聚合氯化鋁絮凝劑的制備

1、第34卷第6期2003年11月太原理工大學(xué)學(xué)報JOURNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYNov.2003文章編號:100729432(20030620741203聚合氯化鋁絮凝劑的制備張紅梅1,常宏宏2,李彥威2,魏文瓏2(1.山西綜合職業(yè)技術(shù)學(xué)院輕工分院,山西太原030013;2.太原理工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,山西太原030024摘要:介紹了一種高分子絮凝劑聚合氯化鋁的合成新工藝。該工藝以硫酸鋁、鋁化鈣和石灰為原料,引入硫酸根離子,產(chǎn)品的絮凝性能大大提高。關(guān)鍵詞:聚合氯化鋁;絮凝性能;制備中圖分類號:TQ314.253文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A在現(xiàn)代

2、用水和廢水處理混凝技術(shù)中,鋁鹽是應(yīng)用最廣泛的無機(jī)鹽類混凝劑。聚合鋁作為一類性能優(yōu)于普通鋁鹽的混凝劑,自20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用于水處理中,并在20世紀(jì)70年代中后期得到水處理界的普遍肯定,至20世紀(jì)80年代達(dá)到研究和應(yīng)用的鼎盛時期。聚合氯化鋁簡稱PAC,其化學(xué)通式為Al2(OHn Cl6-nm(1n5,m10,是一種新型高效無機(jī)高分子絮凝劑。PAC具有混凝能力強(qiáng),用量少,凈化性能高,適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn),凈化效果是傳統(tǒng)凈水劑硫酸鋁的35倍。PAC是介于AlCl3和Al(OH3之間的中間水解產(chǎn)物,常溫下有固體(白色和液體(無色兩種形態(tài)。固體產(chǎn)品具有吸附活性高、澄清泥少、時間短、適應(yīng)p H值范圍寬、不需

3、助凝劑和不受水溫影響等優(yōu)點(diǎn)。PAC現(xiàn)已被廣泛用于凈水處理和工業(yè)廢水的處理。還可用于制革的鞣軟劑、造紙的施膠劑、印染的漂染劑、精密鑄造的硬化劑、耐火材料的粘結(jié)劑等1。國內(nèi)外制備PAC的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中,按所用原料的不同,大致可分為金屬鋁(包括鋁灰、鋁渣法、活性氫氧化鋁法、三氧化鋁(包括鋁礬土、煤矸石等法等。傳統(tǒng)PAC合成工藝及所得聚鋁產(chǎn)品分別有其優(yōu)缺點(diǎn)224。如采用鋁礬礦和鋁灰法雖一步合成且成本低,但由于原料雜質(zhì)含量高,導(dǎo)致聚鋁產(chǎn)品含雜質(zhì)較多,降低了產(chǎn)品的品位,限制了使用范圍;氫氧化鋁酸解法一般采用兩種酸(硫酸和鹽酸,對設(shè)備腐蝕大,產(chǎn)品中SO42-含量高;加壓法和電解法能耗大,對設(shè)備要求高,操作條

4、件苛刻。硫酸鋁法是目前開發(fā)出的一種生產(chǎn)PAC的新工藝,所用原料為硫酸鋁、氯化鈣和氧化鈣。生產(chǎn)過程可分三步進(jìn)行:首先為硫酸鋁與氯化鈣的沉淀反應(yīng);其次再加入氧化鈣來調(diào)節(jié)溶液的p H值,進(jìn)而起到控制鹽基度的目的;最后將溶液過濾,濾液進(jìn)行熟化,即可得到液體PAC.隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高,PAC 的用途和用量正日益擴(kuò)大。因此,對其合成工藝進(jìn)行研究是十分必要的。1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原料十八水合硫酸鋁(分析純,純度99.0%,上海金山區(qū)興塔化工廠;無水氯化鈣(分析純,純度96.0%,上海華東工學(xué)院芳莊第三助劑廠;氧化鈣(化學(xué)純,純度95.0%,北京化工廠。1.2實(shí)驗(yàn)方法整個合成過程的主要反應(yīng)如下

5、。沉淀反應(yīng):Al2(SO43+3CaCl2=3CaSO4+2AlCl3;熟化反應(yīng):Al(OH2Cl Al2(OH4Cl2Al2(OH5Cl2Al2(OH4Cl23Al2(OHn Cl6-nm.收稿日期:2003204209作者簡介:張紅梅(1967-,女,山西臨猗人,講師,碩士生,主要從事精細(xì)化工研究。將配制好的硫酸鋁溶液加入三口燒瓶中,水浴加熱至近沸,攪拌,將氯化鈣溶液以一定加料速度加入三口燒瓶,此時溶液呈黃色懸濁液;停止加熱,攪拌下將溶液冷卻至4560,并維持此溫度,用角匙將氧化鈣粉末以一定加料速度加入三口燒瓶,調(diào)節(jié)p H 值至2.53.0,此時溶液呈白色懸濁液;將上述懸濁液倒入吸濾瓶漏斗

