铝渣制备聚合氯化铝的研究.doc

铝渣制备聚合氯化铝的研究徐颖惠(武夷学院 化学与环境工程系, 福建 武夷山 354300)摘要: 以铝型材碱洗废渣为原料, 采用酸溶 聚合一步法工艺, 制得符合行业标准的工业聚合氯化铝产品。 推导得产品盐基度 B 与外加酸量 nH Y 及产品 A l2O 3 含量 nA l之间的经验式 B % = nH Y /6nA l) 3 100% , 可用于产品设计和产品 质量改进的指导。通过正交试验确定了适宜的制备工艺条件, 每 114g 铝渣用浓盐酸 83m l、酸浓度 4m o l/l、在 80下反应3h。 制得产品盐基度 47. 1% 、A l2O 3 % 11. 2%、密度 1. 23g/cm 3。(1-关键词: 聚合氯化铝; 铝渣; 酸溶 聚合一步法中图分类号: TQ 314124文献标识码: A文章编号: 1674- 2109 (2008) 02- 0024- 061引言2实验铝渣产生于铝材的氧化着色加工过程, 为铝材碱洗工序产生的废弃物。在铝型材的氧化加工过程中, 铝 材损耗最大的即为碱洗过程的碱溶反应, 约占全部生 产过程溶损的 90 以上, 按碱洗溶损占铝型材重量的3 计, 目前, 全国仅铝型材氧化着色这一项的碱溶损 就达 3 万吨1 , 由其产生的铝渣就更多。该铝渣如果堆 存, 不仅占用大量的堆场, 而且渗出液还会污染地下水 与周边环境, 危害植物与人体的安全。因此铝渣就成为一个环境关注问题。药品与仪器铝渣取自某铝型材厂, 成分列于表 1, 盐酸为市售 化 学纯试剂。仪器有: 电热恒温水浴锅、500m l 三颈烧 瓶、电动搅拌器、空气冷凝管等。2. 2制备原理制备过程主要反应有以下 3 个:2. 12A lC l3 + (3 + x ) H 2OA l2O 3 x H 2O + 6H C l (1)A l2 (O H ) nC l6- n + nH C l2A lC l3 + nH 2O (2)表 1某厂铝渣的主要化学成分m A l2 (O H ) nC l6- n A l2 (O H ) nC l6- n m (3)首先是固体铝渣在盐酸溶液中的溶解。其次是溶 解产物三氯化铝的水解, 水解过程中产生的酸又反过 来促进未溶解固体铝渣中 A l2O 3 x H 2O 的溶解, 两者表 1 列出某厂碱洗铝渣的主要化学成分。从表可知该铝渣是一种很好的铝资源, 本工作试图以其为原 料, 制备用于污水处理的一种新型无机高分子絮凝剂 聚合氯化铝, 以实现以废治废的目的, 有利于保护生态、保护环境。相互促进, 为产品的比重 A l2O 3 含量及盐基度 B 等主要质量指标奠定基础。第三是水解产物分子之间通过O H - 间架桥缩合, 聚合成有较大分子量的无机高聚 物。该聚合的结果减少了水解产物的浓度, 又促进水解 反应, 依此逐步推进, 使反应向高铝浓度、高盐基度、高收稿日期: 2008 - 3 - 30作者简介: 徐颖惠 (1952 - ) , 男, 汉族, 教授, 主要研究方向:成分A l2O 3有机酸盐其它不溶物H 2O含量 38. 40. 750. 47余量图 1、图 2 及图 3 是反应过程中料液A l3+ 浓度、盐 基度及 p H 值随反应时间的变化关系。反应条件是 40 克铝渣加 11 盐酸 144m l、水 150m l 在 70 下反应。 反应过程中补加了三次铝渣 (分别为图 1 的 a 点 10 克、 b 点 10 克、c 点 6 克)。从图 1 可知, 该铝渣反应活性很好, 不论是反应初 始时添加的 40 克铝渣, 还是反应中途补加的 3 次共 26 克铝渣均能在较短时间内反应溶解。根据化学计量计 算, 144m l 11 盐酸只能溶解 38. 2 克的铝渣, 故反应 过程中补加的铝渣完全由 A l3+ 水解生成的酸所溶, 这 也是补加铝渣前, 料液盐基度一直为 0, 而一补加铝渣 后马上就升高的原因 (见图 2)。换言之, 反应过程中溶 解的铝可分为二种, 一是酸溶铝, 由外加酸所溶; 另一 是 A l3+ 水解所生成的酸所溶, 称为水解溶铝。当反应 料液中铝的溶解以酸溶铝为主时, 料液中残酸尚强, 盐 基度肯定低; 当反应料液中铝的溶解转向以水解溶铝 为 主时, 料液中残酸基本消耗完, 盐基度开始逐渐提 高。比较上 3 幅图, 从 CA l3+ t 曲线及B t 曲线可 知, 随料液 B 的增大, 铝渣的溶解速度逐渐减慢, 这 反映出 A l3+ 水解的速度也在减慢, 盐基度的增加也在 减慢。结合 p H t 曲线 ( 图 3) 知, 伴随料液盐基度值 从 0 开始增大, 料液的 P H 值也开始增大, 因而也可以 通过监测反应过程中料液的 p H 值变化来直观地监测 反应的进行。