聚铝多元盐的生产工艺及净水作用

王儒富

(成都大学生物工程学院，四川成都，610106)

科研与开发

聚铝多元盐的生产工艺及净水作用

王儒富

(成都大学生物工程学院，四川成都，610106)

聚铝多元盐是应用活性铝土矿粉和铝酸钙粉溶于盐酸-水解-碱式化-桥连等反应的生成物，称其为聚合碱式氯化铝铁钙镁盐，简称聚铝多元盐。聚铝多元盐具有优良的净水作用：一是因为桥连碱式铝铁钙镁盐串联形成桥连链吸附净水作用；二是因为桥连碱式铝铁钙镁盐并联形成网状吸附净水作用。

聚合碱式氯化铝铁钙镁盐 桥连碱式氯化铝 桥连链吸附净水作用 网状吸附净水作用

铝土矿、煤矸石、油页岩等属于铝铁硅酸盐矿物质，均含有多元弱碱金属氧化物如氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、有的含氧化钛、二氧化硅等。经破碎、磨粉、活化(焙烧)等工艺转化成活性多元氧化物、硅酸盐和二氧化硅等矿粉，统称活性铝铁硅酸盐矿粉，或专指称活性铝土矿、活性煤矸石、活性油页岩等。活性多元弱碱金属氧化物能溶于一定量的酸-水解-碱式化-桥连(聚合)生成碱式多元盐[1，2]，可做净水剂。

活性铝土矿粉是铝土矿经破碎-磨粉-活化(焙烧)的产品称活性铝土矿粉[3]，其产品含有活性多元弱碱金属氧化物。弱碱金属氧化物溶于盐酸生成弱碱金属盐，其盐易水解生成碱式盐，两相邻碱式基(羟基/OH-)桥连聚合，形成桥连碱式氯化铝铁钙镁盐[2]，具有优良地净水作用，简称聚铝多元盐净水剂[4]。

铝酸钙粉是高品位铝土矿中的氧化铝与高品位碳酸钙中氧化钙按一定的摩尔比配料，经破碎-磨粉-成球于高温烧结形成新的物相铝酸钙，铝酸钙球粒再磨粉得到铝酸钙粉[5，6]，其粉料具有活性且含有高铝高钙和少量的铁镁，用做铝碱化剂，能提高铝盐净水剂的碱化度和碱式铝的含量[7]。

聚铝多元盐是简约缩写名[4]，全称聚合碱式氯化铝铁钙镁盐，它实际是“桥连碱式氯化铝+桥连碱式氯化铁+桥连碱式氯化钙+桥连碱式氯化镁”等四个桥连碱式盐的聚合大分子化合物。

聚铝多元碱式盐净水剂主要用于自来水原水处理、城市生活污水处理和工业废水处理等。

硅酸盐(钾、钠、钙、镁硅酸盐)和二氧化硅矿粉溶于酸生成盐和沉积二氧化硅可做硅肥[8，9]。

1 生产原辅料

1.1 活性铝土矿粉

活性铝土矿粉生产工艺：将铝土矿经过破碎-磨粉至95%通过0.25mm(60目)筛孔的粉末，在回转窑内于“740～780℃”下焙烧，并调节焙烧温度和时间，转化为活性铝土矿粉[3]。活性铝土矿粉河南、山东有多家厂生产。

1.2 铝酸钙粉

铝酸钙粉生产工艺：根据铝土矿中氧化铝和石灰石中氧化钙的含量，以1∶1的摩尔比配料，并将其破碎-磨粉至95%通过0.105mm(140目)筛孔的粉末，做成直径5～10mm球粒，在立窑内于“1250～1350℃”下烧结。烧结熟料再磨粉至100%通过0.25mm(60目)筛孔的粉末，成品为铝酸钙粉[5，6]。铝酸钙粉河南有多家厂生产，贵州也有厂家生产。

1.3 辅料

工业盐酸：氯化氢(HCl)含量≥31%；无烟煤：热值≥6800Kcal/kg。

2 生产工艺

聚铝多元盐净水剂一般采用两次加料，同一反应器桥连聚合[1]。第一次将一定量的活性铝土矿粉溶于一定量的盐酸溶液，pH值上升到2.5～2.8，或碱化度达到50%～56%；第二次将一定量的铝酸钙粉溶于第一次反应溶液中，pH值上升到3.5～4.0，或碱化度达到70%～80%。两次反应物中的无定形二氧化硅均生成沉积二氧化硅，采用沉淀分离可做硅肥。每一次加入料中的活性铝铁钙镁氧化物都经过酸溶-水解-碱式化-桥连(聚合)等四步反应过程，其产品为聚合碱式氯化铝铁钙镁盐净水剂，简称聚铝多元盐净水剂[4]。下面就同一氧化物在同一容器进行的四步反应作介绍。

