Aluminium polyklorid struktur, egenskaper, oppnåelse, bruksområder

Heter aluminiumpolyklorid til en klasse av vannløselige uorganiske aluminiumprodukter, dannet ved delvis reaksjon av aluminiumklorid AlCl₃ med en base. Det er et hvitt til gult fast stoff. Dens generelle formel blir ofte uttrykt som Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m). De er også kjent som PAC eller også PACl (akronym på engelsk PolyAluminum Chloride).

PAC er formulert slik at de inneholder høyt kationiske polymerer (samlinger av flere molekyler med mange positive ladninger) som består av aluminiumioner (Al³⁺), kloridioner (Cl^-), hydroksylioner (OH)^- og vannmolekyler (H_toELLER).

Den viktigste kationiske polymeren av disse artene kalles Al_{1. 3} o Keggin-Al13 som er veldig effektiv i vannbehandling og i massen og papirindustrien.

I disse applikasjonene fester PAC-ene seg til overflaten av partiklene som får dem til å binde seg sammen og kan legge seg, dvs. falle mot bunnen og kan filtreres..

Det har også blitt testet for å forbedre egenskapene til Portland sement, da det modifiserer eller endrer strukturen på mikronivå, og dette gjør sementen mer motstandsdyktig.

Artikkelindeks

• 1 Struktur
• 2 Nomenklatur
• 3 eiendommer
  • 3.1 Fysisk tilstand
  • 3.2 Løselighet
  • 3.3 Kjennetegn ved kommersielle PAC-er
  • 3.4 Kjemiske egenskaper
  • 3.5 Oppførsel av PAC i vann
  • 3.6 PACs rolle som flokkuleringsmiddel
• 4 Motta
  • 4.1 Hydrolyse
  • 4.2 Polymerisering
  • 4.3 Viktighet polymer
• 5 bruksområder
  • 5.1 - I vannbehandling
  • 5.2 -I masse- og papirindustrien
  • 5.3 - For å forbedre sementen
• 6 Referanser

Struktur

PAC eller PACl består av en serie arter som strekker seg fra monomerer (et enkelt molekyl), dimerer (to molekyler koblet sammen), oligomerer (tre til fem molekyler koblet sammen) til polymerer (mange molekyler sammen).

Den generelle formelen er Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m). Når de er oppløst i vann, inneholder disse artene alioner³⁺, hydroksylioner OH^-, kloridion Cl^- og vannmolekyler H_toELLER.

I vandig løsning er dens generelle formel Al_x(ÅH)_Y(H_toELLER)_n^(3x-y)+ eller også Al_xELLER_z(ÅH)_Y(H_toELLER)_n^(3x-y-2z)+.

Den mest nyttige av disse polymerene kalles Al_{1. 3} eller Keggin-Al13 hvis formel er AlO₄Til₁₂(ÅH)₂₄(H_toELLER)₁₂⁷⁺. Arten Al_{1. 3} har en tredimensjonal form.

Det anslås at forløperen til denne polykasjonen er Al (OH)₄^-, som presenterer en tetrahedral konformasjon og er plassert i sentrum av strukturen.

Nomenklatur

- Aluminium polyklorid

- PAC (akronym av engelsk Poly aluminiumklorid)

- PACl (akronym av engelsk Poly aluminiumklorid)

- Polyaluminiumklorid

- Aluminium polyhydroksyklorid

- Aluminiumhydroklorid eller ACH (akronym på engelsk Aluminiumklorhydrat).

Eiendommer

Fysisk tilstand

Hvitt til gult fast stoff (pulver) som også oppnås i form av vandige oppløsninger i forskjellige konsentrasjoner.

Løselighet

Løselig i vann.

Kjennetegn ved kommersielle PAC

De forskjellige PACene skiller seg fra hverandre hovedsakelig ved to ting:

- Dens styrke, uttrykt som% aluminiumoksid Al_toELLER_3.

- Dens basicitet, som indikerer mengden av polymert materiale i PAC, og kan variere mellom 10% (lav basicitet), 50% (medium basicitet), 70% (høy basicitet) og 83% (høyeste basicitet, som tilsvarer aluminiumhydroklorid eller ACH).

Kjemiske egenskaper

PAC er en slags vannløselige aluminiumprodukter. Dens generelle formel blir ofte uttrykt som Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m).

Siden de produseres ved å reagere aluminiumklorid (AlCl₃) med en base, avhenger basisiteten til denne typen produkter av den relative mengden OH-ioner^- sammenlignet med mengden aluminium (Al).

