АЛУМИНИЕВ ПОЛИХЛОРИД: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПОЛУЧАВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

Един клас на водоразтворими неорганични алуминиеви продукти се нарича поли алуминиев хлорид, образуван от частично реакцията на алуминиев хлорид АЮЬ ₃ с основа. Това е бяло до жълто твърдо вещество. Общата му формула често се изразява като Al _n (OH) _m Cl _(3n-m). Те са известни също като PAC или също PACl (PolyAluminium Chloride).

PACs са формулирани така, че да съдържат силно катионни полимери (групи от няколко молекули с много положителни заряди), съставени от алуминиеви йони (Al ³⁺), хлоридни йони (Cl ^-), хидроксилни йони (OH) ^- и водни молекули (H ₂ О).

Полиалуминиевият хлорид (PAC) се използва за отстраняване на органични и неорганични вещества от вода във флокулатори на пречиствателни станции. Автор: Кубингер. Източник: Pixabay

Най-важният катионен полимер от тези видове се нарича Al ₁₃ или Keggin-Al13, който е много ефективен при обработката на водата и в производството на целулоза и хартия.

В тези приложения PACs се прилепват към повърхността на частиците, което ги кара да се свържат и могат да се утаят, тоест да паднат на дъното и могат да бъдат филтрирани.

Той също така е успешно тестван за подобряване на свойствата на портланд цимента, тъй като той променя или променя структурата си на микро ниво и това прави цимента по-устойчив.

структура

PAC или PACl е съставен от поредица от видове, вариращи от мономери (една молекула), димери (две молекули, свързани заедно), олигомери (три до пет молекули, обединени заедно) до полимери (много молекули, свързани заедно).

Общата му формула е Al _n (OH) _m Cl _(3n-m). Когато тези видове съдържат йони А, разтворени във вода ³⁺, хидроксилни йони ОН ^-, хлоридни йони Cl ^- и водни молекули Н ₂ О.

Във воден разтвор общата му формула е Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} или също Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +}.

Най-полезният от тези полимери е този, наречен Al ₁₃ или Keggin-Al13, чиято формула е AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺. Видът Al ₁₃ има триизмерна форма.

Изчислено е, че предшественикът на тази поликация е Al (OH) ₄ ^-, който има тетраедрична конформация и се намира в центъра на структурата.

номенклатура

- Алуминиев полихлорид

- PAC (полиалуминиев хлорид)

- PACl (полиалуминиев хлорид)

- Полиалуминиев хлорид

- Алуминиев полихидроксихлорид

- Алуминиев хидрохлорид или ACH (Алуминиев хлорхидрат).

Имоти

Физическо състояние

Бяло до жълто твърдо вещество (прах), което също се получава под формата на водни разтвори с различна концентрация.

разтворимост

Разтворим във вода.

Характеристики на търговските PACs

Различните PAC се различават един от друг главно по две неща:

- Неговата сила, изразена като% от алуминиев оксид Al ₂ O _3.

- Основността му, която показва количеството на полимерния материал в PAC и може да варира между 10% (ниска основна основа), 50% (средна основна основа), 70% (висока основна основа) и 83% (най-висока основна стойност, което съответства на алуминиев хидрохлорид или ACH).

Химични свойства

PAC е вид водоразтворим алуминиев продукт. Общата му формула често се изразява като Al _n (OH) _m Cl _(3n-m).

Тъй като те се получават чрез взаимодействие на алуминиев хлорид (AlCl ₃) с основа, основността на тези видове продукти зависи от относителното количество OH ^- йони в сравнение с количеството алуминий (Al).

Съгласно формулата Al _n (OH) _m Cl _(3n-m), основността се определя като m / 3n.

Това е флокулант. Той има свойства като лекота на адсорбция върху други частици с противоположен заряд (тя се прилепва към повърхността на тези), коагулация (обединение на няколко частици, върху които е адсорбирана) и утаяване на тези групи от обединени частици.

PAC могат да бъдат нестабилни, тъй като зависят от pH. Те могат да бъдат корозивни.

Поведение на PAC във вода

Чрез разтварянето на PAC във вода и в зависимост от pH се образуват различни видове алуминий-хидроксил (Al-OH).

Той хидролизира или взаимодейства с вода, за да образува мономери (единни молекули), олигомери (3 до 6 свързани молекули) и полимери (повече от 6 свързани молекули).

Най-важният вид е полимер с 13 алуминиеви атома, който се нарича Keggin-Al13.

