聚鋁多元鹽的生產(chǎn)工藝及凈水作用

王儒富

(成都大學(xué)生物工程學(xué)院，四川成都，610106)

科研與開發(fā)

聚鋁多元鹽的生產(chǎn)工藝及凈水作用

王儒富

(成都大學(xué)生物工程學(xué)院，四川成都，610106)

聚鋁多元鹽是應(yīng)用活性鋁土礦粉和鋁酸鈣粉溶于鹽酸-水解-堿式化-橋連等反應(yīng)的生成物，稱其為聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽，簡(jiǎn)稱聚鋁多元鹽。聚鋁多元鹽具有優(yōu)良的凈水作用：一是因?yàn)闃蜻B堿式鋁鐵鈣鎂鹽串聯(lián)形成橋連鏈吸附凈水作用；二是因?yàn)闃蜻B堿式鋁鐵鈣鎂鹽并聯(lián)形成網(wǎng)狀吸附凈水作用。

聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽 橋連堿式氯化鋁 橋連鏈吸附凈水作用 網(wǎng)狀吸附凈水作用

鋁土礦、煤矸石、油頁(yè)巖等屬于鋁鐵硅酸鹽礦物質(zhì)，均含有多元弱堿金屬氧化物如氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、有的含氧化鈦、二氧化硅等。經(jīng)破碎、磨粉、活化(焙燒)等工藝轉(zhuǎn)化成活性多元氧化物、硅酸鹽和二氧化硅等礦粉，統(tǒng)稱活性鋁鐵硅酸鹽礦粉，或?qū)Ｖ阜Q活性鋁土礦、活性煤矸石、活性油頁(yè)巖等?；钚远嘣鯄A金屬氧化物能溶于一定量的酸-水解-堿式化-橋連(聚合)生成堿式多元鹽[1，2]，可做凈水劑。

活性鋁土礦粉是鋁土礦經(jīng)破碎-磨粉-活化(焙燒)的產(chǎn)品稱活性鋁土礦粉[3]，其產(chǎn)品含有活性多元弱堿金屬氧化物。弱堿金屬氧化物溶于鹽酸生成弱堿金屬鹽，其鹽易水解生成堿式鹽，兩相鄰堿式基(羥基/OH-)橋連聚合，形成橋連堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽[2]，具有優(yōu)良地凈水作用，簡(jiǎn)稱聚鋁多元鹽凈水劑[4]。

鋁酸鈣粉是高品位鋁土礦中的氧化鋁與高品位碳酸鈣中氧化鈣按一定的摩爾比配料，經(jīng)破碎-磨粉-成球于高溫?zé)Y(jié)形成新的物相鋁酸鈣，鋁酸鈣球粒再磨粉得到鋁酸鈣粉[5，6]，其粉料具有活性且含有高鋁高鈣和少量的鐵鎂，用做鋁堿化劑，能提高鋁鹽凈水劑的堿化度和堿式鋁的含量[7]。

聚鋁多元鹽是簡(jiǎn)約縮寫名[4]，全稱聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽，它實(shí)際是“橋連堿式氯化鋁+橋連堿式氯化鐵+橋連堿式氯化鈣+橋連堿式氯化鎂”等四個(gè)橋連堿式鹽的聚合大分子化合物。

聚鋁多元堿式鹽凈水劑主要用于自來水原水處理、城市生活污水處理和工業(yè)廢水處理等。

硅酸鹽(鉀、鈉、鈣、鎂硅酸鹽)和二氧化硅礦粉溶于酸生成鹽和沉積二氧化硅可做硅肥[8，9]。

1 生產(chǎn)原輔料

1.1 活性鋁土礦粉

活性鋁土礦粉生產(chǎn)工藝：將鋁土礦經(jīng)過破碎-磨粉至95%通過0.25mm(60目)篩孔的粉末，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)于“740～780℃”下焙燒，并調(diào)節(jié)焙燒溫度和時(shí)間，轉(zhuǎn)化為活性鋁土礦粉[3]?；钚凿X土礦粉河南、山東有多家廠生產(chǎn)。

