高岭土制备聚氯化铝的实验研究

王 焜，廖秋实，肖林波，田承涛，孟 洋，黄 琴，张芷紫，刘燕琴

（1.湖北三宁化工股份有限公司，湖北 枝江 443206；2.宜昌市磷资源循环利用重点实验室，湖北 枝江 443206）

随着工业的迅速发展以及人们消费能力的不断提高，产生的废弃物量也日益增多[1-2]。聚氯化铝（PAC）是一种含有羟基的多核无机高分子高效混凝剂[3]，市场需求量巨大[4]。高岭土中的铝含量很高，因此可作为铝源而应用于絮凝剂的制备。目前，以高岭土为主要原料制备的絮凝剂，主要有聚硅酸铝铁、聚硫酸铝铁、聚合氯化铝、聚氯化铝铁等无机高分子絮凝剂。天然高岭土的结构稳定，反应活性很低，以它为原料提取硅铝活性成分时，必须进行活化处理。高岭土的改性方法主要有机械粉碎法、煅烧改性[5]、酸碱改性[6-7]等。

根据生产原料的不同，制备PAC 的方法可分为4 大类，即金属铝法、氢氧化铝法、氯化铝法和含铝矿物法[8]。本文采用直接酸浸高岭土[9]的方法，提取煤系高岭土中的活性成分，用于制备聚合氯化铝絮凝剂。絮凝的作用机理主要有压缩双电层与电中和作用、高分子絮凝剂的吸附架桥作用和絮体的卷扫沉淀机理。在絮凝过程中，胶体颗粒失去稳定，小的悬浮粒通过各种作用絮凝成较大的颗粒，在液体中沉降下来[10]。

1 实验部分

1.1 原料和仪器设备

高岭土（800℃煅烧）、盐酸（分析纯）。

集热式恒温加热磁力搅拌器、分析天平、循环水式真空泵、电热鼓风干燥箱、500mL 烧杯、温度计（0～120℃）、量筒（100mL）、尾气吸收装置。

1.2 实验原理

高岭土在800℃下煅烧2h，脱掉其中的水分，形成具有一定活性的“脱稳高岭石”[11]。取出冷却后，与一定浓度的盐酸反应，得到的上层透明液体即为高纯聚氯化铝溶液。反应方程式如下：

1.3 实验步骤

准确称取800℃下煅烧的高岭土50g 于500mL烧杯中，加入一定量的盐酸溶解后，置于500mL 四口烧瓶中，于水浴锅中加热反应一段时间。之后连接尾气吸收装置，用氢氧化钠溶液吸收逸出的酸性气体。反应完成后将溶液过滤，滤液置于烧杯中蒸发浓缩，滤渣用水清洗。收集滤液进行蒸发浓缩，取样分析所得固体中的Al2O3含量。实验装置图见图1。

图1 实验装置图

2 实验结果分析

2.1 最佳的反应物浓度

准确称取800℃煅烧的高岭土50g，分别置于编号为①～⑤的300mL 烧杯中，加入200g、浓度分别为16%、18%、20%、22%、25%的盐酸，配置成料浆，置于500mL 四口烧瓶中，于集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴加热，升温至90℃反应3h。反应完成后，将溶液于室温下冷却、过滤，滤液于170℃下蒸发浓缩。浓缩得到的晶体即为聚氯化铝固体。取样分析固体中的Al2O3含量，分析结果见表1。

表1 不同盐酸浓度下AlCl3的分析结果

图2 是盐酸浓度对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线。从图2可以看出，随着盐酸浓度增加，固体产品中Al2O3的含量逐渐上升；盐酸浓度为20%时，产品中的Al2O3含量达到27.2%，已达到国家标准；之后随着盐酸浓度上升，Al2O3含量逐渐降低。原因是高浓度的盐酸溶液会使氯化铝溶液中的有效成分酸解，进而降低了Al2O3的含量。综合考虑确定最佳的盐酸浓度为20%。