Функция на PAC като флокулант

Полимерът Keggin-Al13 адсорбира върху частиците, присъстващи във водата, тоест той се залепва по повърхността на тях и ги кара да се добавят един към друг, образувайки флоки.

Flocs са групи от много малки частици, аглутинирани или обединени, за да образуват по-големи структури, които могат да утаяват, тоест да отидат на дъното на водния разтвор.

След образуването на флоки, когато са достатъчно големи, те отиват на дъното и водният разтвор е чист.

Резервоари за флокулация и утаяване на пречиствателна станция, където може да се използва полиалуминиев хлорид (PAC). Qualit-E в английската Уикипедия. Източник: Wikimedia Commons.

Получаване

РАС или Pacl разтвори са получени обикновено чрез добавяне на основа или алкален разтвор към разтвор на алуминиев хлорид (АЮЬ ₃).

За да се получи високо количество Al ₁₃ полимери, добавената основа или алкали не трябва да осигуряват OH йони ^- твърде бързо и не твърде бавно.

Някои проучвания показват, че е трудно да се получи стабилна висока концентрация на Al ₁₃ с помощта на NaOH, тъй като той освобождава OH йони ^- твърде бързо във водата.

Поради тази причина се предпочитат основни калциеви (Са) съединения, които имат ниска разтворимост във вода и по този начин освобождават OH йони ^- бавно. Едно от тези основни калциеви съединения е калциев оксид CaO.

Ето стъпките, които се случват за формирането на PAC.

хидролиза

Когато алуминиевите соли (iii) се разтварят във вода, възниква спонтанна реакция на хидролиза, при която алуминиевият катион Al ³⁺ поема хидроксилни йони OH ^- от вода и се свързва с тях, оставяйки свободни H ⁺ протони:

Al ³⁺ + H ₂ O → Al (OH) ²⁺ + Н ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → Al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

Това се подпомага чрез добавяне на алкали, тоест OH ^- йони. Алуминиевият йон Al ³⁺ все повече се присъединява към OH ^- аниони:

Al ³⁺ → Al (OH) ²⁺ → Al (OH) ₂ ⁺ → Al (OH) ₃ ⁰ → Al (OH) ₄ ^-

Освен това се образуват видове като Al (H ₂ O) ₆ ³⁺, тоест алуминиев йон, свързан или координиран с шест водни молекули.

полимеризация

Тогава между тези видове се образуват връзки, образуващи димери (групи от 2 молекули) и тримери (групи от 3 молекули), които се трансформират в олигомери (групи от 3 до 5 молекули) и полимери (групи от много съединени молекули).

Al (OH) ₂ ⁺ → Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ → Al ₃ (OH) ₅ ⁴⁺ → Al ₆ (OH) ₁₂ ⁶⁺ → Al ₁₃ (OH) ₃₂ ⁷⁺

Този вид видове се свързват от OH мостове помежду си и с Al (H ₂ O) ₆ ^3+, образувайки набори от молекули, които се наричат ​​хидрокси комплекси или поликакали или хидроксиполимери.

Общата формула на тези катионни полимери е Al _х (ОН) _г (H ₂ O) _N ^{(3 х-у) +} или също Al _х О _Z (ОН) _г (H ₂ O) _N ^{(3 х-у-2Z) +},

Значение полимер

Смята се, че най-полезният от тези полимери е така нареченият Al _13, чиято формула е AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ и той е известен също като Keggin-Al13.

Това е вид с 7 положителни заряди (т.е., на heptavalent катион) с 13 алуминиеви атоми, 24 единици ОН, 4 кислородни атоми и 12 вода H ₂ O единици.

Приложения

- При пречистване на вода

PACl е търговски продукт за пречистване на водата и превръщането му в питейна вода (чиста и питейна). Също така позволява пречистване на отпадъчни и промишлени води.

Водата може да бъде питейна, ако е обработена с полиалуминиев хлорид (PAC). Автор: ExplorerBob. Източник: Pixabay

Използва се като коагулатор в процесите на подобряване на водата. Той е по-ефективен от алуминиевия сулфат. Изпълнението или поведението му зависи от присъстващите видове, което зависи от pH.

Как работи

PACl позволява коагулация на органични материали и минерални частици. Коагулация означава, че съединенията, които трябва да бъдат елиминирани, преминават от разтваряне до твърди. Това се постига чрез взаимодействието на неговите положителни заряди с отрицателните от материалите, които трябва да се коагулират.

Смята се, че видовете Al ₁₃, имащи толкова много положителни заряди (+7), са най-ефективни при неутрализиране на зарядите. Тогава се образува мост между частиците, които се агломерират и образуват флоки.

