聚氯化铝
聚氯化铝 性质
| CAS 数据库 | 101707-17-9 |
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聚合氯化铝，简称PAC，是一种无机高分子混凝剂，由于氢氧根离子的架桥作用和多价阴离子的聚合作用而生产的分子量较大、电荷较高的无机高分子水处理药剂。固体产品具有吸附活性高、澄清泥沙时间短、适应pH值范围宽, 不需助凝剂和不受水温影响等优点, 广泛应用于生活用水、工业用水等的净水处理、城市污水处理、工业废水、污水、污泥的处理及污水中某些渣质回收等，同时对某些处理难度大的工业污水，以PAC为母体，掺入其他药剂，调配成复合PAC，处理污水能得到惊喜的效果。聚氯化铝代号为PAC,含有硫酸根离子的聚氯化铝其代号为PAC-S 。聚氯化铝的分子式为[Al2(OH)nCl6-n]m或[Al2(OH)nCl6-n]m(SO4)m/2 , 其中1≤n≤5, m≤10 。分子中带有数量不等的羟基,
产品的组成不是一种单一形态, 而是在一定条件下保持某种平衡的各种络合物。纯的固体聚氯化铝为无色透明树脂状, 其Al2O3含量45%左右。因含有杂质, 一般固体聚氯化铝产品为白色、淡灰色、淡黄色或棕色晶体或粉末, 颜色因生产工艺及原料的不同而不同,Al2O3含量≥27 %。液体聚氯化铝产品为无色、淡灰色、淡黄色或半透明液体, 味涩具有一定的粘滞性;Al2O3含量≥9.0%, 相对密度(20 ℃)≥1.19 。聚氯化铝呈微酸性, 无毒, 加水稀释后, 生成具有络离子结构的碱性多核络合物或架桥络合物, 最终生成氢氧化铝沉淀析出。在水解过程中, 伴随电化学、凝聚、吸附和沉淀等物理化学过程, 从而达到净水的目的。聚（合）氯化铝其絮凝作用表现如下：
a、水中胶体物质的强烈电中和作用。
b、水解产物对水中悬浮物的优良架桥吸附作用。
c、对溶解性物质的选择性吸附作用。1.按照形态分类
a.液体聚合氯化铝 未干燥的形态，有不用稀释，装卸使用方便，价格相对便宜的优点，缺点是运输需要罐车，单位运输成本增加(每吨固体相当于2-3吨液体) 。
b.固体聚合氯化铝 干燥后的形态，有运输方便的优点，不需要罐车,缺点是使用时还需要稀释,增加工作强度.
2.按照工艺分类
a.滚筒式聚（合）氯化铝 铝含量一般,水不溶物高,多用于污水处理。
b.板框式聚（合）氯化铝 铝含量高，水不溶物低，用于污水处理和饮用处理。
c.喷雾干燥聚（合）氯化铝 铝含量高，水不溶物低，溶解速度快.用于饮用水及更高标准水处理。聚氯化铝的生产方法按原料可分为以下几种:金属铝直接溶解法、结晶氢氧化铝法、硫酸铝法、铝矿石法及铝酸钙法。
1.金属铝直接溶解法
该法所用原料主要是铝加工的下脚料—铝屑、铝灰和铝渣等。在工艺上, 该法可分为酸法、碱法、中和法三种。
酸法具有反应速度快, 设备投资少, 工艺简单,操作方便的优点, 但溶液中的杂质含量偏高, 尤其是金属元素含量通常容易超标, 产品质量不稳定, 设备腐蚀严重。目前, 我国以金属铝为原料的PAC厂家大多数采用酸法生产。碱法生产工艺则难度较高,设备投资较大, 由于用碱量大, 需大量盐酸中和至pH=4～5, 成本较高, 应用受到一定限制。中和法则综合了酸法和碱法的优点, 工艺流程见图1。
图1为中和法聚氯化铝生产工艺
2.结晶氢氧化铝为原料的制造方法
结晶氢氧化铝为原料制造聚氯化铝的方法可分为凝胶法及酸溶二步法。
(1)凝胶法
常压条件下, 结晶氢氧化铝在盐酸中的溶解度较小, 通常溶出液中铝与氯的当量比小于1.0 。为使当量比大于1.0 , 以直接得到盐基度符合产品标准的聚氯化铝, 可将结晶氢氧化铝变为无定型态的凝胶状氢氧化铝, 反应方程如下:
Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4
2NaAl(OH)4+CO2=2Al(OH)3↑+Na2CO3+H2O
2Al(OH)3+(6-n)HCl=Al2(OH)nCl6-n+(6-n)H2O
工艺流程见图2 。
图2为氢氧化铝凝胶法聚氯化铝生产工艺
(2)氢氧化铝酸溶二步法
该法有两次酸溶过程。工业氢氧化铝用硫酸溶解生成硫酸铝溶液, 硫酸铝溶液与氨水以一定的配比进行水解反应, 制备活性碱式硫酸铝凝胶。反应完毕将料浆送入压滤机压滤, 滤液(硫酸铵母液)回收, 滤饼(碱式硫酸铝凝胶)再与盐酸在常温下进行聚合反应, 即可得到液体聚氯化铝产品。工艺流程见图3 , 反应方程如下:
酸溶反应:
2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O
水解反应:
2Al2(SO4)3+10NH4OH=Al4(OH)10SO4+5(NH4)2SO4
聚合反应:
nAl4(OH)10SO4+4nHCl=nAl4(OH)6SO4Cl4+4nH2O
图3为氢氧化铝酸溶二步法聚氯化铝生产工艺
3.以硫酸铝为原料的制造方法
(1)硫酸盐沉淀法
在硫酸铝和三氯化铝的混合液中, 加入石灰、石灰石, 使硫酸根离子和钙生成难溶的硫酸钙沉淀, 从混合液中分离, 使铝氯当量比增大, 从而得到一定盐基度的聚氯化铝。硫酸铝和三氯化铝的混合液, 可由三氯化铝中掺入硫酸铝溶液得到, 也可由硫酸和盐酸的混合液浸取含铝矿物得到。反应方程如下:
n/6Al2(SO4)3+(2-n/3)AlCl3+n/2Ca(OH)2=Al2(OH)nCl6-n+n/2CaSO4
(2)凝胶法
在硫酸铝溶液中加碱性物质, 生成氢氧化铝凝胶, 分离之后溶于盐酸或三氯化铝, 以后的过程与结晶氢氧化铝凝胶法相同。
4.以粘土矿、铝土矿为原料的制造方法
以粘土矿和铝土矿为原料制造聚氯化铝的生产方法较复杂, 因为这些矿物中的铝一般不能为酸所溶出, 必须经过一系列加工处理之后, 才能使铝溶出。按铝的溶出方式可分为酸法和碱法。
(1)酸法
此法适用于粘土矿、煤矸石、高岭土、一水软铝矿、三水铝石矿等矿物原料, 不适用于一水硬铝土矿。将矿物加工成粒度40～60 目粉末, 再经600～800℃焙烧活化后, 用盐酸(或用混合酸)溶出, 溶出液经盐基度调整, 即可得到聚氯化铝成品溶液。
(2)碱法
一水硬铝石矿或其他含铝矿物, 均可采用此法制造聚氯化铝。用碳酸钠、石灰与矿粉固相烧结反应, 或氢氧化钠与矿粉液相反应, 制得铝酸钠, 再分解制得凝胶氢氧化铝, 用凝胶法制得聚氯化铝。碱法生产投资大, 设备复杂、成本高, 除氧化铝厂配套生产外, 一般不单独采用。
5.铝酸钙法
铝酸钙是高品位铝土矿(氧化铝)与石灰石(碳酸钙)经破碎粉磨混合, 煅烧磨细而成, 其化学成分
为Al2O3:50 %～60 %, CaO:27 %～32 %, Fe2O3:1%～3%, SiO2:3%～5%, 此外还有少量的TiO2、MgO等。主要矿物成分为:铝酸一钙(CaO·Al2O3), 二铝酸一钙(CaO·2Al2O3)。铝酸钙酸溶一步法是用铝酸钙与盐酸、硫酸反应, 使铝酸钙中的氧化铝溶出, 水解聚合转化为聚氯化铝, 氧化钙转化为相应的钙盐, 氧化硅不溶于酸仍留在渣中。工艺流程见图4。
图4为铝酸钙法聚氯化铝生产工艺1.使用时应先根据水质进行小试，选出净水效果好，投放量小的最佳点。溶液应随配随用，非饮用水应根据实际情况选定用量。
