ПОЛИХЛОРИД АЛЮМИНИЯ: СОСТАВ, СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ. - ХИМИЯ - 2025

Класс водорастворимых неорганических алюминиевых продуктов называется полиалюминийхлорид , образованный частичной реакцией хлорида алюминия AlCl ₃ с основанием. Это твердое вещество от белого до желтого цвета. Его общая формула часто выражается как Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . Они также известны как PAC или PACl (хлорид полиалюминия).

РАС сформулированы так, чтобы содержать катионные полимеры высоких (наборы нескольких молекул с большим количеством положительных зарядов), состоящими из ионов алюминия (Al ³⁺ ), хлорид - ионов (Cl ^- ), гидроксильных ионов (ОН) ^- и молекулы воды (Н ₂ O).

Полиалюминийхлорид (PAC) используется для удаления органических и неорганических веществ из воды в флокуляторах очистных сооружений. Автор: Кубингер. Источник: Pixabay.

Самый важный катионный полимер из этих видов называется Al ₁₃ или Keggin-Al13, который очень эффективен при очистке воды и в целлюлозно-бумажной промышленности.

В этих случаях ПАУ прилипают к поверхности частиц, заставляя их связываться друг с другом и оседать, то есть падать на дно и фильтровать.

Он также был успешно протестирован на улучшение свойств портландцемента, поскольку он модифицирует или изменяет его структуру на микроуровне, что делает цемент более стойким.

Структура

PAC или PACl состоит из ряда видов, начиная от мономеров (одна молекула), димеров (две молекулы, соединенные вместе), олигомеров (от трех до пяти молекул, соединенных вместе) до полимеров (многие молекулы соединены вместе).

Его общая формула - Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . Когда эти частицы содержат ионы A, растворенные в воде ³⁺ , ионы гидроксила OH ^- , ионы хлора Cl ^- и молекулы воды H ₂ O.

В водном растворе его общая формула: Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} или также Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

Наиболее применимым из этих полимеров является полимер под названием Al ₁₃ или Keggin-Al13, формула которого - AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ . Вид Al ₁₃ имеет трехмерную форму.

Предполагается, что предшественником этого поликатиона является Al (OH) ₄ ^- , который имеет тетраэдрическую конформацию и находится в центре структуры.

Номенклатура

- полихлорид алюминия

- PAC (полиалюминий хлорид)

- PACl (полиалюминий хлорид)

- Полиалюминий хлорид

- полигидроксихлорид алюминия

- Гидрохлорид алюминия или ACH (хлорид алюминия).

Свойства

Физическое состояние

Твердое вещество (порошок) от белого до желтого цвета, которое также получают в виде водных растворов различной концентрации.

Растворимость

Растворим в воде.

Характеристики коммерческих ПАК

Различные PAC отличаются друг от друга в основном двумя вещами:

- Прочность, выраженная в% оксида алюминия Al ₂ O _3.

- Его основность, которая указывает количество полимерного материала в ПАУ, может варьироваться от 10% (низкая основность), 50% (средняя основность), 70% (высокая основность) и 83% (самая высокая основность, которая соответствует гидрохлориду алюминия или ACH).

Химические свойства

PAC - это разновидность водорастворимых алюминиевых продуктов. Его общая формула часто выражается как Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) .

Поскольку они производятся путем реакции хлорида алюминия (AlCl ₃ ) с основанием, основность этих типов продуктов зависит от относительного количества ионов ОН ^- по сравнению с количеством алюминия (Al).

Согласно формуле Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) основность определяется как m / 3n.

Это флокулянт. Он обладает такими свойствами, как легкость адсорбции на других частицах с противоположным зарядом (он прилипает к их поверхности), коагуляция (объединение нескольких частиц, на которых он был адсорбирован) и осаждение этих групп объединенных частиц.

ПАУ могут быть нестабильными, поскольку зависят от pH. Они могут вызывать коррозию.

Поведение PAC в воде

При растворении PAC в воде и в зависимости от pH образуются различные разновидности гидроксила алюминия (Al-OH).

Он гидролизуется или реагирует с водой с образованием мономеров (унитарных молекул), олигомеров (от 3 до 6 связанных молекул) и полимеров (более 6 связанных молекул).

Наиболее важной разновидностью является полимер с 13 атомами алюминия, который называется Keggin-Al13.

