利用铝灰制备聚合氯化铝工艺参数的优化.doc

南通大学学报（自然科学版）journal of nantong university （natural science edition）第 10 卷 第 3 期2011 年 9 月vol 10 no 3sept 2011利用铝灰制备聚合氯化铝工艺参数的优化石健， 邹开云（南通大学 化学化工学院， 江苏 南通 226019）摘要：以 铝 灰 为 原 料 ， 用 一 步 酸 溶法制备高效无机高分子的 多价聚合电解质混凝剂 聚 合氯化铝 . 研 究 了 铝 灰 、hcl、水 三 者 配 比 ， 以 及 反 应 温 度 、反 应 时 间 、熟 化 温 度 、熟 化 时 间 、搅 拌 速 度等参数对聚合氯化铝的性能影响 ， 确 定 了 制 备聚合氯化铝的最佳工艺条件 ： 初始加 水量为 15 ml， 酸水比为 1， 投加量 3 g， 反应时间 2 h， 反应温度 85 ， 熟 化 时 间 48 h， 熟 化 温 度 50 . 氯化铝的质量分数 由 原生产工艺的 6%8%提 高 到 现 在 的 12%14%.关键词：铝 灰 ；酸 溶 法 ；聚 合 氯 化 铝 ；工 艺 参 数中图分类号： x52文献标志码： a文章编号： 16732340（2011）03003104optimization on process parameters about preparation ofpolyaluminum chloride from aluminum ashshi jian， zou kai-yun（scholl of chemistry and chemical engineering， nantong university， nantong 226019， china） abstract：polyaluminum chloride are prepared from aluminum ash by acid dissolution. parameters that influence the performance of pac， such as reaction temperature， reaction time， aging temperature， aging time， the ratio of alu- minum ash， hcl and water， are investigated. the optimum conditions for the preparation of pac are determined， namely the initial water15ml， ratio of water and acid is 1， dosing quantity is 3 g， react 2 h in 85 ， aging 48 h in50 . the precent of chloride is increased to 12%14% from the past 6%8%.key words：aluminum ash；acid dissolution；polyaluminum chloride；process parameters随着经济的发展， 我国铝生产能力及产量大幅度增加. 一般每生产 1 t 铝要产生 3050 kg 铝渣铝 灰， 但目前对铝渣处理回收率低， 能量消耗大. 这 些铝灰渣如果不寻找安全、有效并且经济的方法加 以治理， 对环境的威胁将日益严重； 同时如果能开展对废弃铝渣的应用研究， 开发从工业铝渣、铝灰中回收铝的技术， 不仅对企业来说可以获得较好的经济效益， 对保护生态环境来说也具有很重要的现 实意义和实用价值1-2.聚合氯化铝（pac）是水处理行业普通采用 的 净收稿日期： 2011-05-12基金项目： 南通市社会发展项目 （s2009018 ）； 南通大学自然科学基金项目 （09zy004 ）作者简介： 石健（1972 ）， 女， 副教授， 博士， 主要从事水污染治理及控制技术方面的研究. e-mail: 南通大学学报（自然科学版）2011 年32水 剂 之 一3-9 ，其可以利用铝灰中的 al2o3 与 hcl一定浓度的盐酸溶液逐步混合加入反应容器， 按实验需要加热至一定温度， 连续搅拌并按需要加水， 实验过程中控制反应时间、 反应温度， 反应结束后 加入水稀释物料， 调节 ph 值， 沉淀并熟化一定时 间后得到液体 pac. 