2.使用固体时，先加水溶解陪配成10-25%的溶液，而后水稀释至所需浓度，在溶解时先加水慢慢投料，并不断进行搅拌。
3.不同厂家或不同牌号的水处理药剂不能混合，并且不得与其他化学药品混存。
4.原液和稀释液稍有腐蚀性，但低于其他各种无机絮凝剂。
5.产品有效储存期:液体半年，固体两年。固体产品潮后仍然可使用。
6.本产品经合理投加，净化后水质符合生活饮用水卫生标准。1.含油废水的处理
含油废水主要是指油田开采原油所产生的大量采出水、炼油厂和石油化工厂排放的含油废水以及清洗油轮和车辆所产生的含油废水。含油废水的治理主要采用隔油沉降、气浮和生化的方法。PAC和改性阳离子聚丙烯酰胺配合使用, 混凝沉淀过滤处理含油废水, 具有非常好的处理效果。改性阳离子聚丙烯酰胺相对分子量不能太高, 并与PAC容易复合才能达到理想的效果。
2.造纸废水的处理
造纸工业废水排放量大, 其中段水占很大比例, 而且许多造纸企业黑液经过预处理(厌氧、强酸处理、纤维素分离、中和等)后也混入中段水一起处理。
3.洗涤废水处理中的应用
洗涤废水中含有大量表面活性剂。表面活性剂与油污、尘土颗粒等作用, 形成带负电荷的胶体粒子, 能比较稳定的存在于水体中。在洗涤废水中投加PAC, 将产生大量带有正电荷的阳离子及羟基桥联形成的多核高电荷配合离子, 它们对悬浮胶粒表面的电荷有很强的吸附电中和能力和压缩双电层能力, 致使胶体粒子脱稳, 最后形成的高聚合氢氧化物把污染物吸附沉淀网捕分离出水体。
4.印染废水处理中的应用
印染废水具有较高的COD、色度和pH值, 加药混凝是对其处理的一种常用方法。PAC尽管混凝效果好、所需投药量低, 但是PAC对印染废水高碱度的中和能力差, 应用受到一定限制。传统混凝剂
Al2(SO4)3 水解产生H+能中和印染废水中的碱, 对碱度的中和能力强。研究证明, 配合使用这两种混凝剂, 利用两者优势互补以及同离子效应的协同效果, 处理印染废水能降低处理费用, 同时提高处理效果。
5.机械加工废水处理中的应用
机械加工过程中普遍使用乳化液作为冷却、润滑、清洗和防锈剂来提高产品的质量。乳化液在使用过程中受到细菌、微生物、高温、金属磨屑的选择吸附等作用, 逐渐由乳白色变成灰黑色, 腐败变质发臭。[1]李谦一.聚氯化铝的生产及市场[J].化学工业与工程技术.2001.22(1):27-30.
[2]陈志强等.聚氯化铝的生产及应用[J].化学工程师.2008.152(2):46-47.
产品的组成不是一种单一形态, 而是在一定条件下保持某种平衡的各种络合物。纯的固体聚氯化铝为无色透明树脂状, 其Al2O3含量45%左右。因含有杂质, 一般固体聚氯化铝产品为白色、淡灰色、淡黄色或棕色晶体或粉末, 颜色因生产工艺及原料的不同而不同,Al2O3含量≥27 %。液体聚氯化铝产品为无色、淡灰色、淡黄色或半透明液体, 味涩具有一定的粘滞性;Al2O3含量≥9.0%, 相对密度(20 ℃)≥1.19 。聚氯化铝呈微酸性, 无毒, 加水稀释后, 生成具有络离子结构的碱性多核络合物或架桥络合物, 最终生成氢氧化铝沉淀析出。在水解过程中, 伴随电化学、凝聚、吸附和沉淀等物理化学过程, 从而达到净水的目的。聚（合）氯化铝其絮凝作用表现如下：
a、水中胶体物质的强烈电中和作用。
b、水解产物对水中悬浮物的优良架桥吸附作用。
c、对溶解性物质的选择性吸附作用。1.按照形态分类
a.液体聚合氯化铝 未干燥的形态，有不用稀释，装卸使用方便，价格相对便宜的优点，缺点是运输需要罐车，单位运输成本增加(每吨固体相当于2-3吨液体) 。
b.固体聚合氯化铝 干燥后的形态，有运输方便的优点，不需要罐车,缺点是使用时还需要稀释,增加工作强度.