Функция PAC как флокулянта

Полимер Keggin-Al13 адсорбируется на частицах, присутствующих в воде, то есть он прилипает к их поверхности и заставляет их соединяться друг с другом, образуя хлопья.

Хлопья представляют собой группы очень мелких частиц, агглютинированных или объединенных в более крупные структуры, которые могут осаждаться, то есть опускаться на дно водного раствора.

После образования хлопьев, когда они становятся достаточно большими, они уходят на дно, и водный раствор становится чистым.

Резервуары для флокуляции и осаждения водоочистных сооружений, где можно использовать хлорид алюминия (PAC). Qualit-E в английской Википедии. Источник: Wikimedia Commons.

получение

Растворы PAC или PACl обычно получают добавлением щелочного или щелочного раствора к раствору хлорида алюминия (AlCl ₃ ).

Для получения большого количества полимеров Al ₁₃ добавляемое основание или щелочь не должны давать ионы ОН ^- слишком быстро и не слишком медленно.

Некоторые исследования указывают на то, что трудно производить стабильную высокую концентрацию Al ₁₃ с использованием NaOH , потому что он освобождает ионы ОН ^- слишком быстро в воду.

По этой причине основной кальций (Ca) , предпочтительными являются соединения, которые имеют низкую растворимость в воде и , таким образом , освободить ионы ОН ^- медленно. Одним из таких основных соединений кальция является оксид кальция CaO.

Вот шаги, которые происходят для формирования PAC.

Гидролиз

Когда соли алюминия (iii) растворяются в воде, происходит реакция спонтанного гидролиза, в которой катион алюминия Al ³⁺ забирает гидроксильные ионы OH ^- из воды и связывается с ними, оставляя свободные протоны H ⁺ :

Al ³⁺ + H ₂ O → Al (OH) ²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → Al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

Этому способствует добавление щелочи, то есть ионов ОН ^- . Ион алюминия Al ³⁺ все больше присоединяется к анионам ОН ^- :

Al ³⁺ → Al (OH) ²⁺ → Al (OH) ₂ ⁺ → Al (OH) ₃ ⁰ → Al (OH) ₄ ^-

Кроме того, ^{образуются} такие частицы, как Al (H ₂ O) ₆ ³⁺ , то есть ион алюминия, связанный или координированный с шестью молекулами воды.

Полимеризация

Затем между этими видами образуются связи, образуя димеры (наборы из 2 молекул) и тримеры (наборы из 3 молекул), которые трансформируются в олигомеры (наборы из 3–5 молекул) и полимеры (наборы из многих соединенных молекул).

Al (OH) ₂ ⁺ → Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ → Al ₃ (OH) ₅ ⁴⁺ → Al ₆ (OH) ₁₂ ⁶⁺ → Al ₁₃ (OH) ₃₂ ⁷⁺

Этот тип соединений соединен мостиками ОН друг с другом и с Al (H ₂ O) ₆ ^3+, образуя наборы молекул, которые называются гидроксокомплексами, или поликатионами, или гидроксиполимерами.

Общая формула этих катионных полимеров: Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} или также Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +.} .

Важность полимера

Наиболее полезным из этих полимеров считается так называемый Al ₁₃ , формула которого представляет собой AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ , и он также известен как Keggin-Al13.

Это разновидность с 7 положительными зарядами (то есть семивалентный катион) с 13 атомами алюминия, 24 единицами ОН, 4 атомами кислорода и 12 единицами воды H ₂ O.

Приложения

- В водоподготовке

PACl - это коммерческий продукт для очистки воды и обеспечения ее пригодности для питья (чистой и пригодной для питья). Также он позволяет очищать сточные и промышленные воды.

Воду можно сделать питьевой, если ее обработать полиалюминийхлоридом (PAC). Автор: ExplorerBob. Источник: Pixabay.

Он используется как коагулирующий агент в процессах улучшения качества воды. Он более эффективен, чем сульфат алюминия. Его производительность или поведение зависит от присутствующих видов, которые зависят от pH.

Как это работает

PACl позволяет коагулировать органический материал и минеральные частицы. Коагуляция означает, что удаляемые соединения переходят из растворенного состояния в твердое. Это достигается за счет взаимодействия его положительных зарядов с отрицательными зарядами коагулируемых материалов.

Считается, что разновидность Al ₁₃ , имеющая такое количество положительных зарядов (+7), является наиболее эффективной в нейтрализации зарядов. Затем происходит образование перемычек между частицами, которые агломерируются и образуют хлопья.

