聚合氯化铝絮凝剂的制备

1、第34卷第6期2003年11月太原理工大学学报JOURNAL OF TAIYUAN UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYNov.2003文章编号:100729432(20030620741203聚合氯化铝絮凝剂的制备张红梅1,常宏宏2,李彦威2,魏文珑2(1.山西综合职业技术学院轻工分院,山西太原030013;2.太原理工大学化学工程与技术学院,山西太原030024摘要:介绍了一种高分子絮凝剂聚合氯化铝的合成新工艺。该工艺以硫酸铝、铝化钙和石灰为原料,引入硫酸根离子,产品的絮凝性能大大提高。关键词:聚合氯化铝;絮凝性能;制备中图分类号:TQ314.253文献标识码:A在现代

2、用水和废水处理混凝技术中,铝盐是应用最广泛的无机盐类混凝剂。聚合铝作为一类性能优于普通铝盐的混凝剂,自20世纪60年代开始应用于水处理中,并在20世纪70年代中后期得到水处理界的普遍肯定,至20世纪80年代达到研究和应用的鼎盛时期。聚合氯化铝简称PAC,其化学通式为Al2(OHn Cl6-nm(1n5,m10,是一种新型高效无机高分子絮凝剂。PAC具有混凝能力强,用量少,净化性能高,适应力强等特点,净化效果是传统净水剂硫酸铝的35倍。PAC是介于AlCl3和Al(OH3之间的中间水解产物,常温下有固体(白色和液体(无色两种形态。固体产品具有吸附活性高、澄清泥少、时间短、适应p H值范围宽、不需

3、助凝剂和不受水温影响等优点。PAC现已被广泛用于净水处理和工业废水的处理。还可用于制革的鞣软剂、造纸的施胶剂、印染的漂染剂、精密铸造的硬化剂、耐火材料的粘结剂等1。国内外制备PAC的传统生产工艺中,按所用原料的不同,大致可分为金属铝(包括铝灰、铝渣法、活性氢氧化铝法、三氧化铝(包括铝矾土、煤矸石等法等。传统PAC合成工艺及所得聚铝产品分别有其优缺点224。如采用铝矾矿和铝灰法虽一步合成且成本低,但由于原料杂质含量高,导致聚铝产品含杂质较多,降低了产品的品位,限制了使用范围;氢氧化铝酸解法一般采用两种酸(硫酸和盐酸,对设备腐蚀大,产品中SO42-含量高;加压法和电解法能耗大,对设备要求高,操作条

4、件苛刻。硫酸铝法是目前开发出的一种生产PAC的新工艺,所用原料为硫酸铝、氯化钙和氧化钙。生产过程可分三步进行:首先为硫酸铝与氯化钙的沉淀反应;其次再加入氧化钙来调节溶液的p H值,进而起到控制盐基度的目的;最后将溶液过滤,滤液进行熟化,即可得到液体PAC.随着社会的发展和人们生活水平的提高,PAC 的用途和用量正日益扩大。因此,对其合成工艺进行研究是十分必要的。1实验部分1.1主要原料十八水合硫酸铝(分析纯,纯度99.0%,上海金山区兴塔化工厂;无水氯化钙(分析纯,纯度96.0%,上海华东工学院芳庄第三助剂厂;氧化钙(化学纯,纯度95.0%,北京化工厂。1.2实验方法整个合成过程的主要反应如下

5、。沉淀反应:Al2(SO43+3CaCl2=3CaSO4+2AlCl3;熟化反应:Al(OH2Cl Al2(OH4Cl2Al2(OH5Cl2Al2(OH4Cl23Al2(OHn Cl6-nm.收稿日期:2003204209作者简介:张红梅(1967-,女,山西临猗人,讲师,硕士生,主要从事精细化工研究。将配制好的硫酸铝溶液加入三口烧瓶中,水浴加热至近沸,搅拌,将氯化钙溶液以一定加料速度加入三口烧瓶,此时溶液呈黄色悬浊液;停止加热,搅拌下将溶液冷却至4560,并维持此温度,用角匙将氧化钙粉末以一定加料速度加入三口烧瓶,调节p H 值至2.53.0,此时溶液呈白色悬浊液;将上述悬浊液倒入吸滤瓶漏斗