2.按照工艺分类
a.滚筒式聚（合）氯化铝 铝含量一般,水不溶物高,多用于污水处理。
b.板框式聚（合）氯化铝 铝含量高，水不溶物低，用于污水处理和饮用处理。
c.喷雾干燥聚（合）氯化铝 铝含量高，水不溶物低，溶解速度快.用于饮用水及更高标准水处理。聚氯化铝的生产方法按原料可分为以下几种:金属铝直接溶解法、结晶氢氧化铝法、硫酸铝法、铝矿石法及铝酸钙法。
1.金属铝直接溶解法
该法所用原料主要是铝加工的下脚料—铝屑、铝灰和铝渣等。在工艺上, 该法可分为酸法、碱法、中和法三种。
酸法具有反应速度快, 设备投资少, 工艺简单,操作方便的优点, 但溶液中的杂质含量偏高, 尤其是金属元素含量通常容易超标, 产品质量不稳定, 设备腐蚀严重。目前, 我国以金属铝为原料的PAC厂家大多数采用酸法生产。碱法生产工艺则难度较高,设备投资较大, 由于用碱量大, 需大量盐酸中和至pH=4～5, 成本较高, 应用受到一定限制。中和法则综合了酸法和碱法的优点, 工艺流程见图1。
图1为中和法聚氯化铝生产工艺
2.结晶氢氧化铝为原料的制造方法
结晶氢氧化铝为原料制造聚氯化铝的方法可分为凝胶法及酸溶二步法。
(1)凝胶法
常压条件下, 结晶氢氧化铝在盐酸中的溶解度较小, 通常溶出液中铝与氯的当量比小于1.0 。为使当量比大于1.0 , 以直接得到盐基度符合产品标准的聚氯化铝, 可将结晶氢氧化铝变为无定型态的凝胶状氢氧化铝, 反应方程如下:
Al(OH)3+NaOH=NaAl(OH)4
2NaAl(OH)4+CO2=2Al(OH)3↑+Na2CO3+H2O
2Al(OH)3+(6-n)HCl=Al2(OH)nCl6-n+(6-n)H2O
工艺流程见图2 。
图2为氢氧化铝凝胶法聚氯化铝生产工艺
(2)氢氧化铝酸溶二步法
该法有两次酸溶过程。工业氢氧化铝用硫酸溶解生成硫酸铝溶液, 硫酸铝溶液与氨水以一定的配比进行水解反应, 制备活性碱式硫酸铝凝胶。反应完毕将料浆送入压滤机压滤, 滤液(硫酸铵母液)回收, 滤饼(碱式硫酸铝凝胶)再与盐酸在常温下进行聚合反应, 即可得到液体聚氯化铝产品。工艺流程见图3 , 反应方程如下:
酸溶反应:
2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O
水解反应:
2Al2(SO4)3+10NH4OH=Al4(OH)10SO4+5(NH4)2SO4
聚合反应:
nAl4(OH)10SO4+4nHCl=nAl4(OH)6SO4Cl4+4nH2O
图3为氢氧化铝酸溶二步法聚氯化铝生产工艺
3.以硫酸铝为原料的制造方法
(1)硫酸盐沉淀法
在硫酸铝和三氯化铝的混合液中, 加入石灰、石灰石, 使硫酸根离子和钙生成难溶的硫酸钙沉淀, 从混合液中分离, 使铝氯当量比增大, 从而得到一定盐基度的聚氯化铝。硫酸铝和三氯化铝的混合液, 可由三氯化铝中掺入硫酸铝溶液得到, 也可由硫酸和盐酸的混合液浸取含铝矿物得到。反应方程如下:
n/6Al2(SO4)3+(2-n/3)AlCl3+n/2Ca(OH)2=Al2(OH)nCl6-n+n/2CaSO4
(2)凝胶法
在硫酸铝溶液中加碱性物质, 生成氢氧化铝凝胶, 分离之后溶于盐酸或三氯化铝, 以后的过程与结晶氢氧化铝凝胶法相同。
4.以粘土矿、铝土矿为原料的制造方法
以粘土矿和铝土矿为原料制造聚氯化铝的生产方法较复杂, 因为这些矿物中的铝一般不能为酸所溶出, 必须经过一系列加工处理之后, 才能使铝溶出。按铝的溶出方式可分为酸法和碱法。
(1)酸法
此法适用于粘土矿、煤矸石、高岭土、一水软铝矿、三水铝石矿等矿物原料, 不适用于一水硬铝土矿。将矿物加工成粒度40～60 目粉末, 再经600～800℃焙烧活化后, 用盐酸(或用混合酸)溶出, 溶出液经盐基度调整, 即可得到聚氯化铝成品溶液。
