铝灰一步酸溶法制备高效聚合氯化铝的实验研究焦玲鲁秀国* 贺志强任焕弟（河北大学化学与环境科学学院 河北保定 071002）E-mail：luxiuguo2000@摘 要：以铝灰为原料，用一步酸溶法制备了高效聚合氯化铝。

对Al灰、HCl、水三者配比以及反应温度、反应时间、熟化温度、熟化时间、搅拌速度等参数对聚合氯化铝的性能影响进行了实验研究，确定了制备聚合氯化铝的最佳工艺条件。

产品的各项指标达到了相关国家标准，对工业化生产具有一定的指导意义。

关键词：铝灰、聚合铝、工艺条件1.引言混凝剂是水处理的一种重要药剂，其中聚合氯化铝是最常用的，聚合氯化铝简称PAC，是一种无机高分子絮凝剂,其化学通式为[Al2(OH)n Cl6-n]m(1≤n≤5,m≤10),它具有混凝能力强、用量少、净水效能高、适应力强等特点［４］。

聚合氯化铝的生产方法按原料的不同而有很多种方法如金属铝直接溶解法、结晶氯化铝法等。

其中以铝灰为原料制造聚合氯化铝的方法,其原料来源广、廉价、经济效益高,具有很大的实用价值，这种方法本身又包括酸溶一步法、碱溶法、中和法。

其中碱溶法和中和法制得的产品氯化铝含量较低,碱化度也不高,而且碱的腐蚀性强等缺点。

酸溶一步法则与之相反,碱化度越高,原材料消耗越少,产品氯离子含量也越少,而且具有设备简单、原材料消耗少,成本低等优点［４］。

我国对于聚合氯化铝的研究早在70年代就已开始。

但由于受到铝资源的限制而不能满足生产的需要。

故此,我们以北京炼铝厂的铝灰为主要原料,采用酸溶一步法开展了生产聚合氯化铝的实验研究，所得到的结论对工业化生产具有一定的指导意义［１］。

2. 实验部分2.1主要原料、仪器设备主要原料：铝灰、浓盐酸、水仪器设备：搅拌器、电炉、天平、酸度计等。

自制反应装置（图略）。

2.2操作步骤首先往反应器中加入一定量的铝灰悬浮液，在搅拌和冷凝的条件下，滴加一定体积比的盐酸溶液在水浴加热下进行反应。

影响因素主要有原料配比、反应温度、反应时间、搅拌速度和熟化时间和熟化温度等。

产品各项性能指标的测定采用国家标准方法进行。

3. 结果与讨论3.1反应原理聚合氯化铝是一种无机高分子的多价聚合电解质混凝剂,可视为介于三氯化铝和氢氧化铝之间的一种水解产物。

铝的配位水发生水解生成铝的配合物,通过羟基架桥后成为多核配合物,核大量增加成为无机高分子聚合体。

利用铝灰制取聚合氯化铝,主要是利用铝灰中的Al2O3,它与HCl反应生成AlCl 3。

其全部反应包括溶出反应、水解反应、聚合反应三个过程。

由于铝的溶出,pH值升高,铝盐发生水解而产生HCl,使pH值下降,这又促使铝的溶出反应继续进行,pH值随之升高,使相邻两个羟基间发生架桥聚合作用,由于这种作用减少了水解产物的浓度,从而促使水解反应继续进行。

其水解反应生成的聚合体[Al2(OH)n(H2O)Y]m(6-n)+与作为外配体的Cl-结合,形成聚合氯化铝［４］。

3.2 起始加水量对聚合氯化铝性能的影响3.4gAl灰（加一定的水配成悬浊液）， HCl溶液（15ml浓盐酸+15ml水），反应时间2 h，反应温度85 ℃，熟化时间36h，熟化温度室温，搅拌速度-中速。

结果见表1.表`1 起始加水量对聚合氯化铝性能的影响Tab.1 The influence of the first make-up water to the property of PAC 起始加水量/mL 5 10 15 20 国家标准（GB15892—95）密度g/cm3 1.259 1.272 1.241 1.276 ≥1.2pH值 4.69 4.52 4.76 4.70 3.5～5.0Al2O3％13.20 11.8210.33 9.56 ≥10盐基度52.0 51.2 49.90 40.26 50～85从表1可以看出，随着起始加水量的增加，盐基度和Al2O3％逐渐减少，其它指标变化不大，但如果起始加水量太少，则盐酸挥发较块，不利于操作。

所以，起始加水量为10 ml 较合适。

3.3 盐酸浓度对聚合氯化铝性能的影响Al灰悬浊液（3.4g+10mL水）， 30mLHCl溶液（不同的体积比），反应时间2h，反应温度85℃，熟化时间36h，熟化温度室温，搅拌速度-中速。