Эти хлопья, будучи очень тяжелыми, имеют тенденцию осаждаться или оседать, то есть опускаться на дно емкости, содержащей воду, которую обрабатывают. Таким образом, их можно удалить фильтрацией.

Полиалюминийхлорид (PAC) используется для осаждения органических и неорганических веществ на очистных сооружениях. Фото Инженерного корпуса армии США. Источник: Wikimedia Commons.

преимущество

PAC лучше, чем сульфат алюминия, потому что он обладает лучшими низкотемпературными характеристиками, оставляет меньше остатков алюминия, производит меньший объем осадка, меньше влияет на pH воды и быстрее и крупнее образуются хлопья. Все это способствует седиментации для последующей фильтрации.

Воду в бассейне можно очищать полиалюминийхлоридом (PAC). Автор: Kalhh. Источник: Pixabay.

-В целлюлозно-бумажной промышленности

PAC особенно эффективен для модификации коллоидных наполнителей в производстве бумаги. Коллоидные заряды - это заряды взвешенных твердых частиц в смесях для изготовления бумажной массы.

Это позволяет ускорить дренаж (удаление воды), особенно в нейтральных и щелочных условиях, и помогает удерживать твердые частицы. Твердые вещества - это те вещества, которые позже, при сушке, образуют бумагу.

В этом приложении используются ПАУ с низкой (0-17%) и средней (17-50%) основностью.

На целлюлозно-бумажных комбинатах полиалюминий хлорид (PAC) используется для облегчения процесса осаждения. Автор: 151390. Источник: Pixabay.

- Для улучшения цемента

Недавно (2019 г.) было проведено тестирование добавления PACl к портландцементу. Было установлено , что присутствие Cl ^- хлорид - ионов и полимерных алюминиевых групп изменить структуру цемента. По оценкам, образуются комплексные соли формулы 3CaO.Al ₂ O ₃ .CaCl ₂ · 10H ₂ O.

Строительный цемент можно улучшить с помощью полиалюминийхлорида (PAC). Скиз. Источник: Wikimedia Commons.

Результаты показывают, что PACl улучшает свойства цемента, уменьшает количество микропор (очень маленьких отверстий), и матрица становится более плотной и компактной, поэтому сопротивление сжатию увеличивается.

Эффект усиливается с увеличением содержания PACl. Исследование подтверждает, что добавление PACl к портландцементу дает смесь с превосходными механическими и микроструктурными свойствами.

С полиалюминийхлоридом пористость цемента уменьшается, и он становится более прочным. Черно-черный111. Источник: Wikimedia Commons.

Ссылки

1. Kim, T. et al. (2019). Исследование влияния хлорида полиалюминия на свойства обычного портландцемента. Материалы 2019, 12, 3290. Восстановлено с mdpi.com.
2. Li, Y. et al. (2019). Оптимизация флокулянта на основе хлорида алюминия и хитозана для обработки суспензии свиного биогаза с использованием метода поверхности отклика Бокса-Бенкена. Int. J. Environ. Res. Public Health 2019, 16, 996. Получено с mdpi.com.
3. Hubbe, M. Полиалюминий хлорид (PAC). Мини-энциклопедия химии мокрой части бумажного производства. Восстановлено с сайта projects.ncsu.edu.
4. Тан, Х. и др. (2015). Видообразование, стабильность и механизмы коагуляции кластеров гидроксила алюминия, образованных PACl и квасцами: критический обзор. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, JY et al. (1980). Исследования растворов гидролизованного хлорида алюминия. 1. Природа видов алюминия и состав водных растворов. The Journal of Physical Chemistry, Vol. 84, No. 22, 1980. Получено с pubs.acs.org.
6. Чжао, Х.-З. и другие. (2009). Высококонцентрированный хлорид полиалюминия: подготовка и влияние концентрации Al на распределение и преобразование форм алюминия. Журнал химической инженерии 155 (2009) 528-533. Восстановлено с sciencedirect.com.
7. Jia, Z. et al. (2004). Синтез хлорида полиалюминия с мембранным реактором: влияние рабочих параметров и пути реакции. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Восстановлено с pubs.acs.org.
8. GEO Speciality Chemicals. Полиалюминий хлорид (PAC). Восстановлено с geosc.com.