ALUMINIUMPOLYKLORID: STRUKTUR, EGENSKAPER, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2024

En klass av vattenlösliga oorganiska aluminiumprodukter kallas poly aluminiumklorid , som bildas genom den partiella reaktionen av aluminiumklorid AlCl ₃ med en bas. Det är ett vitt till gult fast ämne. Dess allmänna formel uttrycks ofta som Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . De är också kända som PAC eller även PACl (PolyAluminum Chloride).

PAC formuleras för att innehålla mycket katjoniska polymerer (uppsättningar av flera molekyler med många positiva laddningar) som består av aluminiumjoner (Al ³⁺ ), kloridjoner (Cl ^- ), hydroxyljoner (OH) ^- och vattenmolekyler (H) ₂ O).

Poly Aluminium Chloride (PAC) används för att avlägsna organiska och oorganiska ämnen från vatten i flockningsapparater från reningsverk. Författare: Kubinger. Källa: Pixabay.

Den viktigaste katjoniska polymeren av dessa arter kallas Al ₁₃ eller Keggin-Al13 som är mycket effektiv vid vattenbehandling och inom massa- och papperstillverkningsindustrin.

I dessa applikationer vidhäftar PAC: erna ytan på partiklarna som får dem att binda samman och kan sätta sig, det vill säga falla till botten och kan filtreras.

Det har också framgångsrikt testats för att förbättra egenskaperna hos Portland cement, eftersom det modifierar eller ändrar dess struktur på mikronivå och detta gör cementet mer motståndskraftigt.

Strukturera

PAC eller PACl består av en serie arter som sträcker sig från monomerer (en enda molekyl), dimerer (två molekyler sammanfogade), oligomerer (tre till fem molekyler sammanfogade) till polymerer (många molekyler sammanfogade).

Dess allmänna formeln är Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . När dessa arter innehåller joner A upplöst i vatten ³⁺ , hydroxyl joner OH ^- , kloridjoner Cl ^- och vattenmolekyler H ₂ O.

I vattenlösning dess allmänna formeln är Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} eller också på Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

Den mest användbara av dessa polymerer är den som kallas Al ₁₃ eller Keggin-AL13 vars formel är AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ . Arten Al ₁₃ har en tredimensionell form.

Det uppskattas att föregångaren till denna polykation är Al (OH) ₄ ^- , som har en tetraedrisk konformation och finns i mitten av strukturen.

Nomenklatur

- Polyklorid i aluminium

- PAC (polyaluminiumklorid)

- PACl (polyaluminiumklorid)

- Polyaluminumklorid

- Polyhydroxiklorid i aluminium

- Aluminiumhydroklorid eller ACH (aluminiumklorhydrat).

Egenskaper

Fysiskt tillstånd

Vitt till gult fast ämne (pulver) som också erhålles i form av vattenhaltiga lösningar med olika koncentrationer.

löslighet

Lösligt i vatten.

Egenskaper för kommersiella PAC

De olika PAC: erna skiljer sig från varandra främst av två saker:

- Dess styrka, uttryckt som% aluminiumoxid Al ₂ O _3.

- Dess basalitet, som indikerar mängden polymermaterial i PAC, och kan variera mellan 10% (låg basalitet), 50% (medelbasalitet), 70% (hög basalitet) och 83% (högsta basalitet, vilket (motsvarar aluminiumhydroklorid eller ACH).

Kemiska egenskaper

PAC är ett slags vattenlösliga aluminiumprodukter. Dess allmänna formel uttrycks ofta som Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) .

Eftersom de produceras genom att reagera aluminiumklorid (AlCl ₃ ) med en bas, basiciteten för dessa typer av produkter är beroende av den relativa mängden av OH ^- joner jämfört med mängden av aluminium (Al).

Enligt formeln Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) är basiciteten definieras som m / 3n.

Det är ett flockningsmedel. Den har egenskaper såsom lätt adsorption på andra partiklar med motsatt laddning (det vidhäftar ytan på dessa), koagulering (sammansättning av flera partiklar på vilka det har adsorberats) och utfällning av dessa grupper av förenade partiklar.

PAC kan vara instabila eftersom de beror på pH. De kan vara frätande.

PAC: s beteende i vatten

Genom att lösa PAC i vatten och beroende på pH, bildas olika aluminium-hydroxyl (Al-OH) arter.

