子的摩爾比值)衡量。一般來(lái)說(shuō)聚合鋁的鹽基度應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以使絮凝效果達(dá)到最優(yōu)，又使工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。隨B值不斷增大，聚合鋁中聚合鋁離子Al₁₃(OH)⁷⁺₃₂、Al₁₀(OH)³⁺₂₂的Al₁₃O₄(OH)⁷⁺₂₄等含量不斷增多。聚合鋁離子具有較強(qiáng)的架橋絮凝能力, 尤其是處理低溫、低濁度水時(shí)效果很明顯; 如果B值高于75% , 則聚合鋁離子很容易發(fā)生水解形成不溶性氫氧化鋁沉淀，失出絮凝作用。因此生產(chǎn)中將聚合氯化鋁的鹽基度控制在45% ～65%范圍內(nèi)比較合適。

     根據(jù)不同的含鋁原料有不同的聚合氯化鋁生產(chǎn)工藝。主要有鋁礬土和煤矸石分步酸溶法、鋁灰酸溶法以及氫氧化鋁加壓酸溶法等。鋁灰酸溶法, 一次酸溶就可制成鹽基度高于60%的產(chǎn)品, 但由于工業(yè)鋁灰中雜質(zhì)太多, 在飲用水處理中應(yīng)用受到限制。利用鋁礬土和煤矸石生產(chǎn)時(shí), 由于這些原料中Al₂O₃的溶出困難, 即使加壓溶解, Al₂O₃的含量也不高, 一次酸溶法聚合鋁鹽基度僅在20%～40% , 很難達(dá)到40%以上。

     2、調(diào)整鹽基度的方法

     為了提高產(chǎn)品中聚合鋁離子的羥基含量或者說(shuō)提高鹽基度, 目前多采用氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰等進(jìn)行調(diào)整, 使低鹽基度產(chǎn)品酸性降低, 加羥基橋聯(lián)提高鹽基度。例如可將聚合鋁的鹽基度由33%提高到50% , 方程式如下:
        Al₂(OH)₂Cl₄+NaOH＝Al₂(OH)₃Cl₃+NaCl（1）
        2Al₂(OH)₂Cl₄+Na₂CO₃+H₂O＝2Al₂(OH)₃Cl₃+2NaCl+CO₂（2）
        2Al₂(OH)₂Cl₄+Ca(OH)₂＝Al₂(OH)₃Cl₃+CaCl₂（3）

     上述三種物質(zhì)都可以用來(lái)提高鹽基度，聚合鋁與氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰水反應(yīng)的摩爾比分別為 1∶1，1∶0.5，1∶0.5，堿的化合價(jià)越高，分子量越小，提高相同值的鹽基度時(shí)所用的堿量就越小，另外生成的副產(chǎn)物氯化鈉或氯化鈣無(wú)法與聚合氯化鋁分離。它們不僅會(huì)降低聚合物中的有效成分，還會(huì)增大固體產(chǎn)品的吸濕性和后處理的難度。因此在調(diào)整鹽基度時(shí)要求加入的堿應(yīng)盡可能含較多的氫氧根，同時(shí)引入的副產(chǎn)物盡量少，保證不會(huì)引起聚合氯化鋁性能的變化。

     鋁酸鈉是一種含鋁的弱堿，也可以用來(lái)調(diào)整聚合氯化鋁的鹽基度:

    2.5Al₂(OH)₂Cl₄+NaAl(OH)₄＝3Al(OH)₃Cl₃+NaCl（4）

    由上述反應(yīng)可知，利用鋁酸鈉調(diào)整可將聚合氯化鋁的產(chǎn)量提高16.7%，而副產(chǎn)物氯化鈉的量?jī)H是氫氧化鈉和碳酸鈉的40% 。因此用鋁酸鈉調(diào)整鹽基度是比較理想的。

    低鹽基度聚合氯化鋁溶液仍是一種酸性比較強(qiáng)的液體，它可以與鋁屑發(fā)生作用，生成氫氣和高鹽基度聚合氯化鋁, 反應(yīng)方程式如下:     
    Al₂(OH)_nCl_5-n+2_mAl+6_mH2O →A_2+2m(OH)_n+6_mCl_5-n+ 3_mH2↑（5）     

