用鋁灰生產聚合氯化鋁的工藝研究

陳思忠，徐惠彬

（1.徐州創達工程設計有限公司，江蘇 徐州 221008；2.徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140）

聚合氯化鋁，又叫堿式氯化鋁，亦稱羥基氯化鋁，簡稱PAC，是一種無機高分子混合物。其化學通式為［Al2（OH）nCl6－n］m，（1≤n≤5，1≤m≤10），產品有液體和固體兩種。液體聚合氯化鋁呈淡黃色或無色透明液，有時色澤因其含雜質及鹽基度大小不同而呈黃褐色、灰白色等；固體聚合氯化鋁色澤與液體產品類似，形狀隨鹽基度大小而變，鹽基度在30％以下時為晶體，在60％以上時逐漸呈玻璃狀或樹脂狀。固體聚合氯化鋁的鹽基度在70％以上時不易潮解。聚合氯化鋁易溶于水而發生水解，并發生電化學、凝聚、吸附和沉淀等物理化學過程，因此廣泛應用于工業廢水和生活廢水的凈化處理[1-2]，凈化效率高，用量少，是一種優良的無機絮凝劑（凈水劑）。

聚合氯化鋁的生產方法按原料來源不同可分為：三氧化二鋁法（例鋁土礦、高嶺土、煤矸石等），氫氧化鋁法和鋁灰法（例鋁渣、鋁屑、鋁灰等）。以鋁灰為原料生產聚合氯化鋁具有成本低、原料易得、生產工藝簡單等特點。

聚合氯化鋁的生產工藝按化學反應原理可分為堿溶法、酸溶法和中和法。堿溶法因產品中的氯化鈉含量高、生產成本高已被淘汰。中和法亦稱二步法，先將燒堿和鋁灰反應制得鋁酸鈉，將鹽酸和鋁灰反應制得三氯化鋁，然后將鋁酸鈉和三氯化鋁以合適的配比合成聚合氯化鋁[3]。酸溶法亦稱一步法，是將鋁灰和鹽酸反應直接得到液體聚合氯化鋁，工藝簡單，但生產中為防止揮發的氯化氫氣體逃逸而污染環境，須有冷凝回流裝置。

為循環利用江蘇四方鋁業有限公司在冶煉鋁生產中排放的鋁灰，以及新沂嘉泰化工有限公司在聚氯乙烯生產中排放、水吸收后得到的廢鹽酸，選取酸溶法（一步法）工藝線路，對生產聚合氯化鋁進行了工藝試驗研究，得到了生產中可行的工藝參數，并對聚合氯化鋁液體產品的凈水效果進行了模擬試驗，證明自制的產品具有較好的絮凝作用，凈水效果明顯。

1 試驗過程

1.1 試驗原料、儀器

原料：鋁灰（江蘇四方鋁業有限公司提供），廢鹽酸（新沂嘉泰化工有限公司提供）。

儀器：四頸燒瓶，電動攪拌器，真空泵，布氏漏斗，酸度計，電子稱，電爐，水浴鍋，溫度計，球形冷凝管等。

1.2 試驗原理

鹽酸與鋁灰的反應方程式為：

2Al+（6－n）HCl+nH2O＝Al2（OH）nCl6－n+3H2↑

nAl+（6－n）AlCl3+3nH2O＝3Al2（OH）nCl6－n+1.5nH2↑

反應中鋁的酸溶浸出、產物的水解是同步進行的，水解物的聚合是隨后進行的。設定的工藝流程見圖1。

圖1聚合氯化鋁的生產工藝流程

1.3 試驗過程

取200 mL廢鹽酸，用酸堿中和滴定法測得其濃度為15％。

將鋁灰粗篩，篩除草木、泥石，然后用研缽研磨，20目篩過篩，篩上物回摻繼續研磨，篩下物待用。

化學試驗操作步驟：搭好裝置，往四頸燒瓶內加入計量的水和鋁灰，開啟攪拌，開啟水浴加熱和冷凝器，滴加鹽酸。影響反應的主要參數有原料配比、反應溫度、反應時間、攪拌速度、熟化時間、熟化溫度等。鹽酸的滴加在半小時內完成。

1.3.1 反應溫度對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應時間2 h，熟化時間36 h，熟化溫度室溫，攪拌速度為中速（200r/min）。結果見表1。

表1 反應溫度對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表1結果看出，確定反應溫度為85℃較合理。溫度越高，鹽酸越易揮發，雖經冷凝后回流，但加熱耗能高；溫度低，反應慢。

1.3.2 反應時間對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應溫度85℃，熟化時間36 h，熟化溫度室溫，攪拌速度為中速（200 r/min）。結果見表2。

表2 反應時間對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表2結果看出，確定反應時間為2 h較合理。反應時間越長，加熱耗能高；反應時間越短，反應不充分，有鋁灰未完全反應。

