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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(chǎn)。

     1、聚合氯化鋁

     無機高分子聚合氯化鋁與傳統(tǒng)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(yè)用水、飲用水及污水處理方面, 取得了良好的經(jīng)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?shù)姆秶鷥?nèi)，以使絮凝效果達到最優(yōu)，又使工業(yè)化生產(chǎn)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(fā)生水解形成不溶性氫氧化鋁沉淀，失出絮凝作用。因此生產(chǎn)中將聚合氯化鋁的鹽基度控制在45% ～65%范圍內(nèi)比較合適。

     根據(jù)不同的含鋁原料有不同的聚合氯化鋁生產(chǎn)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(chǎn)品, 但由于工業(yè)鋁灰中雜質(zhì)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(chǎn)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(diào)整鹽基度的方法

     為了提高產(chǎn)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(diào)整, 使低鹽基度產(chǎn)品酸性降低, 加羥基橋聯(lián)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)品的吸濕性和后處理的難度。因此在調(diào)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(chǎn)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(diào)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(diào)整可將聚合氯化鋁的產(chǎn)量提高16.7%，而副產(chǎn)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(diào)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(fā)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)_nCl_5-n+2_mAl+6_mH2O →A_2+2m(OH)_n+6_mCl_5-n+ 3_mH2↑（5）     

    調(diào)整后的鹽基度為B       
    B=n+6_m/3(2+2_m)×100%（6）   

    利用鋁屑可以將鹽基度調(diào)整到75%，同時不會將任何副產(chǎn)物引入產(chǎn)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(diào)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(jù)聚合氯化鋁的分子式Al₂(OH)_nCl_6-n可知:B=n/6×100%=40%，則n=2.4。因此分子式為Al₂(OH)_2.4Cl_3.6，根據(jù)鹽基度定義和方程式（5） ，在達到要調(diào)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(diào)整后鹽基度 B=70% , 則         

    B=n+6_m/3(2+2_m)×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)_2.4Cl_3.6+2Al+6H₂O →Al₄(OH)_8.4Cl_3.6+3H₂↑（7） 
    根據(jù)方程式（7）就可計算出調(diào)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(chǎn)物的鹽基度。
    1000g上述溶液與150g鋁屑反應，根據(jù)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)_2.4Cl_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(diào)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(chǎn)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(diào)整聚合鋁鹽基度時應加適量的水，控制最終產(chǎn)品中三氧化二鋁的濃度不要超過20%，濃度過大容易出現(xiàn)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(chǎn)品穩(wěn)定性高等特點，可以廣泛用于低鹽基度產(chǎn)品的性能提高。