文摘：研究了酸溶法生产净水剂高效聚合氯化铝的工艺。其产品质量指标达到企业标准，具有工艺简单、流程短、成本低、无二次污染的特点。

 

 

　　聚合氯化铝是一种无机高分子絮凝剂，其化学通式为[Al₂(OH)_nCl_6-n]_m（1≤n≤5，m≤10）。它具有混凝能力强、消耗低、净水效率高、适应性强的特点，能去除水中的铁、氟、放射性污染物、重金属、泥浆、油脂和木质素。还能去除印染废水中的疏水性染料，可作为媒染染料的媒染剂；也可用作油井防砂和铸件交替硬化制壳的固化剂；肥皂废液的甘油回收：乳状液破乳再生；皮革、医药、石油、造纸、化妆品等行业的水和废水处理。

 

　　聚合氯化铝的生产方法可分为：金属铝直接溶解；以结晶氯化铝为原料，三氯化铝为原料，硫酸铝为原料，粘矿为原料等。此外，还有利用铝灰、煤矸石和粉煤灰制备聚合氯化铝的方法。其中以铝灰为原料制造聚合氯化铝的方法，原料来源广泛，成本低，经济效益高，具有很大的实用价值。这种方法本身包括酸溶一步法、碱溶法和中和法。其中碱溶法和中和法制备的聚合氯化铝含量低，碱化程度不高，碱腐蚀性强，来源短。相反，酸溶一步法规律是碱化度越高，原料消耗越少，产品氯离子含量越少，具有设备简单、原料消耗少、成本低的优点。

 

　　我国对高效聚合氯化铝的研究早在20世纪70年代就开始了，但由于铝资源的限制，不能满足生产的需要。因此，以铝灰为主要原料，采用酸溶一步法研究了聚合氯化铝的生产工艺。

 

　　1.铝灰制备聚合氯化铝的基本原理

 

　　聚合氯化铝是无机高分子的多价聚电解质混凝剂，可视为三氯化铝和氢氧化铝之间的水解产物。铝的配位水水解形成铝络合物，通过羟基桥联变成多核络合物，核大幅度增大成为无机聚合物。

 

　　利用铝灰制备聚合氯化铝，主要利用铝灰中的Al2O3，与HCl反应生成三氯化铝。整个反应包括溶解反应、水解反应和聚合反应。由于铝的溶解，pH值升高，铝盐水解产生HCl，使pH值下降，进而促使铝的溶解反应继续进行，pH值也随之升高，导致相邻两个羟基之间发生桥联聚合。由于这种作用，水解产物的浓度降低，因此水解反应继续进行。其水解反应生成的聚合体[Al2(OH)n(H2O)γ]m(6-n)+与作为外配体的Cl-结合形成聚合氯化铝。

 

　　2.铝灰制备聚合氯化铝的工艺流程

 

　　以铝灰为主要原料，采用酸溶法制备聚合氯化铝。工艺流程如下图1所示：

 

 

　　首先向反应器中加入31% HCl和部分水，然后加入用水洗涤一次或多次的定量铝灰。反应开始后，温度迅速上升到95以上。为了控制反应温度，可以在反应过程中随时加入一些水并搅拌。6-14小时后加水，稀释反应物料，调节ph至3.5-4.0。自然冷却陈化16-18h，上清液为液态聚合氯化铝。浓缩干燥后，制得固体聚合氯化铝。

 

　　这个过程的关键是确定投料比。如果能够合理控制，可以充分提高铝的溶解速率，同时提高产品的铝含量和碱化程度。

 

　　3.铝灰制备高效聚合氯化铝工艺条件的确定

 

　　3.1铝灰和盐酸投料比的确定

 

　　根据文献中生产聚合氯化铝的配方和本文所用铝灰中氧化铝的含量，初步确定铝灰与盐酸的投料比为2:1。在此投料比的基础上，进行了较佳投料比的实验，实验数据见表1。

 

　　表1铝灰与盐酸投料比实验
 

　　发现当铝灰与HCl的比例不同时，随着铝灰含量的增加，液态成品和Al2O3的浓度也会增加。而且这五组配方的浓度和Al2O3都达到了质量要求，但前四组配方的碱化度变化不大，数值都50，而工业上碱化度一般控制在50%-60%。第五个配方的Al2O3%比第三个和第四个配方低，但碱化度大大提高。所以铝灰与HCl的投料比为3:1左右。

 

　　3.2水添加量的测定

 

　　铝灰与盐酸的比例为3:1，通过改变加水量进行实验。实验数据见表2。

 

　　表2实验结果
 

　　发现第一组和第四组分子式的碱化度偏高，使聚合物难以稳定存在，容易形成不溶性氢氧化铝沉淀。第二、三组指标接近质量要求。

 

　　为了进一步选择加入的水的合适量，从第二和第三配方获得的液体产品被蒸汽浓缩并干燥成固体，并且指标如表3所示。

 

　　表3部分产品指标
 

　　试验表明，第二、三组固体产品的主要指标均达到质量要求。在考虑加水量的确定时，还需要避免过量的水量对沉降性能的影响，导致水不溶物含量的增加。因此，铝灰、HCl和水的投料比为333013305.5。

 

　　3.3降低成本的研究

 

　　反应后的产物大部分浓缩在上清液中，但有少量产物和HCl残留在残渣中。液体浓度越高，残留物越多。考虑到回收这部分产品和HCl以降低成本，我们采用了水洗残渣的方法，并在下一批反应中使用洗涤液代替部分水。实验数据见表4。

 

　　表4水洗实验的结果
 

　　第二组液体产品经蒸汽浓缩干燥成固体产品，其指标为：Al2O  3 :29.7%；碱化度：92.4。实验表明，在保证产品质量的前提下，残渣洗涤液的重复使用可以降低成本。

 

　　4.讨论

 

　　4.1盐酸浓度的影响

 

　　反应前，如果HCl浓度过高，或者铝灰加入量过多过快，反应会过于激烈，导致大量HCl挥发，容易使氢氧化铝从产品中沉淀出来。氯化氢浓度应根据铝灰的质量、反应容器的尺寸、散热条件等因素进行调整。

 

　　4.2水添加量的测定

 

　　在反应的早期，水挥发很大。如果不及时补充水，反应会过于激烈，HCl会大量挥发，导致产品部分失效。如果含水量过高，酸浓度过低，反应就会困难，导致产品达不到质量要求。

 

　　4.3产品酸碱度的控制

 

　　如前所述，产品的pH为3.5-4.0，絮凝效果更好。当pH值过高时，提供桥联的羟基会增加，但同时会产生白色的Al(OH)3，使产品不稳定，导致漂浮效果降低。实验表明，原料配比是调节酸碱度和提高碱化度的重要条件。只要有更好的聚合温度，更好的配比，pH基本可以在要求的范围内。

 

　　5.结论

 

　　利用铝灰制备高效聚合氯化铝在技术上是可行的，产品主要质量指标均达到企业标准。由于反应是一步反应，放热反应本身是用来满足反应温度的要求，因此具有工艺简单、流程短、节能、无二次污染的特点。达到了化害为利，变废为宝，综合利用的目的。