考察铝灰、hcl、 水三者配比， 以及反应温度、反应时间、熟化温度、熟化时间等参 数对聚合氯化铝性能的影响，结果见图 17.反应生成 alcl3 来获得. 在实际生产中， 此反应包括溶出反应、水解反应、聚合反应 3 个过程. 此法具 有原料来源广且经济效益高的特点 ， 具 有 很 强 的 实用价值.本文利用工业废料通过一步酸溶法制备了高效聚合氯化铝， 分析了铝灰、hcl、 水三者配比， 以 及反应温度、反应时间、熟化温度、熟化时间等参数 对聚合氯化铝性能的影响， 确定了制备聚合氯化铝 的最佳工艺条件.初始加水量的影响由 图 1 可 知 ， 随 着 初 始加水量的增加 ， 氯 化 铝含量增加， 这主要是因为反应过程中盐酸是铝溶 出及水解的关键性物质， 如果初始加水量太小， 则 盐酸挥发较快， 不能有效溶出铝， 这对水解反应也 是不利的. 由图知本实验中初始加水量为 15 ml 较 合适.223.1主要原料、仪器设备主要原料：铝灰（取自南通某化工厂）、浓盐酸、水.仪器设备：自制反应装置、搅拌器、酸度计等.1实验方法2取一定量的铝灰加水搅拌均匀后， 在搅拌状态下， 滴加一定量的盐酸， 在室温或水浴加热下进行2018反应. 根据具体要求， 分别改变铝灰、hcl、水三者配比， 反应温度， 反应时间， 熟化温度， 熟化时间等参数进行试验.氯化铝指标的测定采用国家标准方法进行.161446810 12 14 16 18 20 22初始加水量/ml实验结果及讨论3铝是一种较为活泼的金属， 在水溶液中通常缔合 6 个水分子， 以六水合铝离子形式存在， 荷正电 的 h 背离中心铝离子， 配位水分子中荷负电的 o 则朝向铝离子. 由于 alo 结合较强减弱了水分子 中的 oh 键强， 使得 h 容易脱离分子进入溶液， 即铝的水解. 水解导致水体酸性增强， 铝离子显露 很强的路易斯酸性， 铝离子电荷逐步减少， 氢氧根 结合逐步增多， 形成一系列的单核羟基络合物， 产 生了各种复杂的水解产物. 以铝灰和盐酸为原料采 用酸溶法制备液体聚合氯化铝就是金属铝溶出、铝 盐水解、聚合的过程， 具有反应速度快、工艺简单等 特点.实验中首先对南通某化工企业提供的铝灰进 行预处理， 晾干后称重， 再水洗除去水溶性盐类及 其它可溶解性杂质， 以降低酸耗； 然后称取铝灰与图 1氯化铝含量随初始加水量的变化酸水比的影响盐酸的浓度对溶出反应的速度起到控制作用， 同时对铝盐的水解也起到重要作用. 铝水解缩聚反 应及生成物组成取决于多种环境因素， 其中最主要 是溶液浓度及 ph 值. 盐酸浓度过高与过低均不利 于铝盐在水解过程中产生优势水 解 形 态 ， 这 对 后 续聚合氯化铝在水处理过程中的处理效果产生十 分重要的影响 ， 因此研究反应中盐酸的最佳 浓 度 是十分必要的 ， 由于在生产实际中一般采用 酸 水 比， 为了能更好地指导生产， 本实验对酸水比进行 了讨论.由图 2 可以看出， 随着酸水比增大氯化铝含量先升后降， 浓盐酸和水的比值为 1 时氯化铝含量最 高， 所以酸水比为 1 是最优条件.3.2w（氯化铝）/石健， 等：利用铝灰制备聚合氯化铝工艺参数的优化33302525202015151012341.0酸水比反应时间/h氯化铝含量随反应时间的变化图 2氯化铝含量随酸水比的变化图 4铝灰投加量的影响不同来源的铝灰或铝渣在酸溶过程中的反应 速度及反应行为是有差异的， 为了考察具体种类铝 灰对产品质量的影响 ， 故添加了铝灰投加 量 的 影 响. 由图 3 可见， 在铝灰投加量为 3 g 时氯化铝的 含量较高， 所以投加量为 3 g 相对较优.25到如果温度过高 ， 所 制 得 的 pac 的 性 能 将 下 降 ，也就是铝在水解过程中将会转化成与 al13 相比有更 高聚合度的形态， 因此结合考虑成本的条件下认为85 为最优条件.183.316142012151074 76 78 80 82 84 86 88 90 92反应温度/10图 5氯化铝含量随反应温度的变化5234铝灰投加量/g56熟化时间和温度的影响酸溶反应结束并不意味着 pac 制备完成 ， 之 后存在一定时间的熟化， 这主要是因为铝盐水解的 复杂性及 pac 的性能在很大程度上依赖于铝的水 解形态. 对于铝最简单的水解过程， 理论上可以描 述成为质子逐步从 6 个水合分子中脱去的过程， 表 现为氢氧根结合逐步增多， 铝离子电荷逐步减少， 从而形成一系列的单核羟基络合物， 其继而强烈趋 于聚合反应生成二聚体、低聚体及高聚体等多种羟 基聚合形态. 