2.1 酸溶

活性弱碱金属铝、铁、钙、镁等氧化物发生酸溶反应[1，2]，生成相同摩尔数(m)的六水合盐[10]。

(1)xAl2O3+x·6HCl+x·q(9H2O)→2(AlxCl3x·6xH2O)→m(AlxCl3x·6xH2O)/6水合氯化铝。

(2)yFe2O3+y·6HCl+y·q(9H2O)→2(FeyCl3y·6yH2O)→m(FeyCl3y·6yH2O)/6水合氯化铁。

(3)zCaO+z·2HCl+z·q(5H2O)→CazCl2z·6zH2O→m(CazCl2z·6zH2O)/6水合氯化钙。

(4)kMgO+k·2HCl+k·q(5H2O)→MgkCl2k·6kH2O→m(MgkCl2k·6kH2O)/6水合氯化镁。

活性多元氧化物加入一定量的盐酸，溶液的pH值逐渐升高，弱碱金属盐发生水解。

2.2 水解

6水合盐发生水解反应，水解产物碱式基(OH-)离子和氢(H+)离子受到pH值的限制，控制在不出现氢氧化物沉淀之前的pH值，如河南巩义活性铝土矿和铝酸钙粉控制pH值=4.0，碱化度B=80%，其水解产物如下[1]：

2.3 碱式化

水解产物碱式化生成多水合碱式盐和新生盐酸。新生盐酸又促进氧化物继续酸溶[1]。

→m[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]+m(3xB)HCl。

→m[Fey(OH)3yBCl3(y-yB)·(6y-3yB)H2O]+m(3yB)HCl。

→m[Caz(OH)2zBCl2(z-zB)·(6z-2zB)H2O]+m(2zB)HCl。

→m[Mgk(OH)2kBCl2(k-kB)·(6k-2kB)H2O]+m(2kB)HCl。

2.4 桥连(聚合)反应[2]

m摩尔多水合碱式氯化物，如m[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]，令(6x-3xB)H2O=wxH2O，此分子式可写成串联加合式，其桥连(聚合)反应过程如下：

m摩尔[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]=m个[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]分子

=第一个[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]+第二个[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]+……

+第(m-1)个[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]+第m个[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]

→任意两相邻分子之间的羟基(OH)发生桥连(聚合)，形成2分子合成体如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]2→任意两相邻2分子合成体之间的羟基(OH)发生桥连(聚合)，形成4分子合成体如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]4→……→最后两多分子合成体如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]n和[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]n+1之间发生桥连(聚合)，形成聚合大分子化合物如[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·wxH2O]m，或[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m……称桥连聚合碱式氯化铝。

当反应液中桥连聚合碱式氯化铝铁钙镁盐生成时，造成生成物减少，又有新生盐酸，推动新一轮(酸溶-水解-碱式化-桥连)反应继续进行，直至平衡。同理可以得：

[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m……(1)桥连聚合碱式氯化铝

[Fey(OH)3yBCl3(y-yB)·(6y-3yB)H2O]m……(2)桥连聚合碱式氯化铁

[Caz(OH)2zBCl2(z-zB)·(6z-2zB)H2O]m……(3)桥连聚合碱式氯化钙

[Mgk(OH)2kBCl2(k-kB)·(6k-2kB)H2O]m……(4)桥连聚合碱式氯化镁

3 净水作用

3.1 聚合碱式一元盐的净水作用

聚合碱式氯化铝、聚合碱式硫酸铁等为聚合碱式一元盐净水剂，其净水作用讨论如下：

例1，聚合碱式氯化铝分子式[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m，以串联形成桥连链多核聚合大分子化合物。如m个Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O分子串联如下：

[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O-Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O-……-Alx(OH)3xBCl3(x-xB)

·(6x-3xB)H2O-Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]

(1)

(1)式对水中浊体胶粒具有电性中和和吸附双重作用[10]，统称桥连链吸附净水作用。

例2，聚合碱式氯化铝分子式[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m以并联形成桥连网状多核聚合大分子化合物。如m个Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O分子并联如下：

(2)

(2)式对水中浊体胶粒具有网状电性中和和吸附双重作用[10]，统称网状吸附净水作用。

3.2 聚合碱式多元盐的净水作用

本文生产的聚合碱式氯化铝铁钙镁盐为聚合碱式多元盐净水剂，其净水作用讨论如下：

例1，聚合碱式多元盐分子式如：

[Alx(OH)3xBCl3(x-xB)·(6x-3xB)H2O]m

(1)

[Fey(OH)3yBCl3(y-yB)·(6y-3yB)H2O]m

(2)