p H 反应温度 酸 用量 反应时间; 对盐基度B 影响的强度顺序是酸 用量 反应时间 酸浓度 反应温度。从图 a、b 知, 随反应温度的升高、产品的盐基度和表 2盐基度计算值与实验值的对比从表 2 可知, 试样盐基度的实际测定值都小于按公式 (4)的计算值, 这是反应过程中的铝离析所致。反应过程中有一部A l2O 3 含量均降低。这与温度升高、A l3+水解反应速率分 A l3+过渡水解转化成 A l (O H ) 3 而离开液相, 以沉淀的形式加快和程度加大有关, 后者加大了铝离析的程度。故反应温度以 80 为宜。从图 c、d 知, 随酸浓度加大产品盐 基 度逐渐降低, A l2O 3 增大。前者与酸浓度加大不利 于 A l3+ 水解的进行有关, 后者反映出酸浓度的加大有 利于增大铝的溶出。鉴于盐基度是产品更重要的质量指标, 故酸浓度以 4m o l/l 为宜。从图 e、f 知, 随用酸量析出, 其结果减少了液相 A l2O 3 , 使 nA l 值变小, 盐基度的实测值, 自然也就低于按公式 (4) 的计算值。公式 (4) 中 nH Y /6nA l 项 反映出的实际上是酸溶铝占液相总铝的份数。根据化学计量关 系可知 6 m o l H C l 可溶解 1 m ol A l2O 3 , nH Y m olH C l 则可溶解 nH Y /6 m o l 的 A l2O 3。因为外加酸的量 nH Y 是确定的, 因而 nH Y /6 的量也是确定的。但 nA l 因子的量除酸溶铝外还包括水解所生 成的酸对铝溶出的贡献, 后者是水解所溶的铝与离析过程带走 的铝的差, 这两者都与反应条件密切相关, 有很多因素是隐含 和不易被发现的, 故需对产品的制备工艺条件进行优化。同时, 公式 (4) 也告诉我们, 如何控制最佳的制备条件来努力降低铝离析是制备成功的关键。的增大, 产品中盐基度和 A l2O 3 都降低。根据上述推导的公式 (4) , 对同样量的铝渣, 所加的酸量大 ( 即 nH Y大 ) , 当然盐基度低。所加的酸量大, 酸溶铝就多, A l3+水解的速率与程度都加大, 铝离析3. 2适宜制备条件的确定表 4正交试验及其结果的直观分析反应温度()酸浓度(m ol. l- 1 )用酸量(m l)反应时间(h )d(g /cm 3 )样号A l2O 3 B 123456788080809090901001004. 85. 454. 04. 85. 454. 04. 85. 451251048310483125831254355433520. 9533. 5147. 9630. 5340. 7627. 9845. 0120. 698. 9110. 478. 798. 8410. 227. 678. 298. 561. 231. 261. 221. 201. 231. 201. 211. 22 9 100 4. 0 104 4 31. 40 6. 94 1. 17 试样号123加酸量 /m l 产品密度 d /g. cm - 3 产品体积 V /m l 产品中 A l2O 3 按公式 (4) 计算值 0. 8641. 153307. 5148. 50. 8641. 163206. 8442. 21. 0081. 173357. 7243. 4实际测定值37. 931. 130. 9酸浓度(m ol. l- 1 )反应温度()用酸量(m l)反应时间(h )d(g /cm 3 )样号B A l2O 3 A l2O 3 K 1K 2K 3因素影响序酸浓度 反应温度 用酸量 反应时间9. 398. 917. 937. 808. 689. 759. 108. 758. 388. 818. 698. 73 R 1. 46 1. 95 0. 72 0. 12 B K 1K 2K 3R因素影响序34. 1433. 0930. 873. 2735. 7832. 1631. 654. 1344. 5831. 8123. 2121. 3735. 5031. 0433. 064. 46用酸量 反应时间 酸浓度 反应温度反应温度 T /反应温度对盐基度的影响反应温度 T /反应温度对 A l2O 2 含量的影响图 a图 b酸浓度 m o l/L酸浓度对盐基度的影响酸浓度 m o l/L酸浓度对 A l2O 3 含量的影响图 c图 d用酸量 /m L用酸量对盐基度的影响用酸量 /m L用酸量对 A l2O 3 含量的影响图 e图 f28武夷学院学报2008 年第 2 期反应时间 t/h反应时间对盐基度的影响反应时间 t/h反应对 A l2O 3 含量的影响图 g图 h图 4正交试验及其结果的直观分析也就相应增大, 自然 A l2O 3 和 B 两项指标就降低。