Structura policlorurii de aluminiu, proprietăți, obținere, utilizări

Se numeste policlorură de aluminiu la o clasă de produse anorganice anorganice solubile în apă, formate prin reacția parțială a clorurii de aluminiu AlCl₃ cu o bază. Este un solid alb spre galben. Formula sa generală este adesea exprimată ca Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de PAC sau, de asemenea, PACl (acronim al englezei Clorură de poli-aluminiu).

PAC-urile sunt formulate astfel încât să conțină polimeri foarte cationici (ansambluri de mai multe molecule cu multe sarcini pozitive) formate din ioni de aluminiu (Al³⁺), ioni clorură (Cl^-), ioni hidroxil (OH)^- și molecule de apă (H_DouăSAU).

Cel mai important polimer cationic al acestor specii se numește Al₁₃ o Keggin-Al13, care este foarte eficient în tratarea apei și în industria de fabricare a celulozei și hârtiei.

În aceste aplicații, PAC-urile aderă la suprafața particulelor determinându-le să se lege împreună și se pot așeza, adică pot cădea spre fund și pot fi filtrate..

De asemenea, a fost testat cu succes pentru a îmbunătăți proprietățile cimentului Portland, deoarece își modifică sau își modifică structura la un nivel mic și acest lucru face ca cimentul să fie mai rezistent.

Indice articol

• 1 Structură
• 2 Nomenclatură
• 3 Proprietăți
  • 3.1 Starea fizică
  • 3.2 Solubilitate
  • 3.3 Caracteristicile PAC-urilor comerciale
  • 3.4 Proprietăți chimice
  • 3.5 Comportamentul PAC în apă
  • 3.6 Rolul PAC ca floculant
• 4 Obținerea
  • 4.1 Hidroliza
  • 4.2 Polimerizare
  • 4.3 Importanța polimerului
• 5 utilizări
  • 5.1 - În tratarea apei
  • 5.2 -În industria de fabricare a celulozei și hârtiei
  • 5.3 - Pentru îmbunătățirea cimentului
• 6 Referințe

Structura

PAC sau PACl este alcătuit dintr-o serie de specii variind de la monomeri (o singură moleculă), dimeri (două molecule unite), oligomeri (trei până la cinci molecule unite) la polimeri (multe molecule unite).

Formula sa generală este Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Când sunt dizolvate în apă, aceste specii conțin ioni Al³⁺, ioni hidroxil OH^-, ion clorură Cl^- și moleculele de apă H_DouăSAU.

În soluție apoasă formula sa generală este Al_X(OH)_Da(H_DouăSAU)_n^(3x-y)+ sau, de asemenea, Al_XSAU_z(OH)_Da(H_DouăSAU)_n^(3x-y-2z)+.

Cel mai util dintre acești polimeri se numește Al₁₃ sau Keggin-Al13 a cărui formulă este AlO₄Pentru₁₂(OH)₂₄(H_DouăSAU)₁₂⁷⁺. Specia Al₁₃ are o formă tridimensională.

Se estimează că precursorul acestei policații este Al (OH)₄^-, care prezintă o conformație tetraedrică și este situat în centrul structurii.

Nomenclatură

- Policlorură de aluminiu

- PAC (acronim de engleză Clorură de aluminiu poli)

- PACl (acronim de engleză Clorură de aluminiu poli)

- Clorură de polialuminiu

- Polihidroxiclorură de aluminiu

- Clorhidrat de aluminiu sau ACH (acronim al limbii engleze Clorhidrat de aluminiu).

Proprietăți

Starea fizică

Solid de culoare albă până la galbenă (pulbere) care se obține și sub formă de soluții apoase de diferite concentrații.

Solubilitate

Solubil în apă.

Caracteristicile PAC-urilor comerciale

Diferitele PAC diferă unul de celălalt în principal prin două lucruri:

- Puterea sa, exprimată ca% alumină Al_DouăSAU_3.

- Basicitatea sa, care indică cantitatea de material polimeric din PAC, și poate varia între 10% (basicitate scăzută), 50% (basicitate medie), 70% (basicitate ridicată) și 83% (basicitate maximă, care corespunde clorhidratului de aluminiu sau ACH).

Proprietăți chimice

PAC este un fel de produse din aluminiu solubile în apă. Formula sa generală este adesea exprimată ca Al_n(OH)_mCl_(3n-m).

Deoarece sunt produse prin reacția clorurii de aluminiu (AlCl₃) cu o bază, basicitatea acestui tip de produs depinde de cantitatea relativă de ioni OH^- în comparație cu cantitatea de aluminiu (Al).

