專利名稱：聚合氯化鋁的電化學(xué)合成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水處理用絮凝劑的制備方法，具體是一種堿化度和有效成分Alb含量很高的聚合氯化鋁的制備方法。
在水處理中，用絮凝劑來去除水中懸浮態(tài)和分散膠體態(tài)雜質(zhì)，采用的絮凝劑有硫酸鋁、三氯化鐵等普通無機(jī)絮凝劑，聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁等無機(jī)高分子絮凝劑，以及聚丙烯酰胺等有機(jī)高分子絮凝劑。
硫酸鋁絮凝劑價格低廉，但形成的絮物小，聚集、沉降速度低，藥劑投加量和處理后水中鋁的殘留量相對較高，對人體健康帶來不利影響。用硫酸鋁能大大降低水的堿度，在某些情況下必須與大量堿性化學(xué)藥品或其他助凝劑一起使用。
三氯化鐵處理水能形成較大的絮狀物，并可與重金屬離子發(fā)生有效的共沉淀作用，但三氯化鐵等鐵鹽對金屬的腐蝕性強(qiáng)，穩(wěn)定性較低，使用過程需加熟石灰作為助凝劑，會產(chǎn)生大量污泥。
聚丙烯酰胺和其它有機(jī)高分子絮凝劑，能以較快的的速度形成較大的絮狀物，但有機(jī)絮凝劑的缺點(diǎn)是價格較高，而且難以保證處理后水質(zhì)的安全和無毒。
聚合氯化鋁絮凝能力強(qiáng)，其用量僅為硫酸鋁的二分之一到三分之一，即使在低溫水中絮狀物的形成速度也較快，且處理后水中殘留鋁量也較低，因而被廣泛采用。
通常的聚合鋁制備方法有以下幾種1、以鋁或含鋁物質(zhì)(包括鋁灰、由粘土礦或煤矸石提練出的三氧化二鋁等)為原料的化學(xué)方法。鋁灰或鋁的主要成分是鋁和三氧化二鋁兩種形態(tài)，它們都能與鹽酸進(jìn)行激烈的發(fā)熱反應(yīng)，其原理如下
隨著鋁的溶解，體系的PH值逐漸升高，促使溶解產(chǎn)物[Al(H2O)6]Cl3發(fā)生水解和聚合反應(yīng)聚合的結(jié)果減少了水解產(chǎn)物的濃度，從而促使水解繼續(xù)進(jìn)行。溶解、水解、聚合互相促進(jìn)使產(chǎn)物最終達(dá)到含一定濃度鋁、一定堿化度、一定聚合度的聚合氯化鋁溶液。產(chǎn)物的質(zhì)量(堿化度、鋁含量、聚合度)由反應(yīng)物的投料配比和反應(yīng)時間來控制。
除此之外，還有一種利用電解法，處理含鋁酸性廢液，同時制備堿性聚合氯化鋁的方法。(昭和50-46598)。
2以鋁酸鈉或氫氧化鋁為原料的方法。鋁酸鈉或氫氧化鋁和一定比例的鹽酸在反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)生成聚合氯化鋁，其產(chǎn)品質(zhì)量基本上也是由反應(yīng)物的投料配比決定的(日本公開特許昭和45-38121；昭和53-1240)。
在上述二類方法中，因生產(chǎn)聚合氯化鋁的原料種類多、成分復(fù)雜，生產(chǎn)條件要求高溫高壓、生產(chǎn)過程長，聚合氯化鋁的生成過程基本無法控制，因此產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)中的堿化度只能達(dá)到40～50％，主要有效絮凝成分ALb(Al13聚合態(tài))含量較低且不穩(wěn)定，所以很難通過控制相同的工藝條件獲得聚合度相同的產(chǎn)品。受原料的影響，產(chǎn)品雜質(zhì)含量高，生產(chǎn)廢氣容易造成環(huán)境污染。3以三氯化鋁為原料的生產(chǎn)方法。常見的方法主要有以下三種(1)中和法。在三氯化鋁溶液中加入氫氧化鈉、石灰、石灰石、碳酸鈉等堿性物質(zhì)，提高氫氧根離子的濃度，以促進(jìn)三氯化鋁的水解，不同的加堿量可以得到不同堿化度的聚合鋁產(chǎn)品，其原理如下這種方法的實(shí)際生產(chǎn)不易控制，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)適宜堿化度和有效鋁成分的理想配比。
(2)電滲析法(日本公開特許昭和49-24353；昭和49-24354；昭和49-24355；)。這種方法利用了水的電解和離子交換膜的選擇性透過原理，以三氯化鋁為原料制取聚合氯化鋁，這種方法工藝復(fù)雜，制造的產(chǎn)品質(zhì)量完全于依賴于離子交換膜的質(zhì)量(3)熱分解法(昭和49-43477；昭和49-43478；西德專利，No1102713)。三氯化鋁晶體在加熱條件下，發(fā)生分解反應(yīng)，可以生成聚合氯化鋁這種方法的生成設(shè)備龐大，分解溫度也不宜過高，否則易產(chǎn)生三氧化二鋁，所以成品的堿化度一般在50％以下，分解效率也較低。
