CN1186773A - 电渗析法制备聚合氯化铝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用电渗析法制备高质量聚合氯化铝的方法和利用该方法制备出的产品,本发明属于水处理药剂的生产和应用技术领域,以三氯化铝为电解液,以两张阴离子交换膜(异相膜)构成反应室,石墨板为阳极,多孔铁板为阴极,通以一定时间的直流电,即可制成聚合氯化铝的水溶液。与现有的聚合铝电渗析生产方法和其它的聚合铝生产方法相比,降低了生产成本且产品质量上都有了改进。絮凝试验显示:本发明制备的聚合铝的絮凝效果明显优于硫酸铝等传统的絮凝剂。

Description

电渗析法制备聚合氯化铝

本发明涉及一种水处理用絮凝剂的制备方法，具体是一种碱化度和有效成分Alb含量很高的聚合氯化铝的制备方法。

在水处理中，用絮凝剂来去除水中悬浮态和分散胶体态杂质，采用的絮凝剂有硫酸铝、三氯化铁等普通无机絮凝剂，聚合氯化铝、聚合硫酸铝等无机高分子絮凝剂，以及聚丙烯酰胺等有机高分子絮凝剂。

硫酸铝絮凝剂价格低廉，但形成的絮物小，聚集、沉降速度低，药剂投加量和处理后水中铝的残留量相对较高，对人体健康带来不利影响。用硫酸铝能大大降低水的碱度，在某些情况下必须与大量碱性化学药品或其他助凝剂一起使用。

三氯化铁处理水能形成较大的絮状物，并可与重金属离子发生有效的共沉淀作用，但三氯化铁等铁盐对金属的腐蚀性强，稳定性较低，使用过程需加熟石灰作为助凝剂，会产生大量污泥。

聚丙烯酰胺和其它有机高分子絮凝剂，能以较快的的速度形成较大的絮状物，但有机絮凝剂的缺点是价格较高，而且难以保证处理后水质的安全和无毒。

聚合氯化铝絮凝能力强，其用量仅为硫酸铝的二分之一到三分之一，即使在低温水中絮状物的形成速度也较快，且处理后水中残留铝量也较低，因而被广泛采用。

通常的聚合铝制备方法有以下几种：1、以铝或含铝物质(包括铝灰、由粘土矿或煤矸石提练出的三氧化二铝等)为原料的化学方法。铝灰或铝的主要成分是铝和三氧化二铝两种形态，它们都能与盐酸进行激烈的发热反应，其原理如下：

    

         随着铝的溶解，体系的PH值逐渐升高，促使溶解产物[Al(H₂O)₆]Cl₃发生水解和聚合反应

聚合的结果减少了水解产物的浓度，从而促使水解继续进行。溶解、水解、聚合互相促进使产物最终达到含一定浓度铝、一定碱化度、一定聚合度的聚合氯化铝溶液。产物的质量(碱化度、铝含量、聚合度)由反应物的投料配比和反应时间来控制。

除此之外，还有一种利用电解法，处理含铝酸性废液，同时制备碱性聚合氯化铝的方法。(昭和50-46598)。

2、以铝酸钠或氢氧化铝为原料的方法。铝酸钠或氢氧化铝和一定比例的盐酸在反应釜中进行反应生成聚合氯化铝，其产品质量基本上也是由反应物的投料配比决定的(日本公开特许昭和45-38121；昭和53-1240)。

在上述二类方法中，因生产聚合氯化铝的原料种类多、成分复杂，生产条件要求高温高压、生产过程长，聚合氯化铝的生成过程基本无法控制，因此产品质量不稳定，产品质量指标中的碱化度只能达到40～50％，主要有效絮凝成分Alb(Al₁₃聚合态)含量较低且不稳定，所以很难通过控制相同的工艺条件获得聚合度相同的产品。受原料的影响，产品杂质含量高，生产废气容易造成环境污染。

3、以三氯化铝为原料的生产方法。常见的方法主要有以下三种：

(1)中和法。在三氯化铝溶液中加入氢氧化钠、石灰、石灰石、碳酸钠等碱性物质，提高氢氧根离子的浓度，以促进三氯化铝的水解，不同的加碱量可以得到不同碱化度的聚合铝产品，其原理如下：

               这种方法的实际生产不易控制，产品质量不够稳定，不能实现适宜碱化度和有效铝成分的理想配比。

(2)电渗析法(日本公开特许昭和49-24353；昭和49-24354；昭和49-24355；)。这种方法利用了水的电解和离子交换膜的选择性透过原理，以一张阴离子交换膜和一张特制阳离子交换膜构成反应室，其特征是该阳离子交换膜只允许一价离子透过，而不允许高价离子透过。该法以三氯化铝水溶液为原料制取聚合氯化铝，产品质量完全于依赖于阳离子交换膜的质量，因该种阳离子交换膜价格较高，所以该法制造成本较高。