这种聚合反应结果， 是在两相邻单体 羟基铝络离子的羟基之间， 架桥形成一对具有共边 的八面体结构， 从而延续而生成复杂多变的各种羟 基聚合物. 而这些羟基聚合物对 pac 的性能有着至 关重要的影响. 因此研究熟化条件对制备高性能的 pac 来说是重要的. 由图 6 可知， 熟化时间以 48 h3.6图 3氯化铝含量随铝灰投加量的变化反应时间的影响pac 是铝盐在强制水解或部分中和条件下形 成的系列水解聚合中间产物， 反应时间对铝盐的水 解过程及水解产物有着重要的意义. 如图 4 所示， 在反应 2 h 的条件下氯化铝含量较高 ， 所 以 反 应2 h 为最优条件.3.4反应温度的影响pac 的制备及性能受众多因素的影响 ， 如 浓 度、温度、混合方式、混合条件、熟化时间、熟化温度 等. 溶液总铝浓度较高时， 提高制备温度可得到具 有较高优势形态（al13）含量的 pac. 由图 5 可以看 出， 随反应温度升高氯化铝含量逐渐增加， 但考虑3.5w（氯化铝）/w（氯化铝）/w（氯化铝）/w（氯化铝）/南通大学学报（自然科学版）2011 年34为最优条件. 同时， 图 7 表明， 5060 时氯化铝的含量较高且较为接近， 考虑制备成本选择熟化温 度 50 为最优条件.30282624222018161）通过实验确定了以铝灰为原料， 采用酸溶一步法制备聚合氯化铝的最佳工艺条件：初始加水量 为 15 ml， 酸水比为 1， 投加量 3 g， 反应时间 2 h， 反 应 温 度 85 ， 熟 化 时 间 48 h， 熟 化 温 度50 . 在此工艺条件下， 可将氯化铝的质量分数由原先的6%8%提高到 1214%.2）以铝灰为原料， 可以有效地利用被工业上废 弃的铝， 具有很强的实用价值. 但由于此方法所采 用的原料为工业所废弃的铝渣或下脚料 ， 如 果 不 进行提纯将不可避免地含有其它杂质 ， 所以 用 它 所制备的聚合铝可用于污水处理 ， 但不一定 适 合 于给水处理.1015 2025 30 3540 45熟化时间/h50图 6氯化铝含量随熟化时间的变化参考文献：1 钟华萍， 李坊平. 从热铝灰中回收铝 j. 铝加工， 2001，24 （1）：54-55.2 康 文 通 ， 李 小 云 ， 李 建 军 ， 等. 以铝灰为原料生产硫酸 铝新工艺j. 四川化工与腐蚀控制， 2000， 3 （5）：17-19.3 谢英惠， 何予基. 聚合氯化铝的合成j. 山西化工， 2001，21（4）：6-7.4 甘孟瑜， 马 利. 废铝箔制备聚合铝工艺 j. 重 庆 大 学 学 报， 2001， 24（6）：143-145.5 张瑛， 阮晓红. 水处理混凝剂及其发展方向j. 污染防治技术， 2003， 16（4）：45-49.6 mao yanli， zhang yanfeng， luo shitian， et al mechanis- mofflocculation and advances in research on flocculating a- gents for wastewater treatment j journal of central china university of science and technology ， 2008， 25 （2）：79 -80.（in chinese）7 石健， 毕大冬， 张跃. 不同 ph 值条件下天然高分子絮凝剂 处 理废水的交果研究 j. 南 通 大 学 学 报 ： 自 然 科 学 版 ，2007， 6（4）：43-46.8 shi jian， zhang yan， zou kaiyun， et al. speciation char- acterization and coagulation of pfsc：the role of interaction between hydrolyzed fe （） and silica j. journal of envi- ronmental sciences， 2011， 23（5）：749-756.9 shi jian， liu quan， wang dongsheng. studies on the re-alationship between the speciation distribution and si/fe