[Caz(OH)2zBCl2(z-zB)·(6z-2zB)H2O]m

(3)

[Mgk(OH)2kBCl2(k-kB)·(6k-2kB)H2O]m

(4)

(1)、(2)、(3)、(4)个聚合碱式氯化盐处于同一反应液，具有相同的碱化度(B)，以串联形成桥连链多核聚合大分子化合物。如(5)式：

[Alx(OH)3xBCl(3x-3xB)/cFey(OH)3yBCl(3y-3yB)/cCaz(OH)2zBCl(2z-2zB)/cMgk(OH)2kBCl(2k-2kB)/c·wH2O]m

(5)

(5)式对水中浊体胶粒具有电性中和和吸附双重作用[10]，统称桥连链吸附净水作用。

(1)、(2)、(3)、(4)个聚合碱式氯化盐处于同一反应液，具有相同的碱化度(B)，以并联形成桥连网状多核聚合大分子化合物。如(6)式：

(6)

(6)式对水中浊体胶粒具有网状电性中和和吸附双重作用[10]，统称网状吸附净水作用。

在具体水处理时，串联、并联聚合物均可能存在，同时发挥桥连链、网状吸附净水作用。

4 产品质量指标检测与计算

4.1 测算方法

采用聚铝多元盐净水剂特性质的测算法[11，12，13，14]：碱式铝以Al2O3%计、碱式铁以Fe2O3%计、碱式钙以CaO%计、碱式镁以MgO%计、羟基以(OH)%计等。

4.2 产品碱化度B及分子式计算方法

(1)聚合碱式硫酸铝铁镁盐的碱化度B和分子式的计算：将4.1的测定值分别代入以下⑴式和⑵式计算得产品的碱化度B和分子式。

BAFM=[5.89×(OH)%/(5.89×Al2O3%+3.76×Fe2O3%+3.57×CaO%]×100%

(1)

[Alx(OH)3xB(SO4)(3x-3xB)/2Fey(OH)3yB/2(SO4)(3y-3yB)/2Mgk(OH)2kB(SO4)(2k-2kB)/2·wH2O]m

(2)

式中：x=5.89×Al2O3%、y=3.76×Fe2O3%、k=4.96×MgO%、w=6(x+y+k)-B(3x+3y+2k)；B=BAFM。

(2)聚合碱式氯化铝铁钙镁盐的碱化度B和分子式的计算：将4.1的测定值分别代入以下⑶式和⑷式计算得产品的碱化度B和分子式。

BAFCM=[5.89×(OH)%/(5.89×Al2O3%+3.76×Fe2O3%+3.57×CaO%+4.96×MgO%]×100%

(3)

[Alx(OH)3xBCl(3x-3xB)Fey(OH)3yBCl(3y-3yB)Caz(OH)2zBCl(2z-2zB)Mgk(OH)2kBCl(2k-2kB)·wH2O]m

(4)

式中：x=5.89×Al2O3%、y=3.76×Fe2O3%、z=3.57×CaO%、k=4.96×MgO%、w=6(x+y+z+k)-B(3x+3y+2z+2k)；B=BAFCM。

5 结语

(1)应用活性铝土矿粉和铝酸钙粉经酸溶-水解-碱式化-桥连(聚合)等反应的生产品为聚铝多元盐净水剂。

(2)聚铝多元盐净水剂生产采用了高品位矿、高能耗、高成本的铝酸钙粉，近年正在被出现的“用氧化亚铁+活性铝土矿粉”生产优质聚合铁铝盐净水剂和硅肥的低能耗绿色工艺所代替。

(说明：本文4.2中的⑴式和⑶式与2016⑸期第35页3.3中的⑻式，与第36页3.4中的⑽式等效，仅表述方式不同，以本文为准，特此说明。)

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Production Technology and Water Treatment Effect of Poly-aluminous Poly-element Salt

WangRufu

(SchoolofBiologicalEngineering,ChengduUniversity,Chengdu610106,Sichuan,China)

Poly-aluminous poly-element salt is a product of a series of reactions. Active bauxite powder and calcium aluminate powder are dissolved in hydrochloric acid-hydrolysis-alkali-bridging reactions. The product of the reactions is called poly-aluminous ferric calcium magnesium hydroxyl-chloride, referred to as poly-aluminous poly-element salt. Poly-aluminous poly-element salt has excellent water treatment effect. For one thing, series process of bridging basic aluminum iron calcium magnesium salt produces bridging chain adsorption water purification effect; for the other, parallel process of bridging basic aluminum iron calcium magnesium salt produces mesh adsorption water purification effect.

poly-aluminous ferric calcium magnesium hydroxyl-chloride; bridging basic aluminum chloride; bridging chain adsorption water purification effect; mesh adsorption water purification effect