1.2 鋁酸鈣粉

鋁酸鈣粉生產(chǎn)工藝：根據(jù)鋁土礦中氧化鋁和石灰石中氧化鈣的含量，以1∶1的摩爾比配料，并將其破碎-磨粉至95%通過0.105mm(140目)篩孔的粉末，做成直徑5～10mm球粒，在立窯內(nèi)于“1250～1350℃”下燒結(jié)。燒結(jié)熟料再磨粉至100%通過0.25mm(60目)篩孔的粉末，成品為鋁酸鈣粉[5，6]。鋁酸鈣粉河南有多家廠生產(chǎn)，貴州也有廠家生產(chǎn)。

1.3 輔料

工業(yè)鹽酸：氯化氫(HCl)含量≥31%；無煙煤：熱值≥6800Kcal/kg。

2 生產(chǎn)工藝

聚鋁多元鹽凈水劑一般采用兩次加料，同一反應(yīng)器橋連聚合[1]。第一次將一定量的活性鋁土礦粉溶于一定量的鹽酸溶液，pH值上升到2.5～2.8，或堿化度達(dá)到50%～56%；第二次將一定量的鋁酸鈣粉溶于第一次反應(yīng)溶液中，pH值上升到3.5～4.0，或堿化度達(dá)到70%～80%。兩次反應(yīng)物中的無定形二氧化硅均生成沉積二氧化硅，采用沉淀分離可做硅肥。每一次加入料中的活性鋁鐵鈣鎂氧化物都經(jīng)過酸溶-水解-堿式化-橋連(聚合)等四步反應(yīng)過程，其產(chǎn)品為聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽凈水劑，簡(jiǎn)稱聚鋁多元鹽凈水劑[4]。下面就同一氧化物在同一容器進(jìn)行的四步反應(yīng)作介紹。

2.1 酸溶

活性弱堿金屬鋁、鐵、鈣、鎂等氧化物發(fā)生酸溶反應(yīng)[1，2]，生成相同摩爾數(shù)(m)的六水合鹽[10]。

(1)xAl2O3+x·6HCl+x·q(9H2O)→2(AlxCl3x·6xH2O)→m(AlxCl3x·6xH2O)/6水合氯化鋁。

(2)yFe2O3+y·6HCl+y·q(9H2O)→2(FeyCl3y·6yH2O)→m(FeyCl3y·6yH2O)/6水合氯化鐵。

(3)zCaO+z·2HCl+z·q(5H2O)→CazCl2z·6zH2O→m(CazCl2z·6zH2O)/6水合氯化鈣。

(4)kMgO+k·2HCl+k·q(5H2O)→MgkCl2k·6kH2O→m(MgkCl2k·6kH2O)/6水合氯化鎂。

活性多元氧化物加入一定量的鹽酸，溶液的pH值逐漸升高，弱堿金屬鹽發(fā)生水解。

2.2 水解

6水合鹽發(fā)生水解反應(yīng)，水解產(chǎn)物堿式基(OH-)離子和氫(H+)離子受到pH值的限制，控制在不出現(xiàn)氫氧化物沉淀之前的pH值，如河南鞏義活性鋁土礦和鋁酸鈣粉控制pH值=4.0，堿化度B=80%，其水解產(chǎn)物如下[1]：

2.3 堿式化

水解產(chǎn)物堿式化生成多水合堿式鹽和新生鹽酸。新生鹽酸又促進(jìn)氧化物繼續(xù)酸溶[1]。

→m[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]+m(3xB)HCl。

→m[Fey(OH)3yBCl3(y-yB)·(6y-3yB)H2O]+m(3yB)HCl。

→m[Caz(OH)2zBCl2(z-zB)·(6z-2zB)H2O]+m(2zB)HCl。

→m[Mgk(OH)2kBCl2(k-kB)·(6k-2kB)H2O]+m(2kB)HCl。

2.4 橋連(聚合)反應(yīng)[2]

m摩爾多水合堿式氯化物，如m[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]，令(6x-3xB)H2O=wxH2O，此分子式可寫成串聯(lián)加合式，其橋連(聚合)反應(yīng)過程如下：

m摩爾[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]=m個(gè)[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]分子