I henhold til formelen Al_n(ÅH)_mCl_(3n-m), basicitet er definert som m / 3n.

Det er en flokkulant. Den har egenskaper som enkel adsorpsjon på andre partikler med motsatt ladning (den fester seg til overflaten av disse), koagulering (forening av flere partikler som den har blitt adsorbert på) og utfelling av disse gruppene av forenede partikler.

PAC kan være ustabile ettersom de avhenger av pH. De kan være etsende.

Oppførsel av PAC i vann

Ved oppløsning av PAC i vann og avhengig av pH, dannes forskjellige arter av aluminiumhydroksyl (Al-OH).

Hydrolyserer eller reagerer med vann for å danne monomerer (enhetsmolekyler), oligomerer (3 til 6 molekylbinding) og polymerer (mer enn 6 bindingsmolekyler).

Den viktigste arten er en polymer med 13 aluminiumatomer, som kalles Keggin-Al13.

PACs rolle som flokkuleringsmiddel

Keggin-Al13-polymeren adsorberer seg på partiklene som er tilstede i vannet, det vil si at den fester seg på overflaten av disse og får dem til å legge til hverandre og danner flokker.

Flokker er grupper med veldig små partikler agglutinert eller samlet for å danne større strukturer som kan sedimentere, det vil si gå til bunnen av den vandige løsningen..

Når de er dannet, når de er store nok, går de til bunns og den vandige løsningen er ren.

Å skaffe

PAC- eller PACl-oppløsninger oppnås vanligvis ved å tilsette en base eller alkalisk løsning til en løsning av aluminiumklorid (AlCl₃).

For å oppnå en høy mengde Al-polymerer_{1. 3} basen eller den tilsatte alkalien må ikke gi OH-ioner^- for fort ikke for sakte.

Studier indikerer at det er vanskelig å produsere en stabil høy konsentrasjon av Al_{1. 3} ved hjelp av NaOH fordi det frigjør OH-ioner^- for fort i vannet.

Av denne grunn foretrekkes basiske kalsium (Ca) forbindelser som har lav løselighet i vann og dermed frigjør OH-ioner.^- sakte. En av disse basiske kalsiumforbindelsene er kalsiumoksid CaO.

Her er trinnene som oppstår for dannelsen av PAC.

Hydrolyse

Når aluminiumsaltene (iii) oppløses i vann, oppstår en hydrolysereaksjon spontant der aluminiumkationen Al³⁺ tar hydroksylioner OH^- vann og binder seg til dem, og etterlater protonene H⁺ gratis:

Til³⁺ + H_toO → Al (OH)^to+ + H⁺

Til³⁺ + 2 timer_toO → Al (OH)_to⁺ + 2 timer⁺

Dette foretrekkes ved å tilsette et alkali, det vil si OH-ioner.^-. Aluminium Al ion³⁺ binder seg i økende grad til OH-anioner^-:

Til³⁺ → Al (OH)^to+ → Al (OH)_to⁺ → Al (OH)₃⁰ → Al (OH)₄^-

I tillegg er arter som Al (H_toELLER)₆³⁺, det vil si et aluminiumion bundet eller koordinert med seks vannmolekyler.

Polymerisering

Deretter dannes bindinger mellom disse artene, og danner dimerer (sett med 2 molekyler) og trimerer (sett med 3 molekyler) som transformeres til oligomerer (sett med 3 til 5 molekyler) og polymerer (sett med mange sammenføyde molekyler).

Al (OH)_to⁺ → Al_to(ÅH)_to⁴⁺ → Al₃(ÅH)₅⁴⁺ → Al₆(ÅH)₁₂⁶⁺ → Al_{1. 3}(ÅH)₃₂⁷⁺

Denne typen arter er koblet av OH-broer med hverandre og med Al (H_toELLER)₆³⁺ danne sett med molekyler som kalles hydroksykomplekser eller polykasjoner eller hydroksypolymerer.

Den generelle formelen for disse kationiske polymerene er Al_x(ÅH)_Y(H_toELLER)_n^(3x-y)+ eller også Al_xELLER_z(ÅH)_Y(H_toELLER)_n^(3x-y-2z)+.

Polymer av betydning

Den mest nyttige av disse polymerene antas å kalles Al_{1. 3} hvis formel er AlO₄Til₁₂(ÅH)₂₄(H_toELLER)₁₂⁷⁺, og det er også kjent som Keggin-Al13.

