高纯聚合氯化铝的制备及其影响因素.pdf

高纯聚合氯化铝的制备及其影响因素晏永祥1,陈夫山2,栾兆坤3(1.长沙理工大学,湖南 长沙4 1 0 0 7 6;2.天津科技大学,天津3 0 0 2 2 2;3.中科院生态环境研究中心,北京1 0 0 0 8 5)摘要报道了用氢氧化铝酸溶法制备高纯聚合氯化铝(P A C)的研究结果,系统研究了制备过程中的各种影响因素,并通过试验确定了最佳工艺条件。关键词高纯聚合氯化铝;絮凝剂;酸溶法 中图分类号T Q 3 1 4.2 5 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 5-8 2 9 X(2 0 0 7)0 2-0 0 5 7-0 3A b s t r a c t:T h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ep r e p a r a t i o no fh i g h l yp u r eP A C f r o m a l u m i n u m h y d r o x i d eb ya c i de x t r a c t i n gt e c h n i q u ei s r e p o r t e d.T h ev a r i o u s i n f l u e n t i a l f a c t o r s i nt h ep r o c e s s a r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e d.A s ar e s u l t,t h e o p t i m u mc o n d i t i o na r e d e f i n e d.K e yw o r d s:h i g h l y p u r e P A C;f l o c c u l a n t;a c i de x t r a c t i n gP r e p a r a t i o no f h i g h l yp u r eP A Ca n di t si n f l u e n t i a l f a c t o r sY a nY o n g x i a n g1,C h e nF u s h a n2,L u a nZ h a o k u n3(1.C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6,C h i n a;2.T i a n j i nU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y,T i a n j i n3 0 0 2 2 2,C h i n a;3.R e s e a r c hC e n t e r f o r E c o-e n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,C h i n e s e A c a d e m y o fS c i e n c e s,B e i j i n g 1 0 0 0 8 5,C h i n a)第2 7卷第2期2 0 0 7年2月工业水处理I n d u s t r i a l Wa t e r T r e a t m e n tV o l.2 7N o.2F e b.,2 0 0 7目前国内聚合氯化铝(P A C)絮凝剂的生产厂家较多,总产量5.0 1 05t/a1,但大多生产规模不大,自动化程度不高,大部分是采用铝酸钙作为酸度调节剂的高盐基度产品2,产品中含有大量的钙离子和金属铁离子,不能满足国际市场对高纯度、中等盐基度P A C的要求。为此,笔者研究了酸溶法制备高纯P A C产品的制备技术。1实验原料与仪器1.1实验原料及药品氢氧化铝:A l2O3质量分数6 4.5%,水1 0.2%;高纯盐酸:总酸度(以H C l计)质量分数3 1.6%;铝箔、铝粉、铝板:A l质量分数9 9.5%。1.2实验仪器双端面密封搪瓷釜:1 0 L,山东莱州化工机械厂;多功能电动搅拌器:WH 8 4 0 1-5 0型,天津市华兴科学仪器厂;恒温水浴锅(灵敏度 1):D Z K W-3型,余姚工业仪表二厂;电子天平:F A 2 0 0 4,精度0.0 0 1 g;密度计:分度值为0.0 0 1。2实验方法2.1制备方法(1)P A C的制备3:将氢氧化铝与盐酸分别按1 1.7 5、1 1.8 0、1 1.8 5、1 1.9 0的质量比投入1 0 L搪瓷反应釜中,用蒸汽加热升温到1 4 0 1 5 0 左右,保温3 h后降温,到6 0 将反应液过滤,得到不同盐基度的P A C。(2)P A C的除铁:在P A C溶液中加入除铁剂,在温度5 0 8 5 范围下反应,待P A C溶液变成无色透明后过滤,清液冷却后即为高纯P A C产品。2.2测定方法P A C的测定方法参见G B1 5 8 9 21 9 9 54。3结果与讨论3.1 P A C产品中铁离子的控制P A C产品颜色偏黄,主要是产品中含有铁离子。P A C产品中铁离子过多,对造纸施胶不利。作为造纸用的P A C,一般要求控制F e离子质量分数2.0 1 0-4,一般,可加入铝材去除其中的铁。其原理 基金项目国家自然科学基金资助项目(2 0 0 5 7 6 1 0 2)5 7是:将铝材浸入P A C溶液中,铁离子经置换反应变成金属铁而沉积在铝材上,从而达到除铁的目的。(1)铝材的选择。将铝箔、铝粉、铝板分别放入P A C溶液中,在各段温度下进行反应,考查各种铝材的反应性能及脱色效果,见表1。从表1可以看出,铝粉反应激烈,不好操作,也不利于铁的沉积;铝箔反应太慢,效率低。所以选用铝板最为合适。表1各种铝材在P A C溶液中的反应情况(2)铝板在各温度段的除铁效果。