聚合氯化鋁的合成方法

1、聚合氯化鋁的合成方法聚合氯化鋁（PAC）是近年來在水處理領域研究和應用較多的無機高分子絮凝 劑。PAC在去除濁度和天然有機物時具有堿度消耗小、處理成本低廉、受溫度影 響小和污泥產(chǎn)量較少的優(yōu)點而被廣泛地應用于生活飲用水、工業(yè)給水處理、工業(yè) 廢水和生活污水的凈化處理。另外在鑄造、醫(yī)藥、制革、造紙等方面也得到廣泛 地應用。目前生產(chǎn)聚合氯化鋁的方法較多，現(xiàn)介紹幾種較流行的合成方法。1聚合氯化鋁的合成原料聚合氯化鋁的合成原料很多，根據(jù)原料的來源，可大致分為3類：1）含鋁礦 石包括鋁土礦、高嶺土、黏土、煤砰石、焦寶石、明磯石等；2）工業(yè)廢物包括鋁 屑、鋁灰、鋁渣、廢鋁箔、三氯化鋁廢水等；3）化工產(chǎn)品及中間

2、體包括結晶氫氧 化鋁、二氯化鋁、鋁酸鈉等。2聚合氯化鋁的合成方法PAC的合成方法按照原料的不同，可分為金屬鋁法、活性氫氧化鋁法、二氧 化二鋁法、氯化鋁法等。也可按照生產(chǎn)工藝的不同分為酸法、堿法、中和法、熱 解法、加壓反應法、混凝膠法、電滲析法、電解法等。本文主要介紹聚合氯化鋁 的各種生產(chǎn)方法及主要工藝。2.1金屬鋁法采用金屬鋁法合成PAC的原料主要為鋁加工的下腳料，如鋁屑、鋁灰和鋁渣 等。在工藝上可分為酸法、堿法、中和法3種。由于堿法生產(chǎn)工藝難度較高，設 備投資較大且用堿量大，還要大量鹽酸中和至pH： 4-5，成本較高，現(xiàn)階段其應 用受到一定限制，所以不作過多地介紹。2.1.1酸法酸法具有反應

3、速度快、設備投資少、工藝簡單、操作方便等優(yōu)點，但溶液中 的雜質含量偏高，尤其是重金屬元素含量通常容易超標，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，設備 腐蝕較嚴重。以鋁灰為例簡要介紹其生產(chǎn)工藝。鋁灰主要成分為鋁，其生產(chǎn)工藝流程，見 圖1。 此法工業(yè)生產(chǎn)多利用鋁廠下腳料、機械加工廢鋁屑等。生產(chǎn)時經(jīng)凈化 處理，控制投料比例、投料速度及酸濃度，可以進行自發(fā)熱反應得到適宜的產(chǎn)品。2.1.2 中和法中和法的特點是綜合了酸法和堿法兩者的優(yōu)點。中和法的關鍵在于合成PAC 時，鋁酸鈉和二氯化鋁溶液之間的配比必須嚴格控制，使鹽基度達到標準要求。 生產(chǎn)工藝流程見圖2。2.2氫氧化鋁法氫氧化鋁純度高，合成的PAC重金屬含量較低，但是由于氫

4、氧化鋁的酸溶性 較差，一般采用加熱加壓酸溶的生產(chǎn)工藝。這種工藝相對比較簡單，但生產(chǎn)的聚 合氯化鋁的鹽基度較低，因此一般采用氫氧化鋁加溫加壓酸溶和鋁酸鈣礦粉中和 聚合等兩道工序。工藝流程見圖3。2.3 二氧化二鋁法含二氧化二鋁的原料主要有三水鋁石、鋁釩土、高嶺土、煤砰石等。該生產(chǎn) 工藝可分為兩步：第一步是得到結晶氯化鋁，第二步是通過熱解法或中和法得到 PACOX藝流程見圖4。2.4氯化鋁法以二氯化鋁為原料合成PAC 一般有3種方法：中和法、電化學法和熱分解法。2.4.1 中和法在A1C1溶液中加入燒堿、石灰石、碳酸鈉等堿.性物質提高OH-濃度，以促 進A1Cl3不斷水解。不同加堿量可得到不同鹽基

