Aluminiumpolykloridstruktur, egenskaper, erhållning, användningsområden

Heter aluminiumpolyklorid till en klass av vattenlösliga oorganiska aluminiumprodukter, bildade genom partiell reaktion av aluminiumklorid AlCl₃ med en bas. Det är ett vitt till gult fast ämne. Dess allmänna formel uttrycks ofta som Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m). De är också kända som PAC eller även PACl (akronym på engelska PolyAluminiumklorid).

PAC: er är formulerade så att de innehåller mycket katjoniska polymerer (sammansättningar av flera molekyler med många positiva laddningar) som består av aluminiumjoner (Al³⁺kloridjoner (Cl^-hydroxyljoner (OH)^- och vattenmolekyler (H_tvåELLER).

Den viktigaste katjoniska polymeren av dessa arter kallas Al₁₃ o Keggin-Al13 som är mycket effektivt vid vattenrening och i massa- och papperstillverkningsindustrin.

I dessa applikationer vidhäftar PAC: erna på partiklarnas yta och får dem att binda ihop och kan sedimentera, det vill säga falla mot botten och kan filtreras..

Det har också testats framgångsrikt för att förbättra egenskaperna hos Portlandcement, eftersom det modifierar eller ändrar sin struktur på mikronivå och detta gör cementen mer motståndskraftig.

Artikelindex

• 1 Struktur
• 2 Nomenklatur
• 3 fastigheter
  • 3.1 Fysiskt tillstånd
  • 3.2 Löslighet
  • 3.3 Egenskaper för kommersiella PAC
  • 3.4 Kemiska egenskaper
  • 3.5 PAC: s beteende i vatten
  • 3.6 PAC: s roll som flockningsmedel
• 4 Skaffa
  • 4.1 Hydrolys
  • 4.2 Polymerisering
  • 4.3 Viktpolymer
• 5 användningsområden
  • 5.1 - Vid vattenbehandling
  • 5.2 -I massa- och papperstillverkningsindustrin
  • 5.3 - För att förbättra cementet
• 6 Referenser

Strukturera

PAC eller PACl består av en serie arter som sträcker sig från monomerer (en enda molekyl), dimerer (två molekyler sammanfogade), oligomerer (tre till fem molekyler sammanfogade) till polymerer (många molekyler sammanfogade).

Dess allmänna formel är Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m). Vid lösning i vatten innehåller dessa arter aljoner³⁺, hydroxyljoner OH^-, kloridjon Cl^- och vattenmolekyler H_tvåELLER.

I vattenlösning är dess allmänna formel Al_x(ÅH)_Y(H_tvåELLER)_n^(3x-y)+ eller också Al_xELLER_z(ÅH)_Y(H_tvåELLER)_n^(3x-y-2z)+.

Den mest användbara av dessa polymerer kallas Al₁₃ eller Keggin-Al13 vars formel är AlO₄Till₁₂(ÅH)₂₄(H_tvåELLER)₁₂⁷⁺. Arten Al₁₃ har en tredimensionell form.

Det uppskattas att föregångaren till denna polykation är Al (OH)₄^-, som presenterar en tetrahedral konformation och är belägen i mitten av strukturen.

Nomenklatur

- Aluminiumpolyklorid

- PAC (förkortning av engelska Poly aluminiumklorid)

- PACl (akronym på engelska Poly aluminiumklorid)

- Polyaluminiumklorid

- Aluminiumpolyhydroxiklorid

- Aluminiumhydroklorid eller ACH (akronym på engelska Aluminiumklorhydrat).

Egenskaper

Fysiskt tillstånd

Vitt till gult fast ämne (pulver) som också erhålls i form av vattenlösningar med olika koncentrationer.

Löslighet

Lösligt i vatten.

Egenskaper för kommersiella PAC

De olika PAC: n skiljer sig från varandra, huvudsakligen genom två saker:

- Dess styrka, uttryckt som% aluminiumoxid Al_tvåELLER_3.

- Dess basitet, som indikerar mängden polymermaterial i PAC, och kan variera mellan 10% (låg bas), 50% (medium basicitet), 70% (hög basicitet) och 83% (högsta basicitet, vilket motsvarar aluminiumhydroklorid eller ACH).

Kemiska egenskaper

PAC är ett slags vattenlösliga aluminiumprodukter. Dess allmänna formel uttrycks ofta som Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m).

Eftersom de produceras genom att reagera aluminiumklorid (AlCl₃) med en bas beror basiteten hos denna typ av produkt på den relativa mängden OH-joner^- jämfört med mängden aluminium (Al).