(3)热分解法(昭和49-43477；昭和49-43478；西德专利，No1102713[1961])。三氯化铝晶体在加热条件下，发生分解反应，可以生成聚合氯化铝：

               这种方法的生成设备庞大，分解温度也不宜过高，否则易产生三氧化二铝，所以成品的碱化度一般在50％以下，分解效率也较低。

综上所述，由于目前生产聚合氯化铝的方法存在的缺陷，导致商品聚合铝的质量不高，主要性能指标碱化度都在40～50％，主要有效絮凝成分Alb(Al₁₃)的含量一般小于45％，聚合氯化铝不能发挥应有的高效絮凝作用。

本发明的目的就是要克服当前聚合氯化铝制备中存在的缺陷，采用电化学原理提供一种高碱化度、高Alb(Al₁₃)含量并具有优异絮凝性能的聚合铝合成方法及产品。

本发明的方法是在一特制的电化学反应器内，利用三价铝离子可控制地与电化学条件下产生的氢氧根离子有效地发生聚合反应，制备高碱化度、高Alb含量聚合氯化铝的过程。铝离子来自于反应室中的三氯化铝溶液，来自于阴极室的氢氧根离子透过阴离子交换膜进入反应室。具体方法如下：

如附图所示，电解槽由两张阴离子交换(异相)膜分隔成三个室，分别是阳极室、反应室和阴极室，根据预制的产品铝含量和碱化度，将一定浓度的三氯化铝溶液加入到电解槽的反应室内，电解液的温度15～60℃，PH为3.0～4.5。以其特征是以两张阴离子交换膜构成反应室，石墨板、钛钌网等惰性电极为阳极，多孔铁板、铂片等材料为阴极；电极与邻近的膜间距1～9cm，电流密度0.5～5A/dm²。反应室内以恒定的速度强烈搅拌溶液，以增加溶液传质、消除浓差极化。直流电由一硅整流电源提供，电解槽电压为2.0～20V。电解时间2.5～11小时。由此制备的聚合氯化铝碱化度为60％左右，有效铝Alb含量为60％左右，总铝浓度0.2～1.0M。本发明的电化学原理如下：

阳极反应： ；或

阴极反应：

上述反应发生的同时，在直流电场的作用下，阴极室内的阴离子(OH^-)透过阴离子交换膜向阳极方向作迁移，而进入反应室与Al³⁺溶液发生中和反应，从而生成聚合氯化铝的水溶液；与此同时，反应室内的部分Cl^-向在电场的作用下向阳极室迁移。在上述电迁移过程中，由于电解槽采用两张阴离子交换膜，这种膜的特点是只允许阴离子选择性透过，而不允许阳离子透过，所以阳极室和反应室内阳离子(如Al³⁺)都不会透过阴离子交换膜而进入相邻的反应室或极室内。因此反应室内的化学反应是：

        

在上式中，Al_m(OH)_nCl_3m-n即聚合氯化铝，nCl^-迁移至阳极室。

本发明的特点是：

(1)采用常规的阴离子交换(异相)膜，这种膜与前述只允许一价阳离子透过的特制的阳离子相比，造价便宜得多，因此本发明在制造成本上具有较高的经济性。

(2)本发明制备的产品中，没有杂质氯化钠的存在，产品纯度很高。

(3)本发明在阴极室采用氢氧化钠溶液作为电极液，保证了从阴极室向反应室迁移的离子只能是氢氧根离子，从而保证了聚合铝产品的纯度

(4)制备工艺流程简单，工艺条件要求低，在常温常压下就可进行生产制备，无需高温高压的条件和设备。

(5)制备过程易于控制，仅需调节少量参数就可以有效控制聚合铝的生成过程，进而保证了产品质量的稳定性。

(6)制备聚合氯化铝的设备紧凑，可以直接用于水处理过程现场生产和投加，省略了水处理药剂的储存、溶解及运输过程，从而可节约大量的生产费用。

(7)聚合氯化铝产品中有效成分和碱化度明显优于现有的制备方法之产品。

(8)絮凝效果比现有方法制备的聚合铝显著提高。

本发明的实施实例之一：

在如附图所示的电解槽中，阳极室加入0.1mol/L的硫酸钠水溶液；反应室加入0.26mol/L的AlCl₃水溶液600毫升，同时在反应室开始搅拌，在阴极室加入0.1mol/L的氢氧化钠水溶液，在下述条件下实施直流电解：