5、度的PAC溶液。此法生產(chǎn)的PAC 適于在對水中Cl-含量及硬度要求不高的企業(yè)使用。2.4.2電化學法科學家研究表明，Al1或Alb(化學式為Al 3O (OH) 247+形態(tài)是PAC中最有效的 形態(tài)，采用有效的方法獲得高含量的Al。形態(tài)聚合物已成為PAC研究與制備的 主要目標。而電化學法是一種有效的方法。以氯化鋁為原料利用電化學合成PAC 可采用2種方法：一種是采用可溶解性鋁陽極電解法；另一種是采用惰性電極的 電滲析法。電解法Paul M Bertsc研究表明，Al(OH)-是生成Al形態(tài)的前驅物，而電解法能克 服化學法制備過程中產(chǎn)生Al(OH)-相斥4不易聚合成人1。形態(tài)的缺點。采用電解 法

6、可以制備出高堿化度、高A1含量、性能穩(wěn)定的聚合氯化鋁產(chǎn)品。在特定的電解槽中，以氯化鋁溶液作電解液，金屬鋁作陽極，通直流電解。 控制一定條件使陽極鋁逐漸溶解，而不析出氧氣或氯氣，陰極氫不斷析出，而不 沉淀出鋁，從而創(chuàng)造出有利于如下反應進行的條件：Al+HO+AlC1 Al (OH) C1 +H tai (oH) C1繼續(xù)水解為Al (OH)。2因此，通過控制適當?shù)碾姌O條件和溶液 化學條件，即可控制鋁溶出和OH-生成的速度，進而控制如下鋁離子的水解-聚合 -沉淀過程：Al3+ 一Al 一Al 一Al 一Al(OH) !為生成所需要時含最佳絮凝形態(tài)的聚合鋁，應使其最大限度地停留在 A1b(Al13)

7、階段。電滲析法路光杰等利用兩張陰離子交換(異相)膜將電解槽分隔成3個室，分別是陽極 室、反應室和陰極室。根據(jù)預制的產(chǎn)品鋁含量和堿化度，將一定濃度的三氯化鋁 溶液加入到電解槽的反應室內(nèi)。陽極室內(nèi)為三氯化鋁溶液或硫酸鈉溶液，陰極室 內(nèi)為氫氧化鈉溶液。石墨板(或鈦釘網(wǎng))等惰性電極為陽極，多孔鐵板(或伯板) 等為陰極。電滲析法合成聚合氯化鋁原理見圖5。電化學反應的原理：陽極室反應：C1- e1/2= t陰極室反應：2HO+eOH-+1/2H t反應室內(nèi)的化學反應：nOH+mAlCl Al (OH) C1 +nCl-反應發(fā)生時在直流電甥的作用下，陰極室內(nèi)的陰離子(OH-)透過陰離子交 換膜向陽極方向作遷

8、移進入反應室與A13+溶液發(fā)生中和反應，從而生成PAC的水 溶液，與此同時，反應室內(nèi)的部分Cl-在正電場的作用下向陽極室遷移。在上述 電遷移過程中，由于電解槽采用兩張陰離子交換膜，這種膜的特點是只允許陰離 子選擇性透過，而不允許陽離子透過，所以陽極室和反應室內(nèi)陽離子(如Na+或 Al3+)都不會透過陰離子交換膜而進入相鄰的反應室或陰極室內(nèi)。在整個反應系統(tǒng) 中，形成了一條只有陰離子遷移的通路。2.4.3熱分解法加熱條件下，A1C1，分解進行到底可生成Al O和HCl。如控制熱分解進程， 可得到介于A1C1和A13O之間的一系列中間產(chǎn)物，2即不同鹽基度的PAC。其熱分 解可看作是在加熱條件下配位水

9、發(fā)生的水解反應，反應式如下： TOC o 1-5 h z A1(H O) :Cl fA1(HO) (OH)Cl +HCl 613A1(H O)(OH)Cl fA1(HO) (OH) : Cl+HCl,2 5 , 、 22, 4、 ， 2、A1(H O) (OH) ClfA1(HO) (OH) :+HCl2422332A1(H O) (OH) fAl O+9HO23. 一 3 一 23 一 2一.、 一、 .此法又可分為濕式和干式。濕式受分解溫度限制，成品的鹽基度一般較低， 效率也低。干式用結晶A1C1熱分解，可得任意鹽基度的產(chǎn)品，克服了濕式法的 不足，但產(chǎn)品溶解性差。33 PAC的發(fā)展趨勢PAC以其優(yōu)良的性能、寬適用范圍、低成本而得到廣泛地應用。在使用中， 單一藥劑的使用往往受到一些制約，不同的藥劑具有各異的優(yōu)良性能。為了取長 補短，人們對PAC作了許多改進研究。第一，在PAC生產(chǎn)中引入一種或更多的陽 離子及陰離子，在一定程度上改變其形態(tài)結構分布。第二，根據(jù)協(xié)同增效原理， 將PAC與