=第一個(gè)[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]+第二個(gè)[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]+……

+第(m-1)個(gè)[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]+第m個(gè)[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]

→任意兩相鄰分子之間的羥基(OH)發(fā)生橋連(聚合)，形成2分子合成體如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]2→任意兩相鄰2分子合成體之間的羥基(OH)發(fā)生橋連(聚合)，形成4分子合成體如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]4→……→最后兩多分子合成體如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]n和[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]n+1之間發(fā)生橋連(聚合)，形成聚合大分子化合物如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]m，或[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m……稱橋連聚合堿式氯化鋁。

當(dāng)反應(yīng)液中橋連聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽生成時(shí)，造成生成物減少，又有新生鹽酸，推動(dòng)新一輪(酸溶-水解-堿式化-橋連)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直至平衡。同理可以得：

[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m……(1)橋連聚合堿式氯化鋁

[Fey(OH)3yBCl3(y-yB)·(6y-3yB)H2O]m……(2)橋連聚合堿式氯化鐵

[Caz(OH)2zBCl2(z-zB)·(6z-2zB)H2O]m……(3)橋連聚合堿式氯化鈣

[Mgk(OH)2kBCl2(k-kB)·(6k-2kB)H2O]m……(4)橋連聚合堿式氯化鎂

3 凈水作用

3.1 聚合堿式一元鹽的凈水作用

聚合堿式氯化鋁、聚合堿式硫酸鐵等為聚合堿式一元鹽凈水劑，其凈水作用討論如下：

例1，聚合堿式氯化鋁分子式[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m，以串聯(lián)形成橋連鏈多核聚合大分子化合物。如m個(gè)Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O分子串聯(lián)如下：

[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O-Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O-……-Alx(OH)3xBCl3(x-xB)

·(6x-3xB)H2O-Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]

(1)

(1)式對(duì)水中濁體膠粒具有電性中和和吸附雙重作用[10]，統(tǒng)稱橋連鏈吸附凈水作用。

例2，聚合堿式氯化鋁分子式[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m以并聯(lián)形成橋連網(wǎng)狀多核聚合大分子化合物。如m個(gè)Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O分子并聯(lián)如下：

(2)

(2)式對(duì)水中濁體膠粒具有網(wǎng)狀電性中和和吸附雙重作用[10]，統(tǒng)稱網(wǎng)狀吸附凈水作用。

3.2 聚合堿式多元鹽的凈水作用

本文生產(chǎn)的聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽為聚合堿式多元鹽凈水劑，其凈水作用討論如下：

例1，聚合堿式多元鹽分子式如：

[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m

(1)

[Fey(OH)3yBCl3(y-yB)·(6y-3yB)H2O]m

(2)

[Caz(OH)2zBCl2(z-zB)·(6z-2zB)H2O]m

(3)

[Mgk(OH)2kBCl2(k-kB)·(6k-2kB)H2O]m

(4)

(1)、(2)、(3)、(4)個(gè)聚合堿式氯化鹽處于同一反應(yīng)液，具有相同的堿化度(B)，以串聯(lián)形成橋連鏈多核聚合大分子化合物。如(5)式：

[Alx(OH)3xBCl(3x-3xB)/cFey(OH)3yBCl(3y-3yB)/cCaz(OH)2zBCl(2z-2zB)/cMgk(OH)2kBCl(2k-2kB)/c·wH2O]m

(5)

(5)式對(duì)水中濁體膠粒具有電性中和和吸附雙重作用[10]，統(tǒng)稱橋連鏈吸附凈水作用。

(1)、(2)、(3)、(4)個(gè)聚合堿式氯化鹽處于同一反應(yīng)液，具有相同的堿化度(B)，以并聯(lián)形成橋連網(wǎng)狀多核聚合大分子化合物。如(6)式：

(6)