Den hydrolyserar eller reagerar med vatten för att bilda monomerer (enhetsmolekyler), oligomerer (3 till 6 molekyler kopplade) och polymerer (mer än 6 kopplade molekyler).

Den viktigaste arten är en polymer med 13 aluminiumatomer, som kallas Keggin-Al13.

Funktion av PAC som ett flockningsmedel

Keggin-Al13-polymeren adsorberar på partiklarna i vattnet, det vill säga den fastnar på ytan på dessa och får dem att lägga till varandra och bildar flockar.

Flockar är grupper av mycket små partiklar agglutinerade eller förenade för att bilda större strukturer som kan sedimentera, det vill säga gå till botten av den vattenhaltiga lösningen.

Efter att ha bildat flockar, när de är tillräckligt stora, går de till botten och den vattenhaltiga lösningen är ren.

Flockning och sedimentationstankar i en vattenreningsanläggning där polyaluminiumklorid (PAC) kan användas. Qualit-E på engelska Wikipedia. Källa: Wikimedia Commons.

Erhållande

PAC eller PacI lösningar erhålls i allmänhet genom tillsats av en bas eller alkalisk lösning till en lösning av aluminiumklorid (AlCl ₃ ).

För att en hög mängd Al _13- polymerer ska erhållas får basen eller alkalin som tillsätts inte ge OH-joner ^- för snabbt eller för långsamt.

Vissa studier indikerar att det är svårt att producera en stabil hög koncentration av Al _{13 med} hjälp av NaOH eftersom det släpper ut OH-joner ^- för snabbt i vattnet.

Av denna anledning föredrages basiska kalciumföreningar, som har låg löslighet i vatten och sålunda frigör OH-joner ^- långsamt. En av dessa basiska kalciumföreningar är kalciumoxid CaO.

Här är stegen som uppstår för bildandet av PAC.

Hydrolys

När aluminiumsalt (iii) lösa i vatten, sker en spontan hydrolysreaktion i vilken aluminium Al ³⁺ katjon tar hydroxyl OH ^- joner från vatten och binder till dem, vilket lämnar fria H ⁺ protoner :

Al ³⁺ + H ₂ O → al (OH) ²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

Detta underlättas genom tillsats av ett alkali, som är, OH ^- joner . Aluminiumjonen Al ³⁺ går mer och mer i OH ^- anjoner :

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

Dessutom arter såsom Al (H ₂ O) ₆ ^{3+ bildas} , det vill säga, en aluminiumjon bunden eller samordnas med sex vattenmolekyler.

Polymerisation

Sedan bildas bindningar mellan dessa arter, och bildar dimerer (uppsättningar med 2 molekyler) och trimrar (uppsättningar med 3 molekyler) som omvandlas till oligomerer (uppsättningar med 3 till 5 molekyler) och polymerer (uppsättningar av många sammanfogade molekyler).

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

Denna typ av arter är förbunden med OH överbryggar med varandra och med Al (H ₂ O) ₆ ^3+, bildar uppsättningar av molekyler som kallas hydroxigrupper komplex eller polykatjoner eller hydroxypolymers.

Den allmänna formeln för dessa katjoniska polymerer är Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} eller också på Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

Betydelsepolymer

Den mest användbara av dessa polymerer tros vara den så kallade Al ₁₃ , vars formel är AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ , och det är också känt som Keggin-AL13.

Det är en art med 7 positiva laddningar (det vill säga ett heptavalent katjon) med 13 aluminiumatomer, 24 OH-enheter, 4 syreatomer, och 12 vatten H ₂ O enheter .

tillämpningar

- Vid vattenbehandling

PACl är en kommersiell produkt för att behandla vatten och göra det drickbart (rent och drickbart). Det tillåter också behandling av avfall och industrivatten.

Vattnet kan drickas om det behandlas med polyaluminiumklorid (PAC). Författare: ExplorerBob. Källa: Pixabay.

Det används som koagulationsmedel i vattenförbättringsprocesser. Det är mer effektivt än aluminiumsulfat. Dess prestanda eller beteende beror på den närvarande arten, som beror på pH.

Hur fungerar det

PACl gör det möjligt att koagulera organiskt material och mineralpartiklar. Koagulat innebär att föreningarna som ska elimineras går från att upplösas till att vara fasta. Detta uppnås genom interaktioner mellan de positiva laddningarna och de negativa materialen som ska koaguleras.