6、進(jìn)行吸濾,然后將濾液倒回干凈的三口燒瓶進(jìn)行熟化,便可得到粘稠的淺黃色液體,即為液體聚鋁。其熟化溫度控制為4560,熟化時間為35h.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論在加入CaCl 2和CaO 過程中,必須要有適宜的溫度。溫度太低,CaSO 4沉淀量較多,易吸附更多的Al 3+,從而引起鋁損失;溫度太高,則Al 3+易水解,特別是加入CaO 后,反應(yīng)體系呈堿性,水解更易進(jìn)行。在相同條件下,通過實(shí)驗(yàn)測定Al 3+的水解率來確定體系反應(yīng)溫度 。圖1加入CaCl 2 后反應(yīng)體系溫度與水解率的關(guān)系圖2加入CaO 后反應(yīng)體系溫度與水解率的關(guān)系如圖1,圖2所示,為反應(yīng)體系分別加入CaCl 2在一定條件下,通過CaCl 2和

7、CaO 投料比的實(shí)驗(yàn),確定投料比與鹽基度及含量的關(guān)系,見圖3以及圖 4.圖3 投料比與鹽基度之間的關(guān)系圖4投料比與硫酸根含量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)過程中,CaO 與H 2O 反應(yīng)生成Ca (OH 2,然后Ca (OH 2與Al 2(SO 43反應(yīng),并引入OH -,起到調(diào)節(jié)p H 值的作用。若先將CaO 配成Ca (OH 2溶液加入三口燒瓶中,由于帶入一部分H 2O ,會加快AlCl 3水解程度,使p H 值增大,生成Al (OH 3沉淀,使溶液中Al 3+量減少,而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此,可將粉末狀CaO 直接加入進(jìn)行反應(yīng),促熟化過程是聚鋁產(chǎn)品大分子框架結(jié)構(gòu)形成的過程,是產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)控制的關(guān)鍵步驟。熟化溫

8、度和熟化時間是熟化反應(yīng)兩個重要條件。熟化溫度過低,熟化時間必然過長,反應(yīng)周期長;熟化溫度過高,會引起水解,形成Al (OH 3沉淀沉降下來,降低產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),得到較佳的熟化條件為:熟本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行11次操作,相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知,配料比不同,就會有不同的產(chǎn)品質(zhì)量。由于反應(yīng)生成的CaSO 4能夠吸附溶液中的Al 3+,使產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此,CaCl 2和CaO 的加入247太原理工大學(xué)學(xué)報第34卷速度不可太慢,二者加入時間均為20min.反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時間的差異也將導(dǎo)致產(chǎn)品中Al2O3含量和鹽基度有所不同。由表1可見,三種原料的最佳摩爾比為131.實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),不同的配料

9、比對反應(yīng)體系的p H值影響不同,適宜的p H值為2.03.0.這一結(jié)論與文獻(xiàn)5一致。表1Al2(SO43,CaCl2,CaO摩爾比對反應(yīng)的影響序號Al2(SO43,CaCl2,CaO的摩爾比Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%鹽基度/%p H值3結(jié)論本實(shí)驗(yàn)以十八水硫酸鋁、氯化鈣、氧化鈣為原料,在一定反應(yīng)條件下制得液體聚合氯化鋁。以硫酸鋁為原料生產(chǎn)出的PAC要比用鋁灰為原料獲得的產(chǎn)品的藥效高2倍以上。而二者的制造成本卻相當(dāng),不同特點(diǎn)在于PAC結(jié)構(gòu)中引入了硫酸根離子,這樣會生成聚合度更高、電荷更低的多核配合物,故其絮凝性能更好。通過實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論。1本實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)條件如下。配料比:n(Al2(SO4318

10、H2On(CaCl2n (CaO=131;加入CaCl2溶液所用時間為20 min,反應(yīng)溫度90;加入CaO粉末所用時間為20 min,反應(yīng)溫度5060;熟化時間為45h,熟化溫度為4555.2加入CaO粉末過程中,應(yīng)適當(dāng)加熱,以保證反應(yīng)體系始終維持在5060.3過濾CaSO4時要迅速,因?yàn)殡S著溫度的降低,溶液將會凝結(jié)成大量水合固體而影響操作。4熟化過程敞口進(jìn)行。參考文獻(xiàn):1張永戰(zhàn),李建偉,丁毓怡.聚合氯化鋁生產(chǎn)方法評述J.河南化工,1994(8:8210.2湯鴻霄.無機(jī)高分子絮凝劑的幾點(diǎn)認(rèn)識J.工業(yè)水處理,1997,17(4:125.3林森樹,何偉光,李卓美.聚合氯化鋁水溶液中鋁存在形態(tài)的探

11、索J.水處理技術(shù),1991,17(3:1622165.4G B1589221995.水處理劑聚合氯化鋁S.5陸建剛.絮凝劑聚合氯化鋁的合成新工藝J.上?；?1996,21(3:20225.The Preparation of a Polymeric Aluminum Chloride FlocculantZHANG H ong2mei1,CHANG H ong2hong2,L I Yan2w ei2,WEI Wen2long2 (11The L ight Indust ry B ranch of S hanxi General V ocational College,Taiyuan030013,China;21College of Chemical Engineering&Technology of TU T,Taiyuan030024,ChinaAbstract:In this article,a new technology for the synthesis of polymeric aluminum chloride has been presented.Aluminum sulfate,calcium chloride and lime are taken as