实际上不仅用酸量减少, 产品盐基度增大, 在相 同用酸量时, 随酸浓度的减少, 产品的盐基度也增大,这 在表 4 的 3# 、7# 、5# 样组 ( 水平 3 组) ; 2# 、9# 、4# 样组 (水平 2 组) 及 6# 、1# 、8# 样组 (水平 1 组)中就表现的非常有规律 (见表 5)。表 5加酸量及酸浓度对产品盐基度的影响加酸量 /m l酸浓度 /m o l. l- 1 83 104 125 4. 04. 848. 045. 033. 531. 428. 021. 0 5. 45 40. 8 30. 5 20. 7 图 g、h 都 显 示 随 反 应 时 间 增 长, 产 品 盐 基 度 和A l2O 3 呈下降趋势, 这可能也与反应时间增长, A l3+水解程度增大致铝离析程度增大有关。综上 适 宜 的 反 应 条 件 是 A 1B 3C 3D 2 , 即 反 应 温 度80、酸浓度 4. 0m o l/l、用酸量 83 m l、反应时间 3h。表6 列出按该条件重复 2 样所制产品的检测结果。表 6重复实验结果密度 /g. cm - 3样号A l2O 3 B 硫酸盐 铁 酸不溶物 p H未检出未检出3. 53. 53. 5未检出未检出0. 01/12 优等品 3 一等品 3 合格品 311. 710. 610. 0 11. 010. 0 11. 010. 0 11. 01. 231. 241. 191. 191. 1948. 146. 045 6045 6045 604. 04. 03. 5 5. 03. 5 5. 03. 5 5. 0000. 20. 51. 0表 中3为 工 业 聚 合 氯 化 铝 行 业 标 准3结论H G /T 267795 的指标值。从表中 1、2 号样品的检测结果表明, 该两样品均达到聚合氯化铝产品质量标准 的要求。说明该工艺稳定性和重复性好。(1) 以铝材碱洗废渣为原料, 采用酸溶 聚合一步法工艺, 可以制得符合行业标准的工业聚合氯化 铝产品。实验表明该铝渣反应活性好, 制备工艺具有流(2) 采用正交试验确定了适宜的制备工艺条件,每 114g 铝渣用浓盐酸 83m l、酸浓度 4m o l/l、在 80 下 反 应 3h。制得产品平均盐基度 47. 1 、A l2O 3 11. 2、密度 1. 23g /cm 3 , 质量符合 H G /T 267795 标准要求。改进的指导。参考文献:王铁柱. 利用氧化着色铝材碱洗废液制造聚合氯化铝 J . 工业水处理, 1999, 19 (3) 35.1(3) 推导得产品盐基度 B与外加酸量 nH Y 及产品胡万里编著. 混凝. 混凝剂. 混凝设备 M .版社, 2001.北京: 化工出2A l2O 3 含 量nA l 之 间 的 经 验 式 B (1 -=nH Y /6nA l ) 3 100 , 该式可用于产品设计和产 品 质 量A Study of A lum in iumCh lor ide Prepara t ionU s in g A lum in ium Sed im en tsXU Y in gh u i(D ep a r tm en t o f C h em ist ry an d E n v iro nm en t E n g in ee r in g, W u y i U n ive r sity,W u y ish an , F u jian 354300)A bstra c t: U sing a lk a li w a sh sed im en t s o f a lum in ium ba r sec t io n a s raw m a te r ia l, and o ne step tech n ic s o f ac id d isso lu t io n andpo lym e r iza t io n to o b ta in indu st r ia l qua lif ied a lum in ium ch lo r ide. B y w ay o f deduc t io n, th e em p ir ica l fo rm u la o f p ro duc t io n ba se B , ad sc it it io u s ac id nH Y and p ro duc t io n co n ten t nA L o f A L 2O 3 is B % = (