Enligt formeln Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m), basicitet definieras som m / 3n.

Det är ett flockningsmedel. Den har egenskaper som lätt adsorption på andra partiklar med motsatt laddning (den fäster vid ytan på dessa), koagulering (sammanslutning av flera partiklar på vilka den har adsorberats) och utfällning av dessa grupper av förenade partiklar.

PAC kan vara instabila eftersom de beror på pH. De kan vara frätande.

Uppförande av PAC i vatten

Vid upplösning av PAC i vatten och beroende på pH bildas olika typer av aluminiumhydroxyl (Al-OH).

Hydrolyserar eller reagerar med vatten för att bilda monomerer (enhetliga molekyler), oligomerer (3 till 6 molekylbindningar) och polymerer (mer än 6 bindningsmolekyler).

Den viktigaste arten är en polymer med 13 aluminiumatomer, som kallas Keggin-Al13.

PAC: s roll som flockningsmedel

Keggin-Al13-polymeren adsorberar på partiklarna som finns i vattnet, det vill säga den klibbar på ytan av dessa och får dem att lägga till varandra och bilda flock.

Flockar är grupper av mycket små partiklar agglutinerade eller förenade för att bilda större strukturer som kan sedimentera, det vill säga gå till botten av den vattenhaltiga lösningen..

Efter att ha bildat flockar, när de är tillräckligt stora, går de till botten och den vattenhaltiga lösningen är ren.

Erhållande

PAC- eller PACl-lösningar erhålls i allmänhet genom tillsats av en bas eller alkalisk lösning till en lösning av aluminiumklorid (AlCl₃).

För att erhålla en stor mängd Al-polymerer₁₃ basen eller den tillsatta alkalin får inte ge OH-joner^- för snabbt inte för långsamt.

Studier tyder på att det är svårt att producera en stabil hög koncentration av Al₁₃ använder NaOH eftersom det frigör OH-joner^- för snabbt i vattnet.

Av denna anledning föredras basiska kalcium (Ca) -föreningar, som har låg löslighet i vatten och därmed frigör OH-joner.^- långsamt. En av dessa basiska kalciumföreningar är kalciumoxid CaO.

Här är stegen som sker för bildandet av PAC.

Hydrolys

När aluminiumsalterna (iii) löser sig i vatten inträffar en hydrolysreaktion spontant i vilken aluminiumkatjonen Al³⁺ tar hydroxyljoner OH^- vatten och binder till dem och lämnar protoner H⁺ fri:

Till³⁺ + H_tvåO → Al (OH)^två+ + H⁺

Till³⁺ + 2 timmar_tvåO → Al (OH)_två⁺ + 2 timmar⁺

Detta gynnas genom att tillsätta en alkali, det vill säga OH-joner.^-. Aluminiumaljon³⁺ binder alltmer till OH-anjoner^-:

Till³⁺ → Al (OH)^två+ → Al (OH)_två⁺ → Al (OH)₃⁰ → Al (OH)₄^-

Dessutom har arter såsom Al (H_tvåELLER)₆³⁺, det vill säga en aluminiumjon bunden eller samordnad med sex vattenmolekyler.

Polymerisation

Sedan bildas bindningar mellan dessa arter och bildar dimerer (uppsättningar av 2 molekyler) och trimerer (uppsättningar av 3 molekyler) som transformeras till oligomerer (uppsättningar av 3 till 5 molekyler) och polymerer (uppsättningar av många förenade molekyler).

Al (OH)_två⁺ → Al_två(ÅH)_två⁴⁺ → Al₃(ÅH)₅⁴⁺ → Al₆(ÅH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(ÅH)₃₂⁷⁺

Denna typ av art är kopplad av OH-broar med varandra och med Al (H._tvåELLER)₆³⁺ bildande uppsättningar av molekyler som kallas hydroxikomplex eller polykationer eller hydroxipolymerer.

Den allmänna formeln för dessa katjoniska polymerer är Al_x(ÅH)_Y(H_tvåELLER)_n^(3x-y)+ eller också Al_xELLER_z(ÅH)_Y(H_tvåELLER)_n^(3x-y-2z)+.

Polymer av betydelse

Den mest användbara av dessa polymerer tros kallas Al₁₃ vars formel är AlO₄Till₁₂(ÅH)₂₄(H_tvåELLER)₁₂⁷⁺, och det är också känt som Keggin-Al13.