电极  阳极：石墨板    规格  100×100×1mm(液面下)

      阴极：多孔铁板  规格  100×100×1mm(液面下)

电极与膜的间距：2.0cm

电流强度：1A

电    压：11～12V

温    度：18～45℃

电解时间：9.2小时电解结束后，立即对最终电解液进行分析，制备的聚合氯化铝主要指标如下：

      总铝浓度：0.26mol/L

      碱化度： 60.6％

      Alb含量：60.92％经测算，电流效率82.64％。

将电解液静止24小时，电解液中含有少量的沉淀(经分析，沉淀中含铝量不足电解液中总铝量的5％)，再次分析，结果如下：

    总铝浓度：0.26mol/L

    碱化度：  60.6％

    Alb含量： 61.8％本发明的实施实例之二：

在如附图所示的电解槽中，阳极室加入0.4mol/L的硫酸钠水溶液；反应室加入1.04mol/L的AlCl₃水溶液300毫升，同时在反应室开始搅拌，在阴极室加入0.4mol/L的氢氧化钠水溶液，在下述条件下实施直流电解：

    电极  阳极：石墨板    规格  50×100×1mm(液面下)

          阴极：多孔铁板  规格  50×100×1mm(液面下)

    电极与膜的间距：2.0cm

    电流强度：2A

    电    压：20V

    温    度：18～60℃

    电解时间：9.2小时电解结束后，立即对最终电解液进行分析，制备的聚合氯化铝主要指标如下：

    总铝浓度：1.04mol/L

    碱化度：  62.3％

    Alb含量： 60.50％经测算，电流效率85％.

将电解液静止24小时，电解液中含有少量的沉淀(经分析，沉淀中含铝量不足电解液中总铝量的5％)，再次分析，结果如下：

    总铝浓度：1.04mol/L

    碱化度： 62.3％

    Alb含量：61.5％

为验证本发明制备产品的絮凝性能，对市售聚合铝(中国唐山东昌公司出品，Al₂O₃％为17.6，碱化度50％)，本发明制备聚合铝(以下简称E-PAC)、三氯化铝(AlCl₃)、硫酸铝(Al₂(SO₄)₃·18H₂O)进行性能对比试验，试验条件如下：

试验对象液：含200mg/L高岭土的悬浊液，浊度：121.9NTU，PH＝7.1

实验步骤：在六联混凝搅拌机上进行混凝试验。每次使用悬浊液500mL，四个500mL烧杯为一组，然后在四个烧杯中同时分别加入四种絮凝剂，使悬浊液中絮凝剂浓度均为10^-5M(以铝Al³⁺计)，快速搅拌(200r/min)30秒，之后慢速搅拌10min(40r/min)，静止10～15min，取上清液，分别测定浊度。浊度的测定：采用日本NDH-20型光散射浊度仪，浊度单位为NTU。

实验步骤：在六联混凝搅拌机上进行混凝试验。每次使用悬浊液500mL，四个500mL烧杯为一组，然后在四个烧杯中同时分别加入四种絮凝剂，使悬浊液中絮凝剂浓度均为10^-5M(以铝Al³⁺计)，快速搅拌(200r/min)30秒，之后慢速搅拌10min(40r/min)，静止10～15min，取上清液，分别测定浊度。浊度的测定：采用日本NDH-20型光散射浊度仪，浊度单位为NTU。实验结果如下：

    悬浊液浊度(NTU)    121.9    121.9    121.9    121.9

    絮凝剂种类         市售PAC  E-PAC    AlCl₃ Al₂(SO₄)₃

    絮凝剂添加浓度     10^-5    10^-5    10^-5    10^-5

    (以铝Al³⁺计)M

    絮凝后上清液浊度   23.5     20.4     61.6     58.9

    (NTU)

由上述结果可以看出，本发明制备的聚合氯化铝与市售聚合铝在絮凝效果上不相上下，与其他水处理药剂相比，在絮凝性能上具有明显的优越性。

Claims (3)

1、一种制备聚合氯化铝的生产方法，其特征是以两张阴离子交换膜构成反应室，石墨板、钛钌网等惰性电极为阳极，多孔铁板、铂片等材料为阴极，三氯化铝或硫酸铝的水溶液为原料，通以一定时间的直流电来制备聚合氯化铝的方法。

2、一种水处理药剂的水溶液-聚合氯化铝的水溶液，其特征是碱化度60％，有效絮凝成分Alb含量达到60％，聚合铝的铝浓度为0.1～1.0M。

3、本方法的电极室的溶液特点是：阴极室采用0.05～1.0M的氢氧化钠水溶液，阳极室采用氯化钠、氯化铝或硫酸钠等强电解质的水溶液。