(2)碱法
一水硬铝石矿或其他含铝矿物, 均可采用此法制造聚氯化铝。用碳酸钠、石灰与矿粉固相烧结反应, 或氢氧化钠与矿粉液相反应, 制得铝酸钠, 再分解制得凝胶氢氧化铝, 用凝胶法制得聚氯化铝。碱法生产投资大, 设备复杂、成本高, 除氧化铝厂配套生产外, 一般不单独采用。
5.铝酸钙法
铝酸钙是高品位铝土矿(氧化铝)与石灰石(碳酸钙)经破碎粉磨混合, 煅烧磨细而成, 其化学成分
为Al2O3:50 %～60 %, CaO:27 %～32 %, Fe2O3:1%～3%, SiO2:3%～5%, 此外还有少量的TiO2、MgO等。主要矿物成分为:铝酸一钙(CaO·Al2O3), 二铝酸一钙(CaO·2Al2O3)。铝酸钙酸溶一步法是用铝酸钙与盐酸、硫酸反应, 使铝酸钙中的氧化铝溶出, 水解聚合转化为聚氯化铝, 氧化钙转化为相应的钙盐, 氧化硅不溶于酸仍留在渣中。工艺流程见图4。
图4为铝酸钙法聚氯化铝生产工艺1.使用时应先根据水质进行小试，选出净水效果好，投放量小的最佳点。溶液应随配随用，非饮用水应根据实际情况选定用量。
2.使用固体时，先加水溶解陪配成10-25%的溶液，而后水稀释至所需浓度，在溶解时先加水慢慢投料，并不断进行搅拌。
3.不同厂家或不同牌号的水处理药剂不能混合，并且不得与其他化学药品混存。
4.原液和稀释液稍有腐蚀性，但低于其他各种无机絮凝剂。
5.产品有效储存期:液体半年，固体两年。固体产品潮后仍然可使用。
6.本产品经合理投加，净化后水质符合生活饮用水卫生标准。1.含油废水的处理
含油废水主要是指油田开采原油所产生的大量采出水、炼油厂和石油化工厂排放的含油废水以及清洗油轮和车辆所产生的含油废水。含油废水的治理主要采用隔油沉降、气浮和生化的方法。PAC和改性阳离子聚丙烯酰胺配合使用, 混凝沉淀过滤处理含油废水, 具有非常好的处理效果。改性阳离子聚丙烯酰胺相对分子量不能太高, 并与PAC容易复合才能达到理想的效果。
2.造纸废水的处理
造纸工业废水排放量大, 其中段水占很大比例, 而且许多造纸企业黑液经过预处理(厌氧、强酸处理、纤维素分离、中和等)后也混入中段水一起处理。
3.洗涤废水处理中的应用
洗涤废水中含有大量表面活性剂。表面活性剂与油污、尘土颗粒等作用, 形成带负电荷的胶体粒子, 能比较稳定的存在于水体中。在洗涤废水中投加PAC, 将产生大量带有正电荷的阳离子及羟基桥联形成的多核高电荷配合离子, 它们对悬浮胶粒表面的电荷有很强的吸附电中和能力和压缩双电层能力, 致使胶体粒子脱稳, 最后形成的高聚合氢氧化物把污染物吸附沉淀网捕分离出水体。
4.印染废水处理中的应用
印染废水具有较高的COD、色度和pH值, 加药混凝是对其处理的一种常用方法。PAC尽管混凝效果好、所需投药量低, 但是PAC对印染废水高碱度的中和能力差, 应用受到一定限制。传统混凝剂
Al2(SO4)3 水解产生H+能中和印染废水中的碱, 对碱度的中和能力强。研究证明, 配合使用这两种混凝剂, 利用两者优势互补以及同离子效应的协同效果, 处理印染废水能降低处理费用, 同时提高处理效果。
5.机械加工废水处理中的应用
机械加工过程中普遍使用乳化液作为冷却、润滑、清洗和防锈剂来提高产品的质量。乳化液在使用过程中受到细菌、微生物、高温、金属磨屑的选择吸附等作用, 逐渐由乳白色变成灰黑色, 腐败变质发臭。[1]李谦一.聚氯化铝的生产及市场[J].化学工业与工程技术.2001.22(1):27-30.
[2]陈志强等.聚氯化铝的生产及应用[J].化学工程师.2008.152(2):46-47.