(6)式對(duì)水中濁體膠粒具有網(wǎng)狀電性中和和吸附雙重作用[10]，統(tǒng)稱網(wǎng)狀吸附凈水作用。

在具體水處理時(shí)，串聯(lián)、并聯(lián)聚合物均可能存在，同時(shí)發(fā)揮橋連鏈、網(wǎng)狀吸附凈水作用。

4 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)檢測(cè)與計(jì)算

4.1 測(cè)算方法

采用聚鋁多元鹽凈水劑特性質(zhì)的測(cè)算法[11，12，13，14]：堿式鋁以Al2O3%計(jì)、堿式鐵以Fe2O3%計(jì)、堿式鈣以CaO%計(jì)、堿式鎂以MgO%計(jì)、羥基以(OH)%計(jì)等。

4.2 產(chǎn)品堿化度B及分子式計(jì)算方法

(1)聚合堿式硫酸鋁鐵鎂鹽的堿化度B和分子式的計(jì)算：將4.1的測(cè)定值分別代入以下⑴式和⑵式計(jì)算得產(chǎn)品的堿化度B和分子式。

BAFM=[5.89×(OH)%/(5.89×Al2O3%+3.76×Fe2O3%+3.57×CaO%]×100%

(1)

[Alx(OH)3xB(SO4)(3x-3xB)/2Fey(OH)3yB/2(SO4)(3y-3yB)/2Mgk(OH)2kB(SO4)(2k-2kB)/2·wH2O]m

(2)

式中：x=5.89×Al2O3%、y=3.76×Fe2O3%、k=4.96×MgO%、w=6(x+y+k)-B(3x+3y+2k)；B=BAFM。

(2)聚合堿式氯化鋁鐵鈣鎂鹽的堿化度B和分子式的計(jì)算：將4.1的測(cè)定值分別代入以下⑶式和⑷式計(jì)算得產(chǎn)品的堿化度B和分子式。

BAFCM=[5.89×(OH)%/(5.89×Al2O3%+3.76×Fe2O3%+3.57×CaO%+4.96×MgO%]×100%

(3)

[Alx(OH)3xBCl(3x-3xB)Fey(OH)3yBCl(3y-3yB)Caz(OH)2zBCl(2z-2zB)Mgk(OH)2kBCl(2k-2kB)·wH2O]m

(4)

式中：x=5.89×Al2O3%、y=3.76×Fe2O3%、z=3.57×CaO%、k=4.96×MgO%、w=6(x+y+z+k)-B(3x+3y+2z+2k)；B=BAFCM。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)應(yīng)用活性鋁土礦粉和鋁酸鈣粉經(jīng)酸溶-水解-堿式化-橋連(聚合)等反應(yīng)的生產(chǎn)品為聚鋁多元鹽凈水劑。

(2)聚鋁多元鹽凈水劑生產(chǎn)采用了高品位礦、高能耗、高成本的鋁酸鈣粉，近年正在被出現(xiàn)的“用氧化亞鐵+活性鋁土礦粉”生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)聚合鐵鋁鹽凈水劑和硅肥的低能耗綠色工藝所代替。

(說明：本文4.2中的⑴式和⑶式與2016⑸期第35頁(yè)3.3中的⑻式，與第36頁(yè)3.4中的⑽式等效，僅表述方式不同，以本文為準(zhǔn)，特此說明。)

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Production Technology and Water Treatment Effect of Poly-aluminous Poly-element Salt

WangRufu

(SchoolofBiologicalEngineering,ChengduUniversity,Chengdu610106,Sichuan,China)

Poly-aluminous poly-element salt is a product of a series of reactions. Active bauxite powder and calcium aluminate powder are dissolved in hydrochloric acid-hydrolysis-alkali-bridging reactions. The product of the reactions is called poly-aluminous ferric calcium magnesium hydroxyl-chloride, referred to as poly-aluminous poly-element salt. Poly-aluminous poly-element salt has excellent water treatment effect. For one thing, series process of bridging basic aluminum iron calcium magnesium salt produces bridging chain adsorption water purification effect; for the other, parallel process of bridging basic aluminum iron calcium magnesium salt produces mesh adsorption water purification effect.

poly-aluminous ferric calcium magnesium hydroxyl-chloride; bridging basic aluminum chloride; bridging chain adsorption water purification effect; mesh adsorption water purification effect