Conform formulei Al_n(OH)_mCl_(3n-m), basicitatea este definită ca m / 3n.

Este un floculant. Are proprietăți precum ușurarea adsorbției pe alte particule cu sarcină opusă (aderă la suprafața acestora), coagulare (unirea mai multor particule pe care a fost adsorbit) și precipitarea acestor grupuri de particule unite.

PAC-urile pot fi instabile deoarece depind de pH. Ele pot fi corozive.

Comportamentul PAC în apă

La dizolvarea PAC în apă și în funcție de pH, se formează diferite specii de aluminiu-hidroxil (Al-OH).

Hidrolizează sau reacționează cu apa pentru a forma monomeri (molecule unitare), oligomeri (3 până la 6 molecule de legătură) și polimeri (mai mult de 6 molecule de legătură).

Cea mai importantă specie este un polimer cu 13 atomi de aluminiu, care se numește Keggin-Al13.

Rolul PAC ca floculant

Polimerul Keggin-Al13 se adsorbe pe particulele prezente în apă, adică se lipeste pe suprafața acestora și le face să se adauge una la cealaltă formând flocuri.

Flocurile sunt grupuri de particule foarte mici aglutinate sau unite pentru a forma structuri mai mari care pot sedimenta, adică merg la fundul soluției apoase..

După formarea flocurilor, când sunt suficient de mari, ajung în partea de jos și soluția apoasă este curată.

Obținerea

Soluțiile PAC sau PACl sunt obținute în general prin adăugarea unei soluții de bază sau alcaline la o soluție de clorură de aluminiu (AlCI₃).

Pentru a obține o cantitate mare de polimeri de Al₁₃ baza sau alcalinul adăugat nu trebuie să furnizeze ioni OH^- prea repede nu prea lent.

Studiile indică faptul că este dificil să se producă o concentrație ridicată stabilă de Al₁₃ folosind NaOH deoarece eliberează ioni OH^- prea repede în apă.

Din acest motiv, sunt preferați compușii bazici de calciu (Ca), care au o solubilitate redusă în apă și astfel eliberează ioni OH.^- încet. Unul dintre acești compuși de calciu bazici este oxidul de calciu CaO.

Iată pașii care apar pentru formarea PAC.

Hidroliză

Când sărurile de aluminiu (iii) se dizolvă în apă, are loc spontan o reacție de hidroliză în care cationul de aluminiu Al³⁺ ia ioni hidroxil OH^- de apă și se leagă de ele, lăsând protonii H⁺ gratuit:

Pentru³⁺ + H_DouăO → Al (OH)^Două+ + H⁺

Pentru³⁺ + 2 ore_DouăO → Al (OH)_Două⁺ + 2 ore⁺

Acest lucru este favorizat prin adăugarea unui alcalin, adică a ionilor OH.^-. Aluminiu Al ion³⁺ se leagă tot mai mult de anioni OH^-:

Pentru³⁺ → Al (OH)^Două+ → Al (OH)_Două⁺ → Al (OH)₃⁰ → Al (OH)₄^-

În plus, specii precum Al (H_DouăSAU)₆³⁺, adică un ion de aluminiu legat sau coordonat cu șase molecule de apă.

Polimerizare

Apoi se formează legături între aceste specii, formând dimeri (seturi de 2 molecule) și trimeri (seturi de 3 molecule) care se transformă în oligomeri (seturi de 3 până la 5 molecule) și polimeri (seturi de multe molecule unite).

Al (OH)_Două⁺ → Al_Două(OH)_Două⁴⁺ → Al₃(OH)₅⁴⁺ → Al₆(OH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺

Acest tip de specie este legat prin punți OH între ele și cu Al (H_DouăSAU)₆³⁺ formând seturi de molecule care se numesc complexe hidroxi sau policații sau hidroxipolimeri.

Formula generală a acestor polimeri cationici este Al_X(OH)_Da(H_DouăSAU)_n^(3x-y)+ sau, de asemenea, Al_XSAU_z(OH)_Da(H_DouăSAU)_n^(3x-y-2z)+.

Polimer de importanță

Se crede că cel mai util dintre acești polimeri se numește Al₁₃ a cărei formulă este AlO₄Pentru₁₂(OH)₂₄(H_DouăSAU)₁₂⁷⁺, și este, de asemenea, cunoscut sub numele de Keggin-Al13.

Este o specie cu 7 sarcini pozitive (adică un cation heptavalent) cu 13 atomi de aluminiu, 24 unități OH, 4 atomi de oxigen și 12 H unități de apă._DouăSAU.