    調(diào)整后的鹽基度為B       
    B=n+6_m/3(2+2_m)×100%（6）   

    利用鋁屑可以將鹽基度調(diào)整到75%，同時(shí)不會(huì)將任何副產(chǎn)物引入產(chǎn)品，既可以提高鹽基度，也可以增加氧化鋁含量。在采用此法時(shí)，必須妥善處理好氫氣的排放, 以免引起爆炸。

    3、物料計(jì)算與調(diào)整方法
    設(shè)低鹽基度聚合氯化鋁的指標(biāo)為:Al₂O₃為18%，鹽基度B為40%，根據(jù)聚合氯化鋁的分子式Al₂(OH)_nCl_6-n可知:B=n/6×100%=40%，則n=2.4。因此分子式為Al₂(OH)_2.4Cl_3.6，根據(jù)鹽基度定義和方程式（5） ，在達(dá)到要調(diào)整的鹽基度B時(shí), 物料的定量反應(yīng)關(guān)系式（6）式計(jì)算:B=n+6m/3(2+2m)×100%  
    如果調(diào)整后鹽基度 B=70% , 則         

    B=n+6_m/3(2+2_m)×100%=70% ，解出 m= 1 
    因此，以鹽基度40%的聚合氯化鋁與鋁屑作用的反應(yīng)方程式為: 
    Al₂(OH)_2.4Cl_3.6+2Al+6H₂O →Al₄(OH)_8.4Cl_3.6+3H₂↑（7） 
    根據(jù)方程式（7）就可計(jì)算出調(diào)整定量聚合氯化鋁鹽基度所需鋁屑的量。如設(shè)1000g低鹽基度聚合氯化鋁中含氧化鋁量和含鋁量分別為M₁和M₂。      
    M₁(Al₂O₃)=1000×18%=180g  
    M₂(Al)=180 ×(27×2)/(27×2+16×3)×1/27= 3.53mol  
    按式（7）所需鋁屑的量M3為:         

    M₃ = 3.53/2×27×2×1=95. 31g  
    即95.31g鋁屑與上述溶液反應(yīng)，就可以將鹽基度提高70% 。同時(shí)，上述例題中若將鹽基度提高到60% 時(shí), 解出m=0.5，需加鋁屑量M3為       
    M3= 3.53/2×27×2×0.5=47. 66g  
    另外利用方程式（7）還可以計(jì)算定量的聚合氯化鋁與定量鋁屑反應(yīng)后產(chǎn)物的鹽基度。
    1000g上述溶液與150g鋁屑反應(yīng)，根據(jù)方程式（8）可以計(jì)算B，上述溶液中含聚合氯化鋁的量為: 

    Al₂(OH)_2.4Cl_3.6+2_mAl+6_mH2O →Al₂+_2m(OH)_2.4+6_mCl_3.6+3_mH2↑（8）    

    1000×18%×(2 × 27)/ (2×27+3×16)/(2×27)=1.765mol     

    按方程式( 8) 反應(yīng)時(shí):         

    m =150/(2×27×1.765)=1.574mol      則：B=(2.4+6×1.574)/3(2+2×1.574)×100%=76.7%     
    在調(diào)整鹽基度時(shí)對(duì)于定量的聚合氯化鋁，即可以計(jì)算達(dá)到所需鹽基度時(shí)投加鋁屑的量，也可以預(yù)測(cè)加定量鋁屑后最終反應(yīng)產(chǎn)物的鹽基度。理論計(jì)算值與實(shí)際加鋁定值間誤差不超過(guò)1%，調(diào)整聚合鋁鹽基度時(shí)應(yīng)加適量的水，控制最終產(chǎn)品中三氧化二鋁的濃度不要超過(guò)20%，濃度過(guò)大容易出現(xiàn)混濁沉淀。

    4、結(jié)論

    利用鋁屑法提高聚合氯化鋁的鹽基度具有操作簡(jiǎn)單，容易控制，鋁屑利用率高、高鹽基度產(chǎn)品穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可以廣泛用于低鹽基度產(chǎn)品的性能提高。