1.3.3 攪拌速度對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應時間2 h，反應溫度85℃，熟化時間36 h，熟化溫度室溫。結果見表3。

表3 鋁灰投加量對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表3結果看出，確定攪拌速度為200 r/h較合理。攪得太快，導致鹽酸揮發得快；攪得太慢，反應物接觸不充分，延長了反應時間，甚至有鋁灰未完全反應。

1.3.4 鋁灰投料量對聚合氯化鋁性能的影響

鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應時間2 h，熟化時間36 h，熟化溫度室溫，攪拌速度為中速（200 r/min）。結果見表4。

表4 鋁灰投加量對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表4結果看出，確定鋁灰的投加量為6.8 g較為適宜。鋁灰投加得太多，反應后有剩余；鋁灰投加得太少，反應后產品指標不達標。

1.3.5 熟化溫度對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應時間2 h，熟化時間36 h，反應攪拌速度為中速（200 r/min）。結果見表5。

表5 熟化溫度對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表5結果看出，熟化溫度為60℃，產品質量較好。

1.3.6 熟化時間對聚合氯化鋁性能的影響

6.8 g鋁灰中加10 mL水，攪拌配成懸濁液，加熱，滴加230 mL廢鹽酸，1 h滴加完，反應時間2 h，熟化溫度60℃，反應攪拌速度為中速（200 r/min）。結果見表6。

表6 熟化時間對聚合氯化鋁性能的影響

從試驗過程和表6結果看出，熟化時間36 h為宜。因為熟化時間36 h后產品質量指標不再趨好，甚至因產品吸潮水解質量下降。

2 凈水效果模擬試驗

聚合氯化鋁分子結構大，吸附能力強，用量少，處理成本低。聚合氯化鋁溶解性好，活性高，在水體中凝聚形成的礬花大，沉降快，比其他無機絮凝劑凈化能力大2～3倍。聚合氯化鋁適應性強，受水體pH值和溫度影響小，原水凈化后達到國家飲用水標準，處理后水質中陽、陰離子含量低，有利于離子交換處理和高純水的制備。聚合氯化鋁的應用領域較寬泛，還可用于處理工業用水、生活污水、工業廢水、污泥及污水中某些渣質回收等。聚合氯化鋁對某些處理難度大的工業廢水,可以聚合氯化鋁為母體,摻入其他藥劑，如聚丙烯酰胺，配成復合凈水劑，處理污水能得到更佳的效果。

凈水效果模擬試驗：稱取少量的液體聚合氯化鋁，先加水加熱預溶，攪拌；分別倒入模擬配制的帶有顏色的無機污水（含泥沙、氯化鈣）和有機污水（含植物油、機油）的燒杯中，并不斷攪拌，靜置幾分鐘后，觀察現象。無機污水的燒杯中出現分層現象，上層為清液，下層為絮狀不溶物沉淀。有機污水的燒杯中也出現分層現象，下層為清液，上層為絮狀漂浮物并裹挾著泡沫。

試驗證明，研制的產品處理污水時絮凝效果明顯，并且對無機污水處理效果更加理想；使用時最佳投加量的質量分數為 80×10-6～120×10-6；若產品有沉淀，搖勻后再使用。

3結論

以鋁灰和廢鹽酸為原料制取聚合氯化鋁，采用酸溶一步法工藝，具有流程短、生產設備簡單、成本低等特點。通過研究確定的最佳工藝條件為：若使用15％的鹽酸溶液，投料比（鋁灰∶水∶廢鹽酸）為 3.4∶5∶115，攪拌速度200 r/min，反應溫度控制在85℃左右，鹽酸滴加時間1 h，反應時間控制在2 h左右，在反應過程中，特別是反應前期由于反應劇烈，又是發熱反應，水分揮發損失較大，要加大冷凝管冷卻水的進出量，產品熟化時間36 h，產品熟化溫度60℃，間歇性生產。

目前,國內工業廢水、城市生活污水等處理時，絮凝劑需求量達450萬t/a以上,這給聚合氯化鋁的生產、銷售提供了廣闊的市場空間。聚合氯化鋁在水處理中是一種高效的絮凝劑，其生產中利用工業廢棄物作為原料，既節省材料費，又能使廢物循環利用，既有環保效益，又有經濟效益，促進了循環經濟發展。開發高效、連續化生產工藝，必將成為今后聚合氯化鋁工業生產研究的熱點；聚合氯化鋁與其他類無機或有機高分子絮凝劑復合或復配使用的應用研究是今后的方向。

[1] 王紅衛，張映春，張秀榮.堿式氯化鋁生產工藝的改進[J].油田節能，2000(3)：27-29.

[2] 韋立東.用鋁灰制聚合氯化鋁的酸溶試驗[J].維綸通訊，2003(4)：12-14.

[3] 陳志強，程相春.聚合氯化鋁的生產及應用[J].化學工程師，2008(5)：46-47.