用铝灰生产聚合氯化铝的工艺研究

陈思忠，徐惠彬

（1.徐州创达工程设计有限公司，江苏 徐州 221008；2.徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140）

聚合氯化铝，又叫碱式氯化铝，亦称羟基氯化铝，简称PAC，是一种无机高分子混合物。其化学通式为［Al2（OH）nCl6－n］m，（1≤n≤5，1≤m≤10），产品有液体和固体两种。液体聚合氯化铝呈淡黄色或无色透明液，有时色泽因其含杂质及盐基度大小不同而呈黄褐色、灰白色等；固体聚合氯化铝色泽与液体产品类似，形状随盐基度大小而变，盐基度在30％以下时为晶体，在60％以上时逐渐呈玻璃状或树脂状。固体聚合氯化铝的盐基度在70％以上时不易潮解。聚合氯化铝易溶于水而发生水解，并发生电化学、凝聚、吸附和沉淀等物理化学过程，因此广泛应用于工业废水和生活废水的净化处理[1-2]，净化效率高，用量少，是一种优良的无机絮凝剂（净水剂）。

聚合氯化铝的生产方法按原料来源不同可分为：三氧化二铝法（例铝土矿、高岭土、煤矸石等），氢氧化铝法和铝灰法（例铝渣、铝屑、铝灰等）。以铝灰为原料生产聚合氯化铝具有成本低、原料易得、生产工艺简单等特点。

聚合氯化铝的生产工艺按化学反应原理可分为碱溶法、酸溶法和中和法。碱溶法因产品中的氯化钠含量高、生产成本高已被淘汰。中和法亦称二步法，先将烧碱和铝灰反应制得铝酸钠，将盐酸和铝灰反应制得三氯化铝，然后将铝酸钠和三氯化铝以合适的配比合成聚合氯化铝[3]。酸溶法亦称一步法，是将铝灰和盐酸反应直接得到液体聚合氯化铝，工艺简单，但生产中为防止挥发的氯化氢气体逃逸而污染环境，须有冷凝回流装置。

为循环利用江苏四方铝业有限公司在冶炼铝生产中排放的铝灰，以及新沂嘉泰化工有限公司在聚氯乙烯生产中排放、水吸收后得到的废盐酸，选取酸溶法（一步法）工艺线路，对生产聚合氯化铝进行了工艺试验研究，得到了生产中可行的工艺参数，并对聚合氯化铝液体产品的净水效果进行了模拟试验，证明自制的产品具有较好的絮凝作用，净水效果明显。

1 试验过程

1.1 试验原料、仪器

原料：铝灰（江苏四方铝业有限公司提供），废盐酸（新沂嘉泰化工有限公司提供）。

仪器：四颈烧瓶，电动搅拌器，真空泵，布氏漏斗，酸度计，电子称，电炉，水浴锅，温度计，球形冷凝管等。

1.2 试验原理

盐酸与铝灰的反应方程式为：

2Al+（6－n）HCl+nH2O＝Al2（OH）nCl6－n+3H2↑

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

反应中铝的酸溶浸出、产物的水解是同步进行的，水解物的聚合是随后进行的。设定的工艺流程见图1。

图1聚合氯化铝的生产工艺流程

1.3 试验过程

取200 mL废盐酸，用酸碱中和滴定法测得其浓度为15％。

将铝灰粗筛，筛除草木、泥石，然后用研钵研磨，20目筛过筛，筛上物回掺继续研磨，筛下物待用。

化学试验操作步骤：搭好装置，往四颈烧瓶内加入计量的水和铝灰，开启搅拌，开启水浴加热和冷凝器，滴加盐酸。影响反应的主要参数有原料配比、反应温度、反应时间、搅拌速度、熟化时间、熟化温度等。盐酸的滴加在半小时内完成。

1.3.1 反应温度对聚合氯化铝性能的影响

6.8 g铝灰中加10 mL水，搅拌配成悬浊液，加热，滴加230 mL废盐酸，1 h滴加完，反应时间2 h，熟化时间36 h，熟化温度室温，搅拌速度为中速（200r/min）。结果见表1。

表1 反应温度对聚合氯化铝性能的影响

从试验过程和表1结果看出，确定反应温度为85℃较合理。温度越高，盐酸越易挥发，虽经冷凝后回流，但加热耗能高；温度低，反应慢。

1.3.2 反应时间对聚合氯化铝性能的影响

6.8 g铝灰中加10 mL水，搅拌配成悬浊液，滴加230 mL废盐酸，1 h滴加完，反应温度85℃，熟化时间36 h，熟化温度室温，搅拌速度为中速（200 r/min）。结果见表2。

表2 反应时间对聚合氯化铝性能的影响

从试验过程和表2结果看出，确定反应时间为2 h较合理。反应时间越长，加热耗能高；反应时间越短，反应不充分，有铝灰未完全反应。

1.3.3 搅拌速度对聚合氯化铝性能的影响

6.8 g铝灰中加10 mL水，搅拌配成悬浊液，滴加230 mL废盐酸，1 h滴加完，反应时间2 h，反应温度85℃，熟化时间36 h，熟化温度室温。结果见表3。