綜上所述，由于目前生產(chǎn)聚合氯化鋁的方法存在的缺陷，導(dǎo)致商品聚合鋁的質(zhì)量不高，主要性能指標(biāo)堿化度都在40～50％，主要有效絮凝成分Alb(Al13)的含量一般小于45％，聚合氯化鋁不能發(fā)揮應(yīng)有的高效絮凝作用。
本發(fā)明的目的就是要克服當(dāng)前聚合氯化鋁制備中存在的缺陷，采用電化學(xué)原理提供一種高堿化度、高Alb(Al13)含量并具有優(yōu)異絮凝性能的聚合鋁合成方法及產(chǎn)品。
本發(fā)明采取的方法是在一特制的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，利用三價鋁離子可控制地與電化學(xué)條件下產(chǎn)生的羥基離子有效地發(fā)生聚合反應(yīng)，制備高堿化度、高Alb含量聚合氯化鋁的過程。鋁離子可以來自于鋁陽極溶出，也可以來自于電解溶液，或同時來自于以上二種途徑。具體方法如下根據(jù)預(yù)制產(chǎn)品中鋁含量和堿化度，將一定濃度的三氯化鋁溶液加入到特制的有機(jī)玻璃電解槽內(nèi)，電解液溫度15～60℃，PH為3.0～4.5。以鋁板、鋁塊或鋁絲等作為陽極，鐵板作為陰極，電極的工作方式采取多極復(fù)合形式，電極間距1～9cm，電流密度1～15A/dm2。電解槽液以強(qiáng)磁力攪拌，以增加溶液傳質(zhì)、消除濃差極化。直流電由一硅整流電源提供，電解槽電壓為1.0～2.5v。電解時間3～6小時。由此制備的聚合氯化鋁堿化度為60～80％，有效鋁Alb含量為60～80％。
本發(fā)明的電化學(xué)原理如下陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)總的化學(xué)反應(yīng)
上述反應(yīng)發(fā)生的同時，在陽極上也可能發(fā)生；和的反應(yīng)，結(jié)果使陽極鋁板發(fā)生鈍化，還造成電化學(xué)加堿量的減少，使生成聚合鋁的反應(yīng)效率降低。本發(fā)明通過控制電解槽壓，消除了這種副作用。
本發(fā)明的特點(diǎn)是(1)通過采用強(qiáng)磁力攪拌，增加溶液傳質(zhì)，消除了濃差極化；
(2)通過采取多極復(fù)合聯(lián)接方式，最大限度地減小了電化學(xué)極化，提高了電流效率；(3)通過增加電解液中氯離子含量，有效防止了陽極鈍化；(4)通過有效控制低電壓、高電流，提高了聚合氯化鋁的電化學(xué)合成效率；(5)制備工藝流程簡單，工藝條件要求低，在常溫常壓下就可進(jìn)行生產(chǎn)制備，無需高溫高壓的條件和設(shè)備。
(6)制備過程易于控制，僅需調(diào)節(jié)少量參數(shù)就可以有效控制聚合鋁的生成過程，進(jìn)而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性(7)制備聚合氯化鋁的設(shè)備緊湊，可以直接用于水處理過程現(xiàn)場生產(chǎn)和投加，省略了水處理藥劑的儲存、溶解及運(yùn)輸過程，從而可節(jié)約大量的生產(chǎn)費(fèi)用。
(8)制備的聚合氯化鋁產(chǎn)品無任何雜質(zhì)，有效克服了現(xiàn)有化學(xué)法制備的多種弊端。
(9)聚合氯化鋁中有效成分和堿化度的配比明顯優(yōu)于現(xiàn)有的制備方法。
(10)絮凝效果比現(xiàn)有方法制備的聚合鋁顯著提高。
本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例之一如附圖
所示，在容積為5升的有機(jī)玻璃電解槽中，加入0.05mol/L的AlCl3水溶液3.5升，在下述條件下實(shí)施電解制備電極 陽極鋁板(純度99％) 100×100×1mm 4片陰極鐵板 100×100×1mm 4片電解電源直流穩(wěn)壓電源(可恒流)電路車接并聯(lián)電極間距1.5cm電流強(qiáng)度6A電壓2.2～2.5v溫度18～45℃電解時間6.5小時電解結(jié)束后，立即對最終電解液進(jìn)行分析，制備的聚合氯化鋁主要指標(biāo)如下總鋁濃度0.22mol/L堿化度 70.6％Alb％含量66.88％將電解液靜止24小時，電解液中含有少量的沉淀(經(jīng)分析，沉淀中含鋁量不足電解液中總鋁量的5％)，再次分析，結(jié)果如下總鋁濃度0.22mol/L堿化度72.0％Alb％含量71.8％本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例之二如附圖所示，在一個容積為5升的電化學(xué)反應(yīng)器中，加入0.1mol/L的AlCl3水溶液2.6升，按下述條件實(shí)施電解制備電極 陽極鋁板(純度99％) 100×100×1mm陰極鐵板 100×100×1mm電極間距1.5cm電流強(qiáng)度8A
