用鋁灰生產(chǎn)聚合氯化鋁的工藝研究

陳思忠，徐惠彬

（1.徐州創(chuàng)達工程設(shè)計有限公司，江蘇 徐州 221008；2.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

聚合氯化鋁，又叫堿式氯化鋁，亦稱羥基氯化鋁，簡稱PAC，是一種無機高分子混合物。其化學(xué)通式為［Al2（OH）nCl6－n］m，（1≤n≤5，1≤m≤10），產(chǎn)品有液體和固體兩種。液體聚合氯化鋁呈淡黃色或無色透明液，有時色澤因其含雜質(zhì)及鹽基度大小不同而呈黃褐色、灰白色等；固體聚合氯化鋁色澤與液體產(chǎn)品類似，形狀隨鹽基度大小而變，鹽基度在30％以下時為晶體，在60％以上時逐漸呈玻璃狀或樹脂狀。固體聚合氯化鋁的鹽基度在70％以上時不易潮解。聚合氯化鋁易溶于水而發(fā)生水解，并發(fā)生電化學(xué)、凝聚、吸附和沉淀等物理化學(xué)過程，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水和生活廢水的凈化處理[1-2]，凈化效率高，用量少，是一種優(yōu)良的無機絮凝劑（凈水劑）。

聚合氯化鋁的生產(chǎn)方法按原料來源不同可分為：三氧化二鋁法（例鋁土礦、高嶺土、煤矸石等），氫氧化鋁法和鋁灰法（例鋁渣、鋁屑、鋁灰等）。以鋁灰為原料生產(chǎn)聚合氯化鋁具有成本低、原料易得、生產(chǎn)工藝簡單等特點。

聚合氯化鋁的生產(chǎn)工藝按化學(xué)反應(yīng)原理可分為堿溶法、酸溶法和中和法。堿溶法因產(chǎn)品中的氯化鈉含量高、生產(chǎn)成本高已被淘汰。中和法亦稱二步法，先將燒堿和鋁灰反應(yīng)制得鋁酸鈉，將鹽酸和鋁灰反應(yīng)制得三氯化鋁，然后將鋁酸鈉和三氯化鋁以合適的配比合成聚合氯化鋁[3]。酸溶法亦稱一步法，是將鋁灰和鹽酸反應(yīng)直接得到液體聚合氯化鋁，工藝簡單，但生產(chǎn)中為防止揮發(fā)的氯化氫氣體逃逸而污染環(huán)境，須有冷凝回流裝置。

為循環(huán)利用江蘇四方鋁業(yè)有限公司在冶煉鋁生產(chǎn)中排放的鋁灰，以及新沂嘉泰化工有限公司在聚氯乙烯生產(chǎn)中排放、水吸收后得到的廢鹽酸，選取酸溶法（一步法）工藝線路，對生產(chǎn)聚合氯化鋁進行了工藝試驗研究，得到了生產(chǎn)中可行的工藝參數(shù)，并對聚合氯化鋁液體產(chǎn)品的凈水效果進行了模擬試驗，證明自制的產(chǎn)品具有較好的絮凝作用，凈水效果明顯。

1 試驗過程

1.1 試驗原料、儀器

原料：鋁灰（江蘇四方鋁業(yè)有限公司提供），廢鹽酸（新沂嘉泰化工有限公司提供）。

儀器：四頸燒瓶，電動攪拌器，真空泵，布氏漏斗，酸度計，電子稱，電爐，水浴鍋，溫度計，球形冷凝管等。

1.2 試驗原理

鹽酸與鋁灰的反應(yīng)方程式為：

2Al+（6－n）HCl+nH2O＝Al2（OH）nCl6－n+3H2↑

nAl+（6－n）AlCl3+3nH2O＝3Al2（OH）nCl6－n+1.5nH2↑

反應(yīng)中鋁的酸溶浸出、產(chǎn)物的水解是同步進行的，水解物的聚合是隨后進行的。設(shè)定的工藝流程見圖1。

圖1聚合氯化鋁的生產(chǎn)工藝流程

1.3 試驗過程

取200 mL廢鹽酸，用酸堿中和滴定法測得其濃度為15％。

將鋁灰粗篩，篩除草木、泥石，然后用研缽研磨，20目篩過篩，篩上物回摻繼續(xù)研磨，篩下物待用。

化學(xué)試驗操作步驟：搭好裝置，往四頸燒瓶內(nèi)加入計量的水和鋁灰，開啟攪拌，開啟水浴加熱和冷凝器，滴加鹽酸。影響反應(yīng)的主要參數(shù)有原料配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、攪拌速度、熟化時間、熟化溫度等。鹽酸的滴加在半小時內(nèi)完成。

1.3.1 反應(yīng)溫度對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應(yīng)時間2 h，熟化時間36 h，熟化溫度室溫，攪拌速度為中速（200r/min）。結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)溫度對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表1結(jié)果看出，確定反應(yīng)溫度為85℃較合理。溫度越高，鹽酸越易揮發(fā)，雖經(jīng)冷凝后回流，但加熱耗能高；溫度低，反應(yīng)慢。

1.3.2 反應(yīng)時間對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應(yīng)溫度85℃，熟化時間36 h，熟化溫度室溫，攪拌速度為中速（200 r/min）。結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)時間對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表2結(jié)果看出，確定反應(yīng)時間為2 h較合理。反應(yīng)時間越長，加熱耗能高；反應(yīng)時間越短，反應(yīng)不充分，有鋁灰未完全反應(yīng)。