Det tros att Al _13- arterna , som har så många positiva laddningar (+7), är de mest effektiva för att neutralisera laddningar. Därefter bildas broar mellan partiklarna som agglomererar och bildar flockar.

Dessa flockar, som är mycket tunga, tenderar att fälla ut eller sätta sig, det vill säga att gå till botten av behållaren som innehåller vattnet som behandlas. På detta sätt kan de avlägsnas genom filtrering.

Poly Aluminium Chloride (PAC) används för att sedimentera organiskt och oorganiskt material i avloppsreningsverk. US Army Corps of Engineers-foto. Källa: Wikimedia Commons.

Fördel

PAC är bättre än aluminiumsulfat eftersom det har bättre lågtemperaturprestanda, lämnar mindre aluminiumrester, ger mindre slamvolym, mindre effekt på vatten-pH och snabbare och större flockar bildas. Allt som underlättar sedimentering för efterföljande filtrering.

Poolvatten kan renas med polyaluminiumklorid (PAC). Författare: Kalhh. Källa: Pixabay.

-I massa- och pappersindustrin

PAC är särskilt effektivt för att modifiera kolloidala fyllmedel vid papperstillverkning. Kolloidala laddningar är laddningarna av de suspenderade fasta partiklarna i blandningarna för att göra pappersmassa.

Det gör det möjligt att påskynda dräneringshastigheten (eliminering av vatten) särskilt under neutrala och alkaliska förhållanden och hjälper till att bibehålla fasta ämnen. Det fasta materialet är de som senare, vid torkning, bildar papperet.

I denna applikation används PAC med låga (0-17%) och medelstora (17-50%) basaliteter.

I massa- och pappersbruk används polyaluminiumklorid (PAC) för att underlätta sedimenteringsprocessen. Författare: 151390. Källa: Pixabay.

- För att förbättra cementen

Nyligen (2019) har tillsats av PACl till Portland cement testats. Det bestämdes att närvaron av Cl ^- kloridjoner och av polymera aluminiumgrupper ändra strukturen av cementen. Det uppskattas att komplexa salter av formeln 3CaO.Al ₂ O ₃ .CaCl ₂ .10H ₂ O bildas.

Konstruktionscement kan förbättras med polyaluminiumklorid (PAC). Skeeze. Källa: Wikimedia Commons.

Resultaten indikerar att PACl förbättrar cementens egenskaper, minskar antalet mikroporer (mycket små hål) och matrisen blir tätare och kompakt, därför ökar motståndet mot kompression.

Effekten ökar med ökande innehåll av PACl. Studien bekräftar att tillsats av PACl till Portland cement ger en blandning med överlägsna mekaniska och mikrostrukturella egenskaper.

Med polyaluminiumklorid minskar cementens porositet och det blir mer motståndskraftigt. Blackblack111. Källa: Wikimedia Commons.

referenser

1. Kim, T. et al. (2019). Undersöka effekterna av polyaluminumklorid på egenskaperna hos vanligt portlandcement. Material 2019, 12, 3290. Återställs från mdpi.com.
2. Li, Y. et al. (2019). Optimering av polyaluminumklorid-kitosan-flockningsmedel för behandling av svin Biogas-uppslamning med metoden Box-Behnken Response Surface. Int. J. Environ. Res. Folkhälsa 2019, 16, 996. Återställd från mdpi.com.
3. Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Återställs från projects.ncsu.edu.
4. Tang, H. et al. (2015). Specifikations-, stabilitets- och koagulationsmekanismer för hydroxylaluminiumkluster bildade av PACl och alun: En kritisk granskning. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, JY et al. (1980). Studier av hydroliserade aluminiumkloridlösningar. 1. Arten av aluminiumslag och sammansättningen av vattenlösningar. Journal of Physical Chemistry, vol. 84, nr 22, 1980. Hämtad från pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. et al. (2009). Polyaluminiumklorid med hög koncentration: Beredning och effekter av Al-koncentrationen på distribution och transformation av Al-arter. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Återställs från sciencedirect.com.
7. Jia, Z. et al. (2004). Syntes av polyaluminumklorid med en membranreaktor: Parametereffekter och reaktionsvägar. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Återställs från pubs.acs.org.
8. GEO Specialkemikalier. Polyaluminum Chloride (PAC). Återställs från geosc.com.