Тези частици, тъй като са много тежки, са склонни да се утаяват или утаяват, тоест да отидат на дъното на контейнера, който съдържа водата, която се обработва. По този начин те могат да бъдат отстранени чрез филтрация.

Полиалуминиевият хлорид (PAC) се използва за утаяване на органични и неорганични вещества в пречиствателни станции за отпадни води. Снимка на инженерния корпус на американската армия. Източник: Wikimedia Commons.

предимство

PAC е по-добър от алуминиевия сулфат, тъй като има по-добри нискотемпературни характеристики, оставя по-малко алуминиеви остатъци, произвежда по-малък обем на утайките, по-малко влияние върху pH на водата и се образуват по-бързи и по-големи флоки. Всичко това улеснява утаяването за последващо филтриране.

Водата в басейна може да бъде пречистена с полиалуминиев хлорид (PAC). Автор: Kalhh. Източник: Pixabay

-В целулозно-хартиената промишленост

PAC е особено ефективен за модифициране на колоидни пълнители при производството на хартия. Колоидните заряди са зарядите на суспендираните твърди вещества в смесите за получаване на хартиена каша.

Той позволява да се ускори скоростта на оттичане (елиминиране на водата), особено при неутрални и алкални условия, и спомага за задържането на твърди вещества. Твърдите вещества са тези, които по-късно, когато изсъхнат, образуват хартията.

В това приложение се използва PAC с ниски (0-17%) и средни (17-50%) основи.

В целулозно-хартиените фабрики се използва полиалуминиев хлорид (PAC) за подпомагане на процеса на утаяване. Автор: 151390. Източник: Pixabay.

- За подобряване на цимента

Наскоро (2019 г.) добавянето на PACl към портланд цимент е тествано. Определено е, че присъствието на Cl ^- хлоридни йони и на полимерни алуминиеви групи променят структурата на цимента. Смята се, че комплексни соли с формула 3CaO.Al ₂ O ₃.CaCl ₂.10H ₂ O са образувани.

Строителният цимент може да бъде подобрен с полиалуминиев хлорид (PAC). Skeeze. Източник: Wikimedia Commons.

Резултатите показват, че PACl подобрява свойствата на цимента, намалява броя на микропорите (много малки дупки) и матрицата става по-плътна и компактна, поради което устойчивостта на компресия се увеличава.

Ефектът се увеличава с увеличаване на съдържанието на PACl. Проучването потвърждава, че добавянето на PACl към портланд цимент произвежда смес с превъзходни механични и микроструктурни свойства.

С полиалуминиевия хлорид порьозността на цимента намалява и той става по-устойчив. Blackblack111. Източник: Wikimedia Commons.

Препратки

1. Kim, T. et al. (2019). Изследване на ефекта на полиалуминиевия хлорид върху свойствата на обикновения портланд цимент. Материали 2019, 12, 3290. Възстановени от mdpi.com.
2. Li, Y. et al. (2019). Оптимизация на флоакулант на полиалуминиев хлорид-хитозан за третиране на свински биогаз с помощта на метода на повърхността за реакция на кутия-Бенкен. Международно Дж. Res. Public Health 2019, 16, 996. Възстановено от mdpi.com.
3. Hubbe, M. Полиалуминиев хлорид (PAC). Мини-енциклопедия за производство на хартия от влажна химия. Възстановени от Проекти.ncsu.edu.
4. Tang, H. et al. (2015). Спецификация, стабилност и механизми на коагулация на хидроксилни алуминиеви клъстери, образувани от PACl и стипца: Критичен преглед. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, JY et al. (1980 г.). Проучвания на хидролизирани алуминиеви хлоридни разтвори. 1. Характер на видовете алуминий и състав на водни разтвори. The Journal of Physical Chemistry, том 84, № 22, 1980. Извлечено от pubs.acs.org.
6. Джао, Х.-З. и др. (2009 г.). Полиалуминиев хлорид с висока концентрация: Получаване и ефекти на концентрацията на Al върху разпределението и трансформацията на видовете Al. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Възстановени от sciencedirect.com.
7. Jia, Z. et al. (2004 г.). Синтез на полиалуминиев хлорид с мембранен реактор: експлоатационни параметри и ефекти на реакцията. Инд. Инж. Химик Рез. 2004, 43, 12-17. Възстановено от pubs.acs.org.
8. GEO Специализирани химикали. Полиалуминиев хлорид (PAC). Възстановени от geosc.com.