提高聚合氯化铝盐基度方法

 提高聚合氯化铝盐基度方法

     从理论上分析了用氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠和铝酸钠提高聚合氯化铝盐基度的可行性, 同时对各种方法的利弊进行了对比分析。重点对应用铝屑提高聚合氯化铝盐基度的方法进行了理论分析, 不仅增加了聚合氯化铝的有效成份含量, 同时给出了各物料间的定量关系, 完全可以指导生产。

     1、聚合氯化铝

     无机高分子聚合氯化铝与传统铝盐和铁盐混凝剂相比, 具有投药量小、絮凝体形成速度快、颗粒密实、沉降速度快等特点, 广泛应用于工业用水、饮用水及污水处理方面, 取得了良好的经济效益和社会效益。
     聚合氯化铝可以看作是氯化铝水解反应的中间体，是由水合铝离子在不同的pH值条件下，通过羟基和氧原子的架桥作用形成的具有一定聚合度的聚合铝离子，其聚合度和分子量尚不能测定，通常以盐基度或碱化度B(B为聚合铝中羟基与3倍铝离子的摩尔比值)衡量。一般来说聚合铝的盐基度应控制在适当的范围内，以使絮凝效果达到*优，又使工业化生产成为可能。随B值不断增大，聚合铝中聚合铝离子Al₁₃(OH)⁷⁺₃₂、Al₁₀(OH)³⁺₂₂的Al₁₃O₄(OH)⁷⁺₂₄等含量不断增多。聚合铝离子具有较强的架桥絮凝能力, 尤其是处理低温、低浊度水时效果很明显; 如果B值高于75% , 则聚合铝离子很容易发生水解形成不溶性氢氧化铝沉淀，失出絮凝作用。因此生产中将聚合氯化铝的盐基度控制在45% ～65%范围内比较合适。

     根据不同的含铝原料有不同的聚合氯化铝生产工艺。主要有铝矾土和煤矸石分步酸溶法、铝灰酸溶法以及氢氧化铝加压酸溶法等。铝灰酸溶法, 一次酸溶就可制成盐基度高于60%的产品, 但由于工业铝灰中杂质太多, 在饮用水处理中应用受到限制。利用铝矾土和煤矸石生产时, 由于这些原料中Al₂O₃的溶出困难, 即使加压溶解, Al₂O₃的含量也不高, 一次酸溶法聚合铝盐基度仅在20%～40% , 很难达到40%以上。

     2、调整盐基度的方法

     为了提高产品中聚合铝离子的羟基含量或者说提高盐基度, 目前多采用氢氧化钠、碳酸钠、石灰等进行调整, 使低盐基度产品酸性降低, 加羟基桥联提高盐基度。例如可将聚合铝的盐基度由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）

     上述三种物质都可以用来提高盐基度，聚合铝与氢氧化钠、碳酸钠、石灰水反应的摩尔比分别为 1∶1，1∶0.5，1∶0.5，碱的化合价越高，分子量越小，提高相同值的盐基度时所用的碱量就越小，另外生成的副产物氯化钠或氯化钙无法与聚合氯化铝分离。它们不仅会降低聚合物中的有效成分，还会增大固体产品的吸湿性和后处理的难度。因此在调整盐基度时要求加入的碱应尽可能含较多的氢氧根，同时引入的副产物尽量少，保证不会引起聚合氯化铝性能的变化。

     铝酸钠是一种含铝的弱碱，也可以用来调整聚合氯化铝的盐基度:

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

    由上述反应可知，利用铝酸钠调整可将聚合氯化铝的产量提高16.7%，而副产物氯化钠的量仅是氢氧化钠和碳酸钠的40% 。因此用铝酸钠调整盐基度是比较理想的。

    低盐基度聚合氯化铝溶液仍是一种酸性比较强的液体，它可以与铝屑发生作用，生成氢气和高盐基度聚合氯化铝, 反应方程式如下:     
    Al₂(OH)_nCl_5-n+2_mAl+6_mH2O →A_2+2m(OH)_n+6_mCl_5-n+ 3_mH2↑（5）     

    调整后的盐基度为B       
    B=n+6_m/3(2+2_m)×100%（6）   

    利用铝屑可以将盐基度调整到75%，同时不会将任何副产物引入产品，既可以提高盐基度，也可以增加氧化铝含量。在采用此法时，必须妥善处理好氢气的排放, 以免引起爆炸。

    3、物料计算与调整方法
    设低盐基度聚合氯化铝的指标为:Al₂O₃为18%，盐基度B为40%，根据聚合氯化铝的分子式Al₂(OH)_nCl_6-n可知:B=n/6×100%=40%，则n=2.4。因此分子式为Al₂(OH)_2.4Cl_3.6，根据盐基度定义和方程式（5） ，在达到要调整的盐基度B时, 物料的定量反应关系式（6）式计算:B=n+6m/3(2+2m)×100%  
    如果调整后盐基度 B=70% , 则         

    B=n+6_m/3(2+2_m)×100%=70% ，解出 m= 1 
    因此，以盐基度40%的聚合氯化铝与铝屑作用的反应方程式为: 
    Al₂(OH)_2.4Cl_3.6+2Al+6H₂O →Al₄(OH)_8.4Cl_3.6+3H₂↑（7） 
    根据方程式（7）就可计算出调整定量聚合氯化铝盐基度所需铝屑的量。如设1000g低盐基度聚合氯化铝中含氧化铝量和含铝量分别为M₁和M₂。      
    M₁(Al₂O₃)=1000×18%=180g  
    M₂(Al)=180 ×(27×2)/(27×2+16×3)×1/27= 3.53mol  
    按式（7）所需铝屑的量M3为:         

    M₃ = 3.53/2×27×2×1=95. 31g  
    即95.31g铝屑与上述溶液反应，就可以将盐基度提高70% 。同时，上述例题中若将盐基度提高到60% 时, 解出m=0.5，需加铝屑量M3为       
    M3= 3.53/2×27×2×0.5=47. 66g  
    另外利用方程式（7）还可以计算定量的聚合氯化铝与定量铝屑反应后产物的盐基度。
    1000g上述溶液与150g铝屑反应，根据方程式（8）可以计算B，上述溶液中含聚合氯化铝的量为: 

    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) 反应时:         

    m =150/(2×27×1.765)=1.574mol      则：B=(2.4+6×1.574)/3(2+2×1.574)×100%=76.7%     
    在调整盐基度时对于定量的聚合氯化铝，即可以计算达到所需盐基度时投加铝屑的量，也可以预测加定量铝屑后*终反应产物的盐基度。理论计算值与实际加铝定值间误差不超过1%，调整聚合铝盐基度时应加适量的水，控制*终产品中三氧化二铝的浓度不要超过20%，浓度过大容易出现混浊沉淀。

    4、结论

    利用铝屑法提高聚合氯化铝的盐基度具有操作简单，容易控制，铝屑利用率高、高盐基度产品稳定性高等特点，可以广泛用于低盐基度产品的性能提高。