表3 铝灰投加量对聚合氯化铝性能的影响

从试验过程和表3结果看出，确定搅拌速度为200 r/h较合理。搅得太快，导致盐酸挥发得快；搅得太慢，反应物接触不充分，延长了反应时间，甚至有铝灰未完全反应。

1.3.4 铝灰投料量对聚合氯化铝性能的影响

铝灰中加10 mL水，搅拌配成悬浊液，加热，滴加230 mL废盐酸，1 h滴加完，反应时间2 h，熟化时间36 h，熟化温度室温，搅拌速度为中速（200 r/min）。结果见表4。

表4 铝灰投加量对聚合氯化铝性能的影响

从试验过程和表4结果看出，确定铝灰的投加量为6.8 g较为适宜。铝灰投加得太多，反应后有剩余；铝灰投加得太少，反应后产品指标不达标。

1.3.5 熟化温度对聚合氯化铝性能的影响

6.8 g铝灰中加10 mL水，搅拌配成悬浊液，加热，滴加230 mL废盐酸，1 h滴加完，反应时间2 h，熟化时间36 h，反应搅拌速度为中速（200 r/min）。结果见表5。

表5 熟化温度对聚合氯化铝性能的影响

从试验过程和表5结果看出，熟化温度为60℃，产品质量较好。

1.3.6 熟化时间对聚合氯化铝性能的影响

6.8 g铝灰中加10 mL水，搅拌配成悬浊液，加热，滴加230 mL废盐酸，1 h滴加完，反应时间2 h，熟化温度60℃，反应搅拌速度为中速（200 r/min）。结果见表6。

表6 熟化时间对聚合氯化铝性能的影响

从试验过程和表6结果看出，熟化时间36 h为宜。因为熟化时间36 h后产品质量指标不再趋好，甚至因产品吸潮水解质量下降。

2 净水效果模拟试验

聚合氯化铝分子结构大，吸附能力强，用量少，处理成本低。聚合氯化铝溶解性好，活性高，在水体中凝聚形成的矾花大，沉降快，比其他无机絮凝剂净化能力大2～3倍。聚合氯化铝适应性强，受水体pH值和温度影响小，原水净化后达到国家饮用水标准，处理后水质中阳、阴离子含量低，有利于离子交换处理和高纯水的制备。聚合氯化铝的应用领域较宽泛，还可用于处理工业用水、生活污水、工业废水、污泥及污水中某些渣质回收等。聚合氯化铝对某些处理难度大的工业废水,可以聚合氯化铝为母体,掺入其他药剂，如聚丙烯酰胺，配成复合净水剂，处理污水能得到更佳的效果。

净水效果模拟试验：称取少量的液体聚合氯化铝，先加水加热预溶，搅拌；分别倒入模拟配制的带有颜色的无机污水（含泥沙、氯化钙）和有机污水（含植物油、机油）的烧杯中，并不断搅拌，静置几分钟后，观察现象。无机污水的烧杯中出现分层现象，上层为清液，下层为絮状不溶物沉淀。有机污水的烧杯中也出现分层现象，下层为清液，上层为絮状漂浮物并裹挟着泡沫。

试验证明，研制的产品处理污水时絮凝效果明显，并且对无机污水处理效果更加理想；使用时最佳投加量的质量分数为 80×10-6～120×10-6；若产品有沉淀，摇匀后再使用。

3结论

以铝灰和废盐酸为原料制取聚合氯化铝，采用酸溶一步法工艺，具有流程短、生产设备简单、成本低等特点。通过研究确定的最佳工艺条件为：若使用15％的盐酸溶液，投料比（铝灰∶水∶废盐酸）为 3.4∶5∶115，搅拌速度200 r/min，反应温度控制在85℃左右，盐酸滴加时间1 h，反应时间控制在2 h左右，在反应过程中，特别是反应前期由于反应剧烈，又是发热反应，水分挥发损失较大，要加大冷凝管冷却水的进出量，产品熟化时间36 h，产品熟化温度60℃，间歇性生产。

目前,国内工业废水、城市生活污水等处理时，絮凝剂需求量达450万t/a以上,这给聚合氯化铝的生产、销售提供了广阔的市场空间。聚合氯化铝在水处理中是一种高效的絮凝剂，其生产中利用工业废弃物作为原料，既节省材料费，又能使废物循环利用，既有环保效益，又有经济效益，促进了循环经济发展。开发高效、连续化生产工艺，必将成为今后聚合氯化铝工业生产研究的热点；聚合氯化铝与其他类无机或有机高分子絮凝剂复合或复配使用的应用研究是今后的方向。

[1] 王红卫，张映春，张秀荣.碱式氯化铝生产工艺的改进[J].油田节能，2000(3)：27-29.

[2] 韦立东.用铝灰制聚合氯化铝的酸溶试验[J].维纶通讯，2003(4)：12-14.

[3] 陈志强，程相春.聚合氯化铝的生产及应用[J].化学工程师，2008(5)：46-47.