Det är en art med 7 positiva laddningar (det vill säga en heptavalent katjon) med 13 aluminiumatomer, 24 OH-enheter, 4 syreatomer och 12 H-vattenenheter._tvåELLER.

Applikationer

- Vid vattenbehandling

PACl är en kommersiell produkt för att behandla vatten och göra det drickbart (rent och drickbart). Det tillåter också behandling av avfall och industriellt vatten.

Det används som koagulationsmedel i vattenförbättringsprocesser. Det är mer effektivt än aluminiumsulfat. Dess prestanda eller beteende beror på vilken art som är närvarande, vilket beror på pH.

Hur fungerar det

PACl gör att organiskt material och mineralpartiklar koaguleras. Koagulering betyder att de föreningar som ska elimineras går från att upplösas till att vara fasta. Detta uppnås genom växelverkan mellan dess positiva laddningar och de negativa av materialen som ska koaguleras..

Arten Al₁₃, eftersom den har så många positiva laddningar (+7) är den den mest effektiva för att neutralisera laddningar. Sedan bildas broar mellan partiklarna som agglomererar och bildar flockar.

Dessa flockar, som är mycket tunga, tenderar att fälla ut eller sedimentera, det vill säga gå till botten av behållaren som innehåller vattnet som behandlas. På detta sätt kan de avlägsnas genom filtrering.

Fördel

PAC är bättre än aluminiumsulfat eftersom det har bättre lågtemperaturprestanda, lämnar mindre aluminiumrester, ger mindre slamvolym, mindre effekt på vatten-pH och snabbare och större flockar bildas. Allt detta underlättar sedimentering för senare filtrering..

-Inom massa- och pappersindustrin

PAC är särskilt effektivt för att modifiera kolloidala fyllmedel vid papperstillverkning. Kolloidala laddningar är laddningarna av de suspenderade fasta ämnena i blandningarna för att framställa pappersmassa..

Det gör det möjligt att påskynda dräneringshastigheten (eliminering av vatten), särskilt i neutrala och alkaliska förhållanden, och hjälper till att hålla kvar fasta ämnen. De fasta ämnena är de som senare, vid torkning, bildar papperet.

I denna ansökan används PAC med låg (0-17%) och medel (17-50%) grundläggande egenskaper.

- För att förbättra cementet

Nyligen (2019) har tillsats av PACl till Portland cement testats. Det bestämdes att närvaron av kloridjoner Cl^- och av de polymera grupperna av aluminium förändrar cementens struktur. Det uppskattas att komplexa salter med formeln 3CaO bildas._tvåELLER₃.CaCl_två.10H_tvåELLER.

Resultaten indikerar att PACl förbättrar cementens egenskaper, minskar antalet mikroporer (mycket små hål) och matrisen blir tätare och kompaktare, därför ökar motståndet mot kompression..

Effekten ökar med ökande innehåll av PACl. Studien bekräftar att genom att tillsätta PACl till Portlandcement erhålls en blandning med överlägsna mekaniska och mikrostrukturella egenskaper..

Referenser

1. Kim, T. et al. (2019). Undersöker effekterna av polyaluminiumklorid på egenskaperna för vanligt Portland Cement. Material 2019, 12, 3290. Återställd från mdpi.com.
2. Li, Y. et al. (2019). Optimering av polyaluminiumklorid-chitosan-flockningsmedel för behandling av grisbiogasuppslamning med Box-Behnken Response Surface Method. Int. J. Environ. Res. Folkhälsa 2019, 16, 996. Återställd från mdpi.com.
3. Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Återställd från projects.ncsu.edu.
4. Tang, H. et al. (2015). Specifikations-, stabilitets- och koagulationsmekanismer hos hydroxylaluminiumkluster bildade av PACl och alun: En kritisk granskning. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Återställd från ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, J.Y. et al. (1980). Studier av hydrolyserade aluminiumkloridlösningar. 1. Arten av aluminiumarter och sammansättning av vattenlösningar. The Journal of Physical Chemistry, Vol. 84, nr 22, 1980. Hämtad från pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. et al. (2009). Högkoncentrerad polyaluminiumklorid: Beredning och effekter av Al-koncentrationen på distribution och transformation av Al-arter. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Återställd från sciencedirect.com.
7. Jia, Z. et al. (2004). Syntes av polyaluminiumklorid med en membranreaktor: driftsparametereffekter och reaktionsvägar. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Återställd från pubs.acs.org.
8. GEO Specialitetskemikalier. Polyaluminiumklorid (PAC). Återställd från geosc.com.