電壓1.5v溫度18～50℃電解時間7.2小時電解結(jié)束后，立即對電解液進(jìn)行分析，制備的聚合氯化鋁主要指標(biāo)如下總鋁濃度0.455mol/L堿化度 71.0％Alb％量69.05％將電解液靜止24小時，電解液中含有少量的沉淀(經(jīng)分析，沉淀中含鋁量不足電解液中總鋁量的5％)，再次分析，結(jié)果如下總鋁濃度0.455mol/L堿化度 71.0％Alb％量72.5％為驗(yàn)證本發(fā)明制備產(chǎn)品的絮凝性能，對大禹聚合鋁(中國唐山-東昌公司出品，Al2O3％為17.6，堿化度50％，以下簡稱大禹PAC)，本發(fā)明制備聚合鋁(以下簡稱E-PAC)、三氯化鋁(AlCl3)，硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O)進(jìn)行性能對比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下試驗(yàn)對象液含200mg/L高嶺上的懸濁液，濁度44.3NTU，PH＝7.1實(shí)驗(yàn)步驟在六聯(lián)混凝攪拌機(jī)上進(jìn)行混凝試驗(yàn)。每次使用懸濁液500mL，四個500mL燒杯為一組，然后在四個燒杯中同時分別加入四種絮凝劑，使懸濁液中絮凝劑濃度均為10-5mol/L(以鋁Al3-計(jì))，快速攪拌(200r/min)30秒，之后慢速攪拌10min(40r/min)，靜止10～15min，取上清液，分別測定濁度。濁度的測定采用日本NDH-20型光散射濁度儀，濁度單位為NTU。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下懸濁液濁度(NTU) 44.3 44.3 44.344.3絮凝劑種類 大禹PAC E-PACAlCl3Al2(SO4)3·18H2O絮凝劑投加濃度 10-510-510-510-5(以Al計(jì))mol/L絮體生成外觀 絮體較大、較密絮體大、密絮體小、松絮體小、松實(shí)、沉降速度較實(shí)、沉降速散、沉降速散、沉降速度快 度快 度慢 慢絮凝后上清液濁度8.7 3.4 22.521.5(NTU)由上述結(jié)果可以看出，本發(fā)明制備的聚合氯化鋁與其他水處理藥劑相比，在絮凝性能上具有明顯的優(yōu)越性。
權(quán)利要求
1.一種制備聚合氯化鋁的生產(chǎn)方法，其特征是以鋁為陽極，三氯化鋁或硫酸鋁的水溶液為電解液，通以低電壓大電流的直流電來制備聚合氯化鋁的方法。
2.一種水處理藥劑的水溶液-聚合氯化鋁的水溶液，其特征是堿化度60～80％，有效絮凝成分Alb含量達(dá)到60～80％，聚合鋁溶液的鋁濃度為0.2～1.0mol/L。
3.采用陰極、陽極的多電極并聯(lián)方式，并根據(jù)反應(yīng)器的容量和制備藥液量調(diào)整并聯(lián)極板數(shù)目，以取得所需要的電流與電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高質(zhì)量的聚合氯化鋁的制備方法和利用該方法制備出的產(chǎn)品,本發(fā)明屬于水處理藥劑的生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,以三氯化鋁為電解液,鋁板為陽極,鐵板為陰極,通以一定時間的低電壓、大電流的直流電,即可制成聚合氯化鋁的水溶液。本發(fā)明的生產(chǎn)的產(chǎn)品的堿化度達(dá)到60～80%,有效絮凝成分Alb含量達(dá)到60～80%,這些指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市售聚合鋁產(chǎn)品。絮凝試驗(yàn)顯示:本發(fā)明制備的聚合鋁的絮凝效果明顯優(yōu)于市售聚合鋁、三氯化鋁和硫酸鋁。
文檔編號C25B1/26GK1177653SQ97111808
公開日1998年4月1日 申請日期1997年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者曲久輝, 路光杰, 湯鴻霄, 劉鴻志 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心