Det er en art med 7 positive ladninger (det vil si en heptavalent kation) med 13 aluminiumatomer, 24 OH-enheter, 4 oksygenatomer og 12 H-vannenheter._toELLER.

applikasjoner

- I vannbehandling

PACl er et kommersielt produkt for å behandle vann og gjøre det drikkbart (rent og drikkbart). Det tillater også behandling av avfall og industrielt vann.

Den brukes som et koagulasjonsmiddel i vannforbedringsprosesser. Det er mer effektivt enn aluminiumsulfat. Dens ytelse eller oppførsel avhenger av arten som er tilstede, som avhenger av pH.

Hvordan virker det

PACl gjør det mulig å koagulere organisk materiale og mineralpartikler. Koagulering betyr at forbindelsene som skal elimineres går fra å være oppløst til å være faste. Dette oppnås gjennom samspillet mellom de positive ladningene og de negative materialene som skal koaguleres..

Arten Al_{1. 3}, ettersom den har så mange positive ladninger (+7), er den den mest effektive i å nøytralisere ladninger. Så er det dannelse av broer mellom partiklene som agglomererer og danner flokker.

Disse flokkene, som er veldig tunge, har en tendens til å felle ut eller legge seg, det vil si å gå til bunnen av beholderen som inneholder vannet som blir behandlet. På denne måten kan de fjernes ved filtrering.

Fordel

PAC er bedre enn aluminiumsulfat fordi det har bedre ytelse ved lave temperaturer, etterlater mindre aluminiumrester, produserer mindre slamvolum, mindre effekt på vannets pH og raskere og større flokker dannes. Alt dette letter sedimentering for senere filtrering..

-I masse- og papirindustrien

PAC er spesielt effektivt for å modifisere kolloidale fyllstoffer i papirfremstilling. Kolloidale ladninger er ladningene av de suspenderte faste stoffene i blandingene for å lage papirmasse..

Det gjør det mulig å akselerere dreneringshastigheten (eliminering av vann), spesielt under nøytrale og alkaliske forhold, og hjelper til med å holde på faststoffer. De faste stoffene er de som senere, når de tørker, danner papiret.

I denne applikasjonen brukes PAC med lav (0-17%) og middels (17-50%) grunnleggende.

- For å forbedre sementen

Nylig (2019) er det testet å tilsette PACl til Portland sement. Det ble bestemt at tilstedeværelsen av kloridioner Cl^- og av de polymere gruppene av aluminium endrer sementens struktur. Det anslås at det dannes komplekse salter med formel 3CaO._toELLER₃.CaCl_to.10H_toELLER.

Resultatene indikerer at PACl forbedrer egenskapene til sementen, reduserer antall mikroporer (veldig små hull) og matrisen blir tettere og kompaktere, derfor øker motstanden mot kompresjon..

Effekten øker med økende innhold av PACl. Studien bekrefter at ved å tilsette PACl til Portland sement, oppnås en blanding med overlegne mekaniske og mikrostrukturelle egenskaper..

Referanser

1. Kim, T. et al. (2019). Undersøk effekten av polyaluminiumklorid på egenskapene til vanlig Portland sement. Materialer 2019, 12, 3290. Gjenopprettet fra mdpi.com.
2. Li, Y. et al. (2019). Optimalisering av polyaluminiumklorid-kitosan-flokkuleringsmiddel for behandling av grisbiogassoppslemming ved bruk av Box-Behnken Response Surface Method. Int. J. Environ. Res. Public Health 2019, 16, 996. Gjenopprettet fra mdpi.com.
3. Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Gjenopprettet fra projects.ncsu.edu.
4. Tang, H. et al. (2015). Spesifikasjons-, stabilitets- og koagulasjonsmekanismer for hydroksylaluminiumsklynger dannet av PACl og alun: En kritisk gjennomgang. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, J.Y. et al. (1980). Studier av hydrolyserte aluminiumkloridløsninger. 1. Naturen til aluminiumsarter og sammensetningen av vandige løsninger. The Journal of Physical Chemistry, Vol. 84, nr. 22, 1980. Hentet fra pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. et al. (2009). Høykonsentrert polyaluminiumklorid: Fremstilling og effekter av Al-konsentrasjonen på distribusjon og transformasjon av Al-arter. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
7. Jia, Z. et al. (2004). Syntese av polyaluminiumklorid med en membranreaktor: driftsparametereffekter og reaksjonsveier. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Gjenopprettet fra pubs.acs.org.
8. GEO Spesialkjemikalier. Polyaluminiumklorid (PAC). Gjenopprettet fra geosc.com.