表2是各温度段下,5 0 0 m LP A C(A l2O3质量分数1 2.5%,铁离子质量分数为3.2 1 0-4)液体变成无色透明时所需的时间。表2 P A C液体变成无色透明时所需的时间除铁后P A C溶液变成了无色透明液体,浓缩成固体时,产品颜色雪白,产品中铁离子质量分数 1.7时,氢氧化铝的溶出率增加明显减小,而P A C盐基度的减小则明显增加。这是因为当盐酸用量超过一定值后,体系中氢氧化铝提供的羟基数量不足,不利于多羟基铝缩聚反应的进行,同时由于系统中游离氢离子浓度的不断增加,进一步阻止了羟基铝之间的架桥缩聚反应,最终降低了P A C的盐基度。从实验数据可知,m(盐酸)m(氢氧化铝)=1.7 1时,反应效果最好。反应条件:反应压力0.4 M P a,反应时间6h,P A C中氧化铝质量分数1 8%图1盐酸用量对P A C盐基度的影响(2)反应压力对P A C盐基度的影响见图2。从图2可知,在一定的反应时间、一定的盐酸与氢氧化铝的质量比条件下,随着反应压力的增加,氢氧化铝的溶出率和P A C产品的盐基度都有相应增加,当反应压力达到0.3 0 M P a后,两者的增加率随反应压力的增加都明显减少,而反应压力 0.4 M P a时,由于盐酸的腐蚀性很强,对反应设备的防腐条件很苛刻,增加了设备成本,因此,反应压力控制在0.3 0.4 M P a比较合适。反应条件:m(盐酸)m(氢氧化铝)=1.7 1,反应时间6 h,P A C中氧化铝质量分数1 8%图2反应压力对P A C盐基度的影响(3)反应时间对P A C盐基度的影响见图3。从图3可知,在一定的反应压力、一定的盐酸与氢氧化温度/铝粉铝板铝箔2 0 3 5激烈缓慢反应无反应3 5 5 0很激烈反应缓慢反应5 0 6 5极激烈较激烈缓慢反应6 5 8 0极激烈激烈反应氢氧化铝/g盐酸/m L萃取后含铁/1 0-6除铁率/%萃 取 液A l2O3质量分数/%2 0 01 5 01 5 07 01.6 52 0 02 0 01 2 07 61.7 82 0 02 5 09 58 11.9 52 0 03 0 06 08 82.1 2温度/2 0 3 53 5 5 05 0 6 56 5 8 08 0 9 5时间/h1 0310.50.1 6 7产品开发工业水处理2 0 0 7-0 2,2 7(2)反应条件:m(盐酸)m(氢氧化铝)=1.7 1,反应压力0.4 M P a,P A C中氧化铝质量分数1 8%图3反应时间对P A C盐基度的影响5 8 作者简介晏永祥(1 9 6 4),2 0 0 6年毕业于天津科技大学,博士,高级工程师。电话:1 3 5 4 8 6 3 9 1 5 0,E-m a i l:y o n g x i a n g y a n 1 2 6.c o m。收稿日期2 0 0 6-1 0-1 5(修改稿)铝的质量比条件下,随着反应时间的增加,氢氧化铝的溶出率和P A C产品的盐基度都有增加,但当反应时间达到6 h后,氢氧化铝的溶出率和P A C产品的盐基度增加都很小,因此反应时间控制在6 h比较合适。(4)盐酸浓度对P A C盐基度的影响见图4。从图4可知,在一定的反应压力、一定的盐酸与氢氧化铝质量比条件下,随着盐酸浓度的增加,氢氧化铝的溶出率和P A C产品的盐基度都随着增加。因此,高盐酸浓度对P A C的生产有利。反应条件:m(盐酸)m(氢氧化铝)=1.7 1,反应压力0.4 M P a,反应时间6 h图4盐酸浓度对P A C盐基度的影响(5)进行了盐基度对P A C电荷密度的影响试验,结果见图5。试验中分别将盐基度为2 2.5%、3 7.5%、4 6.8%、5 8.3%、7 0.6%、8 1.6%的 高 纯P A C稀 释 到A l2O3质量分数为0.0 1%,用电荷密度为1.0 8 45m m o l/g的阴离子标准液聚乙烯醇硫酸钾(P V S K)进行滴定。从图5可以看出,P A C的电荷密度随着P A C盐基度增加到一定值后反而下降,这说明不能采用通过提高P A C盐基度的方法来进一步提高P A C的电荷密度。P A C的盐基度在4 5%7 0%时有较高的电荷密度,以单位氧化铝计电荷密度在2.4 4 2.4 5 m m o l/g。图5盐基度对P A C电荷密度的影响3.3浓度对P A C产品稳定性的影响考察了不同浓度P A C的贮存稳定性,见表4。从表4可知,P A C以氧化铝计质量分数1 8%时,产品比较稳定,当P A C以氧化铝计质量分数 1 8%时,产品不稳定,含量越高,贮存稳定性越差。原因是当P A C中氧化铝含量超过一定值时,体系内羟基容易架桥缩聚,易于生成难以溶解的氢氧化铝沉淀。表4不同质量分数P A C的稳定性4结论(1)利用高纯盐酸和氢氧化铝酸溶法制备P A C时,用纯铝板作为除铁剂,可以制备出高纯的P A C,P A C中铁离子质量分数 1 8%时,产品不稳定,含量越高,贮存稳定性越差。参考文献1 晏永祥.我国聚合氯化铝工业现状、存在问题及发展建议J.广西化工,2 0 0 1(3):1 5-1 8.2 汤鸿霄.中国大陆无机高分子絮凝剂的研究与生产,资源、发展与环境保护M.北京:中国环境科学出版社,1 9 8 5:2 7-3 3.3 赵华章.高纯聚合氯化铝的研制与表征D.北京:中国科学院生态环境研究中心,2 0 0 3.4G B1 5 8 9 21 9 9 5,水处理剂聚合氯化铝S.1 0h透明透明 透明透明透明透明基本透明2 0h透明透明 透明透明透明基本透明轻微混浊4 0h透明透明 透明透明基本透明 轻微混浊混浊7d透明透明 透明透明轻微混浊混浊混浊1 5d透明透明 透明透明混浊混浊混浊贮存时间P A C质量分数/%1 51 61 71 81 92 02 1晏永祥,等:高纯聚合氯化铝的制备及其影响因素工业水处理2 0 0 7-0 2,2 7(2)5 9