Aplicații

- În tratarea apei

PACl este un produs comercial pentru tratarea apei și pentru ao face potabilă (curată și potabilă). De asemenea, permite tratarea deșeurilor și a apei industriale.

Este utilizat ca agent de coagulare în procesele de îmbunătățire a apei. Este mai eficient decât sulfatul de aluminiu. Performanța sau comportamentul său depinde de specia prezentă, care depinde de pH.

Cum functioneazã

PACl permite coagularea materialelor organice și a particulelor minerale. Coagulat înseamnă că compușii care trebuie eliminați trec de la dizolvare la solid. Acest lucru se realizează prin interacțiunile sarcinilor sale pozitive cu cele negative ale materialelor care urmează să fie coagulate..

Specia Al₁₃, deoarece are atât de multe sarcini pozitive (+7), este cel mai eficient în neutralizarea sarcinilor. Apoi, se formează punți între particulele care se aglomerează și formează flocuri.

Aceste flocuri, fiind foarte grele, tind să precipite sau să se depună, adică să ajungă la fundul recipientului care conține apa care este tratată. În acest fel pot fi îndepărtate prin filtrare.

Avantaj

PAC este mai bun decât sulfatul de aluminiu, deoarece are performanțe mai bune la temperatură scăzută, lasă mai puține reziduuri de aluminiu, produce un volum mai mic de nămol, un efect mai mic asupra pH-ului apei și se formează flocuri mai rapide și mai mari. Toate acestea facilitează sedimentarea pentru o filtrare ulterioară..

-În industria celulozei și hârtiei

PAC este deosebit de eficient în modificarea materialelor de umplere coloidale în fabricarea hârtiei. Sarcinile coloidale sunt încărcăturile solidelor suspendate în amestecuri pentru a produce pastă de hârtie..

Permite accelerarea vitezei de scurgere (eliminarea apei) în special în condiții neutre și alcaline și ajută la reținerea solidelor. Solidele sunt cele care ulterior, la uscare, formează hârtia.

În această aplicație se utilizează PAC cu elemente de bază scăzute (0-17%) și medii (17-50%).

- Pentru a îmbunătăți cimentul

Recent (2019) a fost testat adăugarea PACl la cimentul Portland. S-a stabilit că prezența ionilor de clorură Cl^- și a grupurilor polimerice de aluminiu schimbă structura cimentului. Se estimează că se formează săruri complexe cu formula 3CaO._DouăSAU₃.CaCl_Două.10H_DouăSAU.

Rezultatele indică faptul că PACl îmbunătățește proprietățile cimentului, scade numărul de micropori (găuri foarte mici) și matricea devine mai densă și compactă, prin urmare crește rezistența la compresie..

Efectul crește odată cu creșterea conținutului de PACl. Studiul confirmă faptul că prin adăugarea de PACl la cimentul Portland, se obține un amestec cu proprietăți mecanice și microstructurale superioare..

Referințe

1. Kim, T. și colab. (2019). Investigarea efectelor clorurii de polialuminiu asupra proprietăților cimentului Portland obișnuit. Materiale 2019, 12, 3290. Recuperat de pe mdpi.com.
2. Li, Y. și colab. (2019). Optimizarea floculantului clorură de polialuminiu-chitosan pentru tratarea suspensiei de biogaz de porc utilizând metoda suprafeței de răspuns Box-Behnken. Int. J. Environ. Res. Sănătate publică 2019, 16, 996. Recuperat de pe mdpi.com.
3. Hubbe, M. Clorură de polialuminiu (PAC). Mini-enciclopedie de fabricare a hârtiei Wet-End Chemistry. Recuperat de la projects.ncsu.edu.
4. Tang, H. și colab. (2015). Speciație, stabilitate și mecanisme de coagulare a grupurilor de hidroxil aluminiu formate din PACl și alum: o analiză critică. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Recuperat de la ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, J.Y. și colab. (1980). Studii ale soluțiilor de clorură de aluminiu hidrolizat. 1. Natura speciilor de aluminiu și compoziția soluțiilor apoase. Jurnalul de chimie fizică, vol. 84, nr. 22, 1980. Adus de la pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. și colab. (2009). Clorură de polialuminiu cu concentrație ridicată: Pregătirea și efectele concentrației de Al asupra distribuției și transformării speciilor de Al. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Recuperat de la sciencedirect.com.
7. Jia, Z. și colab. (2004). Sinteza clorurii de polialuminiu cu un reactor cu membrană: Efecte ale parametrilor de operare și căi de reacție. Ind. Ing. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Recuperat de la pubs.acs.org.
8. GEO Specialty Chemicals. Clorură de polialuminiu (PAC). Recuperat de la geosc.com.