摘要：本文介紹了以鋁灰和鹽酸為原料制備聚合氯化鋁的方法，討論了投料比、加水量、反應(yīng)時(shí)間、鹽酸濃度等對(duì)產(chǎn)品的影響。

前言

聚合氯化鋁又稱堿式氯化鋁，簡(jiǎn)稱PAC，是介于AlCl₃和Al(OH)₃之間的水解產(chǎn)物，其化學(xué)通式為[Al₂(OH)_nCl_6-n]m，其中m≤10，n=1-5。聚合氯化鋁具有凈化效率高、用藥量少、易過濾、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是優(yōu)良的絮凝劑，廣泛用于工業(yè)廢水和生活廢水的凈化處理。另外在鑄造、醫(yī)藥、制革、造紙等方面也有廣泛用途。

聚合氯化鋁的生產(chǎn)方法按原料不同分為三氧化二鋁法（包括鋁土礦、高嶺土、煤殲石等），氫氧化鋁法和鋁法（包括鋁渣、鋁灰等）。其中以鋁灰為原料生產(chǎn)聚合氯化鋁。具有成本低，原料來(lái)源廣，流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該法又可細(xì)分為中和法和酸溶法。中和法是將燒堿和鹽酸分別與鋁灰反應(yīng)產(chǎn)出鋁酸鈉和三氯化鋁，然后以合適的配比合成聚合氯化鋁。生產(chǎn)的關(guān)鍵是鋁酸鈉和三氯化鋁溶液之間配比。酸溶法是將鋁灰和鹽酸反應(yīng)一次直接產(chǎn)出液體聚合氯化鋁，它具有反應(yīng)速度快、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。我們以鋁灰為原料，對(duì)酸溶法制備聚合氯化鋁工藝進(jìn)行了研究，得出了制備聚合氯化鋁的適宜工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料、儀器設(shè)備

主要原料：鋁灰、工業(yè)鹽酸（31%）、水

主要設(shè)備：水浴鍋、攪拌器、真空泵、電爐、分析天平、酸度計(jì)和實(shí)驗(yàn)室常用儀器

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

首先對(duì)鋁灰進(jìn)行預(yù)處理，用水洗的方法除去水溶性的鹽類，這樣可以降低鹽酸耗量，處理后的鋁灰含氧化鋁為30%左右，然后將工業(yè)鹽酸與一定量的水放入反應(yīng)器內(nèi)，攪拌并用水浴加熱。稱取1000克鋁灰，逐步加入鹽酸溶液中，由于反應(yīng)劇烈，放熱量大，應(yīng)不斷攪拌并隨時(shí)補(bǔ)加水，反應(yīng)時(shí)間控制在6-12小時(shí)，反應(yīng)溫度96℃，反應(yīng)結(jié)束后加入一定量的水稀釋物料，調(diào)節(jié)pH值為3.5-4.5，陳化15-24小時(shí)得液體洋品。鹽酸與鋁灰的反應(yīng)為：

2Al+(6-n)HCl+nH₂O→Al₂(OH)_nCl_6-n+3H₂↑

nAl+(6-n)AlCl₃+3nH₂O→3Al₂(OH)_nCl_6-n＋1.5nH₂↑

反應(yīng)中鋁的溶出，產(chǎn)物的水解和水解產(chǎn)物的聚合是交叉進(jìn)行的。液體聚合氯化鋁制備流程見圖1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 投料比[鋁灰量（g）/HCl（ml）]的影響

投料比對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。判斷聚合氯化鋁質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)是鹽基度，鹽基度為聚合氯化鋁中氫氧根與鋁的當(dāng)量百分比，即鹽基度=[OH]/[Al]×100%，當(dāng)鹽基度為50-80時(shí)，產(chǎn)品的絮凝效果較佳。在盛有100克鋁灰的容器內(nèi)分別加入不同體積的鹽酸，在95℃左右，反應(yīng)6-12小時(shí)。對(duì)產(chǎn)品的測(cè)定表明，隨著投料比增加，液體成品中氧化鋁的量增加，鹽基度也增加，選擇投料比為3：1，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 投料比與氧化鋁含量的鹽基度的關(guān)系

投料比	Al2O3(%)	鹽基度
1:1	9.2	35
2:1	10.5	49
3:1	13	55

2.2 加水量的影響

反應(yīng)過程中，特別是反應(yīng)前期，由于反應(yīng)劇烈，水分揮發(fā)損失較大，應(yīng)及時(shí)加水補(bǔ)充。加水量過少會(huì)造成鋁灰結(jié)塊，反應(yīng)不完全，加水過多，則會(huì)使鹽酸濃度變低，反應(yīng)不宜進(jìn)行，造成鹽基度減小。因此加水量要適當(dāng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)選用100-150ml水/100g鋁灰。

2.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

按鋁灰：HCl：水為3：1：3的比例改變反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鹽基度和氧化鋁含量隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過7小時(shí)后，鹽基度的變化趨于穩(wěn)定。因此取6-8小時(shí)為宜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)時(shí)間與鹽基度的關(guān)系

反應(yīng)時(shí)間（小時(shí)）	1	2	3	4	5	6	7	8
鹽基度（%）	25	34	40	46	49	51	53	54

2.4 鹽酸濃度的影響

在其它因素不變情況下，改變鹽酸濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著鹽酸濃度的增加，鹽基度增加，酸的揮發(fā)量也增加，反應(yīng)過于激烈，造成環(huán)境污染，操作困難。綜合考慮，選用20%的鹽酸。（將31%左右的工業(yè)鹽酸稀釋至20%）。

2.5 溶液鹽基度的調(diào)整

聚合氯化鋁產(chǎn)品中氧化鋁及鹽基度都要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，為此常加入少量堿性物質(zhì)對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，使液體聚合氯化鋁中氧化鋁含量大于10%，鹽基度為45-70。堿用量用下式確定：

G=k1k0(A/100)P(B-b)/100η

式中：

G一堿用量，kg；

k0一實(shí)際耗堿量與理論耗堿量之比，一般為1.05；

k1一堿與氧化鋁的當(dāng)量之比；

A一被調(diào)整溶液中氧化鋁含量，%；

B一成品液的鹽基度，%；

P一被調(diào)整溶液的重量，kg；

b一被調(diào)整液的鹽基度，%；

η一堿的有效含量系數(shù)

加入30%Na₂CO₃調(diào)節(jié)鹽基度，得液體產(chǎn)品的氧化鋁含量為10%以上，pH值為3.5-5.0，鹽基度為50-65%。

3、結(jié)論

1）通過實(shí)驗(yàn)，確定了以鋁灰為原料，采用酸溶一步法制備聚合氯化鋁的工藝條件。

2）本工藝具有流程短、生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，用工業(yè)廢渣鋁灰為原料生產(chǎn)聚合氯化鋁對(duì)于治理環(huán)境具有重要意義。