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行業知識

提高聚合氯化鋁鹽基度方法

2018-08-23 宇清凈水 1376

 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, 同時對各種方法的利弊進行了對比分析。重點對應用鋁屑提高聚合氯化鋁鹽基度的方法進行了理論分析, 不僅增加了聚合氯化鋁的有效成份含量, 同時給出了各物料間的定量關系, 完全可以指導生產。

     1、聚合氯化鋁

     無機高分子聚合氯化鋁與傳統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、沉降速度快等特點, 廣泛應用于工業用水、飲用水及污水處理方面, 取得了良好的經濟效益和社會效益。
     聚合氯化鋁可以看作是氯化鋁水解反應的中間體,是由水合鋁離子在不同的pH值條件下,通過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。一般來說聚合鋁的鹽基度應控制在適當的范圍內,以使絮凝效果達到最優,又使工業化生產成為可能。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的架橋絮凝能力, 尤其是處理低溫、低濁度水時效果很明顯; 如果B值高于75% , 則聚合鋁離子很容易發生水解形成不溶性氫氧化鋁沉淀,失出絮凝作用。因此生產中將聚合氯化鋁的鹽基度控制在45% ~65%范圍內比較合適。

     根據不同的含鋁原料有不同的聚合氯化鋁生產工藝。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%的產品, 但由于工業鋁灰中雜質太多, 在飲用水處理中應用受到限制。利用鋁礬土和煤矸石生產時, 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% , 很難達到40%以上。

     2、調整鹽基度的方法

     為了提高產品中聚合鋁離子的羥基含量或者說提高鹽基度, 目前多采用氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰等進行調整, 使低鹽基度產品酸性降低, 加羥基橋聯提高鹽基度。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)

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

     鋁酸鈉是一種含鋁的弱堿,也可以用來調整聚合氯化鋁的鹽基度:

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

    由上述反應可知,利用鋁酸鈉調整可將聚合氯化鋁的產量提高16.7%,而副產物氯化鈉的量僅是氫氧化鈉和碳酸鈉的40% 。因此用鋁酸鈉調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的液體,它可以與鋁屑發生作用,生成氫氣和高鹽基度聚合氯化鋁, 反應方程式如下:     
    Al2(OH)nCl5-n+2mAl+6mH2O →A2+2m(OH)n+6mCl5-n+ 3mH2↑(5)     

    調整后的鹽基度為B       
    B=n+6m/3(2+2m)×100%(6)   

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

    3、物料計算與調整方法
    設低鹽基度聚合氯化鋁的指標為:Al2O3為18%,鹽基度B為40%,根據聚合氯化鋁的分子式Al2(OH)nCl6-n可知:B=n/6×100%=40%,則n=2.4。因此分子式為Al2(OH)2.4Cl3.6,根據鹽基度定義和方程式(5) ,在達到要調整的鹽基度B時, 物料的定量反應關系式(6)式計算:B=n+6m/3(2+2m)×100%  
    如果調整后鹽基度 B=70% , 則         

    B=n+6m/3(2+2m)×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方程式為: 
    Al2(OH)2.4Cl3.6+2Al+6H2O →Al4(OH)8.4Cl3.6+3H2↑(7) 
    根據方程式(7)就可計算出調整定量聚合氯化鋁鹽基度所需鋁屑的量。如設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,就可以將鹽基度提高70% 。同時,上述例題中若將鹽基度提高到60% 時, 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)還可以計算定量的聚合氯化鋁與定量鋁屑反應后產物的鹽基度。
    1000g上述溶液與150g鋁屑反應,根據方程式(8)可以計算B,上述溶液中含聚合氯化鋁的量為: 

    Al2(OH)2.4Cl3.6+2mAl+6mH2O →Al2+2m(OH)2.4+6mCl3.6+3mH2↑(8)    

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

    按方程式( 8) 反應時:         

    m =150/(2×27×1.765)=1.574mol      則:B=(2.4+6×1.574)/3(2+2×1.574)×100%=76.7%     
    在調整鹽基度時對于定量的聚合氯化鋁,即可以計算達到所需鹽基度時投加鋁屑的量,也可以預測加定量鋁屑后最終反應產物的鹽基度。理論計算值與實際加鋁定值間誤差不超過1%,調整聚合鋁鹽基度時應加適量的水,控制最終產品中三氧化二鋁的濃度不要超過20%,濃度過大容易出現混濁沉淀。

    4、結論

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


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