图2 盐酸浓度对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线

2.2 最佳反应时间

准确称取800℃煅烧的高岭土50g，置于编号为①～⑤号的300mL 烧杯中，加入200mL、20%盐酸配成料浆，置于500mL 四口烧瓶中，于集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴加热，升温至90℃，分别反应90min、120min、150min、180min、210min。反应完成后，将溶液于室温下冷却并过滤，将滤液于170℃下蒸发浓缩，得到的晶体即为聚氯化铝固体。取样分析固体中的Al2O3含量，结果见表2。

表2 不同反应时间下AlCl3的分析结果

图3 是反应时间对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线。从图3可以看出，随着反应时间延长，产品纯度呈先升后降的趋势，180min 时氯化铝中Al2O3含量为27.5%，达到聚氯化铝的国家标准。盐酸对高岭土中的Al2O3分解完全后，继续延长反应时间，水分会大量蒸发，使得溶解的AlCl3重新析出，会在过滤时随滤渣一起被滤出，导致成品有少量损耗。由此确定180min为最佳反应时间。

图3 反应时间对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线

2.3 最佳反应温度

准确称取800℃煅烧的高岭土50g，置于编号为①～④号的300mL 烧杯中，加入200mL、20%盐酸配成料浆，置于500mL 四口烧瓶中，于集热式恒温加热磁力搅拌器中，分别水浴加热至70℃、80℃、90℃、100℃，反应3h。反应完成后，将溶液于室温下冷却并过滤，滤液于170℃下蒸发浓缩，得到的晶体即为聚氯化铝固体。取样分析固体中的Al2O3含量，结果见表3。

表3 不同反应温度下AlCl3的分析结果

图4 是反应温度对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线。从图4 可以看出，随着反应温度升高，AlCl3中的Al2O3含量增加，温度达到90℃时，Al2O3含量达到最高。适当的高温可促进高岭土中的Al2O3与盐酸发生反应，因此确定实验的最佳反应温度为90℃。

图4 反应温度对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线

2.4 最佳搅拌速度

准确称取800℃煅烧的高岭土50g，置于编号为①～④号的300mL 烧杯中，加入20%盐酸200g 配成料浆，置于500mL 四口烧瓶中，于集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴升温至90℃，控制搅拌速度分别为200、250、300、350r·min-1，反应180min。反应完成后，将溶液于室温下冷却并过滤，滤液于170℃下蒸发浓缩，得到的晶体即为聚氯化铝固体。取样分析固体中的Al2O3含量，分析结果见表4。

表4 不同搅拌转速下AlCl3的分析结果表

图5 是搅拌速度对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线。从图5可以看出，随着搅拌速度升高，AlCl3中的Al2O3含量持续增加，转速达到300 r·min-1之后，AlCl3中的Al2O3含量基本保持不变。适当的高转速有助于促进高岭土中的Al2O3溶出，但转动过程中，液体与搅拌桨的碰撞剧烈，反应液容易飞溅，因此确定实验的最佳搅拌速度为300r·min-1。

图5 搅拌速度对AlCl3中Al2O3含量的影响曲线

3 结论

本文采用单因素优化法，以轻烧高岭土和盐酸为原料，探究了不同的反应条件对制备的氯化铝溶液中Al2O3含量的影响，得到了最佳的反应条件。随着盐酸浓度升高，氯化铝中的Al2O3含量先升后降；随着反应时间延长，氯化铝中的Al2O3含量呈先升后降的趋势；随着反应温度升高，氯化铝产品中的Al2O3含量增加；随着搅拌速度提高，氯化铝产品的纯度及Al2O3含量逐渐升高。最终得到的最佳反应条件为：800℃下煅烧的高岭土与20%盐酸溶液，按照固液比1∶4，在90℃下以300r·min-1的搅拌速度反应3h。此条件下制备的的氯化铝固体中，Al2O3含量为28%，达到了生活用水的聚氯化铝指标。