6、进行吸滤,然后将滤液倒回干净的三口烧瓶进行熟化,便可得到粘稠的浅黄色液体,即为液体聚铝。其熟化温度控制为4560,熟化时间为35h.2实验结果与讨论在加入CaCl 2和CaO 过程中,必须要有适宜的温度。温度太低,CaSO 4沉淀量较多,易吸附更多的Al 3+,从而引起铝损失;温度太高,则Al 3+易水解,特别是加入CaO 后,反应体系呈碱性,水解更易进行。在相同条件下,通过实验测定Al 3+的水解率来确定体系反应温度 。图1加入CaCl 2 后反应体系温度与水解率的关系图2加入CaO 后反应体系温度与水解率的关系如图1,图2所示,为反应体系分别加入CaCl 2在一定条件下,通过CaCl 2和

7、CaO 投料比的实验,确定投料比与盐基度及含量的关系,见图3以及图 4.图3 投料比与盐基度之间的关系图4投料比与硫酸根含量之间的关系实验过程中,CaO 与H 2O 反应生成Ca (OH 2,然后Ca (OH 2与Al 2(SO 43反应,并引入OH -,起到调节p H 值的作用。若先将CaO 配成Ca (OH 2溶液加入三口烧瓶中,由于带入一部分H 2O ,会加快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+量减少,而影响产品质量。因此,可将粉末状CaO 直接加入进行反应,促熟化过程是聚铝产品大分子框架结构形成的过程,是产品质量指标控制的关键步骤。熟化温

8、度和熟化时间是熟化反应两个重要条件。熟化温度过低,熟化时间必然过长,反应周期长;熟化温度过高,会引起水解,形成Al (OH 3沉淀沉降下来,降低产品质量。经过反复实验,得到较佳的熟化条件为:熟本实验共进行11次操作,相关实验数据如表1所示。由表1可知,配料比不同,就会有不同的产品质量。由于反应生成的CaSO 4能够吸附溶液中的Al 3+,使产品质量下降。因此,CaCl 2和CaO 的加入247太原理工大学学报第34卷速度不可太慢,二者加入时间均为20min.反应温度以及反应时间的差异也将导致产品中Al2O3含量和盐基度有所不同。由表1可见,三种原料的最佳摩尔比为131.实验中还发现,不同的配料

9、比对反应体系的p H值影响不同,适宜的p H值为2.03.0.这一结论与文献5一致。表1Al2(SO43,CaCl2,CaO摩尔比对反应的影响序号Al2(SO43,CaCl2,CaO的摩尔比Al2O3质量分数/%盐基度/%p H值3结论本实验以十八水硫酸铝、氯化钙、氧化钙为原料,在一定反应条件下制得液体聚合氯化铝。以硫酸铝为原料生产出的PAC要比用铝灰为原料获得的产品的药效高2倍以上。而二者的制造成本却相当,不同特点在于PAC结构中引入了硫酸根离子,这样会生成聚合度更高、电荷更低的多核配合物,故其絮凝性能更好。通过实验,得出以下结论。1本实验的最佳反应条件如下。配料比:n(Al2(SO4318

10、H2On(CaCl2n (CaO=131;加入CaCl2溶液所用时间为20 min,反应温度90;加入CaO粉末所用时间为20 min,反应温度5060;熟化时间为45h,熟化温度为4555.2加入CaO粉末过程中,应适当加热,以保证反应体系始终维持在5060.3过滤CaSO4时要迅速,因为随着温度的降低,溶液将会凝结成大量水合固体而影响操作。4熟化过程敞口进行。参考文献:1张永战,李建伟,丁毓怡.聚合氯化铝生产方法评述J.河南化工,1994(8:8210.2汤鸿霄.无机高分子絮凝剂的几点认识J.工业水处理,1997,17(4:125.3林森树,何伟光,李卓美.聚合氯化铝水溶液中铝存在形态的探

11、索J.水处理技术,1991,17(3:1622165.4G B1589221995.水处理剂聚合氯化铝S.5陆建刚.絮凝剂聚合氯化铝的合成新工艺J.上海化工,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