1.3.3 攪拌速度對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應(yīng)時間2 h，反應(yīng)溫度85℃，熟化時間36 h，熟化溫度室溫。結(jié)果見表3。

表3 鋁灰投加量對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表3結(jié)果看出，確定攪拌速度為200 r/h較合理。攪得太快，導(dǎo)致鹽酸揮發(fā)得快；攪得太慢，反應(yīng)物接觸不充分，延長了反應(yīng)時間，甚至有鋁灰未完全反應(yīng)。

1.3.4 鋁灰投料量對聚合氯化鋁性能的影響

鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應(yīng)時間2 h，熟化時間36 h，熟化溫度室溫，攪拌速度為中速（200 r/min）。結(jié)果見表4。

表4 鋁灰投加量對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表4結(jié)果看出，確定鋁灰的投加量為6.8 g較為適宜。鋁灰投加得太多，反應(yīng)后有剩余；鋁灰投加得太少，反應(yīng)后產(chǎn)品指標(biāo)不達標(biāo)。

1.3.5 熟化溫度對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應(yīng)時間2 h，熟化時間36 h，反應(yīng)攪拌速度為中速（200 r/min）。結(jié)果見表5。

表5 熟化溫度對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表5結(jié)果看出，熟化溫度為60℃，產(chǎn)品質(zhì)量較好。

1.3.6 熟化時間對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應(yīng)時間2 h，熟化溫度60℃，反應(yīng)攪拌速度為中速（200 r/min）。結(jié)果見表6。

表6 熟化時間對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表6結(jié)果看出，熟化時間36 h為宜。因為熟化時間36 h后產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)不再趨好，甚至因產(chǎn)品吸潮水解質(zhì)量下降。

2 凈水效果模擬試驗

聚合氯化鋁分子結(jié)構(gòu)大，吸附能力強，用量少，處理成本低。聚合氯化鋁溶解性好，活性高，在水體中凝聚形成的礬花大，沉降快，比其他無機絮凝劑凈化能力大2～3倍。聚合氯化鋁適應(yīng)性強，受水體pH值和溫度影響小，原水凈化后達到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，處理后水質(zhì)中陽、陰離子含量低，有利于離子交換處理和高純水的制備。聚合氯化鋁的應(yīng)用領(lǐng)域較寬泛，還可用于處理工業(yè)用水、生活污水、工業(yè)廢水、污泥及污水中某些渣質(zhì)回收等。聚合氯化鋁對某些處理難度大的工業(yè)廢水,可以聚合氯化鋁為母體,摻入其他藥劑，如聚丙烯酰胺，配成復(fù)合凈水劑，處理污水能得到更佳的效果。

凈水效果模擬試驗：稱取少量的液體聚合氯化鋁，先加水加熱預(yù)溶，攪拌；分別倒入模擬配制的帶有顏色的無機污水（含泥沙、氯化鈣）和有機污水（含植物油、機油）的燒杯中，并不斷攪拌，靜置幾分鐘后，觀察現(xiàn)象。無機污水的燒杯中出現(xiàn)分層現(xiàn)象，上層為清液，下層為絮狀不溶物沉淀。有機污水的燒杯中也出現(xiàn)分層現(xiàn)象，下層為清液，上層為絮狀漂浮物并裹挾著泡沫。

試驗證明，研制的產(chǎn)品處理污水時絮凝效果明顯，并且對無機污水處理效果更加理想；使用時最佳投加量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 80×10-6～120×10-6；若產(chǎn)品有沉淀，搖勻后再使用。

3結(jié)論

以鋁灰和廢鹽酸為原料制取聚合氯化鋁，采用酸溶一步法工藝，具有流程短、生產(chǎn)設(shè)備簡單、成本低等特點。通過研究確定的最佳工藝條件為：若使用15％的鹽酸溶液，投料比（鋁灰∶水∶廢鹽酸）為 3.4∶5∶115，攪拌速度200 r/min，反應(yīng)溫度控制在85℃左右，鹽酸滴加時間1 h，反應(yīng)時間控制在2 h左右，在反應(yīng)過程中，特別是反應(yīng)前期由于反應(yīng)劇烈，又是發(fā)熱反應(yīng)，水分揮發(fā)損失較大，要加大冷凝管冷卻水的進出量，產(chǎn)品熟化時間36 h，產(chǎn)品熟化溫度60℃，間歇性生產(chǎn)。

目前,國內(nèi)工業(yè)廢水、城市生活污水等處理時，絮凝劑需求量達450萬t/a以上,這給聚合氯化鋁的生產(chǎn)、銷售提供了廣闊的市場空間。聚合氯化鋁在水處理中是一種高效的絮凝劑，其生產(chǎn)中利用工業(yè)廢棄物作為原料，既節(jié)省材料費，又能使廢物循環(huán)利用，既有環(huán)保效益，又有經(jīng)濟效益，促進了循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。開發(fā)高效、連續(xù)化生產(chǎn)工藝，必將成為今后聚合氯化鋁工業(yè)生產(chǎn)研究的熱點；聚合氯化鋁與其他類無機或有機高分子絮凝劑復(fù)合或復(fù)配使用的應(yīng)用研究是今后的方向。

[1] 王紅衛(wèi)，張映春，張秀榮.堿式氯化鋁生產(chǎn)工藝的改進[J].油田節(jié)能，2000(3)：27-29.

[2] 韋立東.用鋁灰制聚合氯化鋁的酸溶試驗[J].維綸通訊，2003(4)：12-14.

[3] 陳志強，程相春.聚合氯化鋁的生產(chǎn)及應(yīng)用[J].化學(xué)工程師，2008(5)：46-47.