结果见表2.表2盐酸浓度对聚合氯化铝性能的影响Tab.2 The influence of hydrochloric acid’s concentration to the property of PACV HCl:V水 1.5:1 1:1 1:1.5 1:2国家标准（GB15892—95）密度 1.246 1.333 1.272 1.240 ≥1.2pH值 4.59 4.52 4.67 4.74 3.5～5.0Al2O3％12.19 11.82 11.60 12.00 ≥10盐基度40.53 49.90 61.33 65.10 50～85从表2可以看出，V HCl:V水在1.5：1—1：1之间时,盐基度指标不符合国家标准,V HCl:V水为1:2时,反应中剩余铝灰较多,综合表2数据及实验现象, V HCl:V水为1:1.5反应效果较好.3.4 Al灰用量对聚合氯化铝性能的影响Al灰悬浊液（不同量的铝灰g+10mL水）， 30mL HCl溶液（V HCl:V水为1:1.5），反应时间2h，反应温度85℃，熟化时间36h，熟化温度室温，搅拌速度-中速。

结果见表3.表3 Al灰用量对聚合氯化铝性能的影响Tab.3 The influence of aluminum ash’s quantity to the property of PACAl灰/g 5 4 3.4 3 2.8 2.2 国家标准（GB15892—95）密度 1.283 1.314 1.238 1.207 1.188 1.187 ≥1.2pH值 4.44 4.38 4.35 4.34 4.37 4.35 3.5～5.0Al2O3％ 18.15 14.32 12.63 10.92 9.337.59 ≥10盐基度 73.04 67.58 60.51 54.41 48.1136.35 50～85实验中发现,采用5g Al灰反应时,反映结束后剩余的铝灰较多,而Al灰用量小于2.8g以后时，产品指标不合格，因此，Al灰用量选择为3～4g较好，本实验选择为3.4 g。

3.5 滴加HCl的时间(反应时间)对聚合氯化铝性能的影响Al灰悬浊液（3.4g+10mL水），30mL HCl溶液（V HCl:V水为1:1.5），不同反应时间，反应温度85℃，熟化时间36h，熟化温度室温，搅拌速度-中速。

结果见表4.表4滴加HCl的时间(反应时间)对聚合氯化铝性能的影响Tab.4The influence of reaction time to the property of PAC 滴加时间/ h 1 2 3 国家标准（GB15892—95）密度 1.238 1.220 1.277 ≥1.2pH值 4.35 4.35 4.34 3.5～5.0Al2O3％ 12.63 12.05 12.09 ≥10盐基度 60.51 62.43 60.79 50～85从实验过程看，1h内滴加完HCl，由于HCl挥发的较多,反应较剧烈,有剩余的铝粉。

3h 的时间虽然反应平稳，但相应地也需要搅拌和加热，浪费能源，综合实验现象和表4数据，本实验选择滴加HCl的时间(反应时间)为2h。

3.6反应温度对聚合氯化铝性能的影响Al灰悬浊液（3.4g+10mL水），30mL HCl溶液（V HCl:V水为1:1.5），反应时间2h，不同的反应温度，熟化时间36h，熟化温度室温，搅拌速度-中速。

结果见表5.表5反应温度对聚合氯化铝性能的影响Tab.5The influence of reaction temperature to the property of PAC反应温度/℃75 80 85 90 95国家标准（GB15892—95）密度 1.262 1.207 1.272 1.207 1.260 ≥1.2pH值 4.36 4.36 4.28 4.34 4.36 3.5～5.0Al2O3％9.86 10.77 10.56 10.92 10.52 ≥10盐基度53.92 55.56 52.95 54.41 53.21 50～85从实验过程看，反应温度在75℃--80℃之间时，反应过后，铝灰有剩余，反应温度超过90℃时，反应剧烈，在工业生产中不易控制，因此，本实验选择反应温度为85℃。

3.7熟化时间对聚合氯化铝性能的影响Al灰悬浊液（3.4g+10mL水），30mL HCl溶液（V HCl:V水为1:1.5），反应时间2h，反应温度85℃，不同的熟化时间，熟化温度室温，搅拌速度-中速。

结果见表6。

表6熟化时间对聚合铝性能的影响Tab.6 The influence of ripening time to the property of PAC熟化时间12 24 36 48 60国家标准（GB15892—95）密度 1.234 1.238 1.244 1.243 1.251 ≥1.2pH值 4.35 4.35 4.27 4.38 4.38 3.5～5.0Al2O3％12.47 12.63 12.57 12.58 12.43 ≥10盐基度59.48 60.54 61.34 61.67 59.20 50～85 随着熟化时间的延长各项指标日益增长，并趋于稳定，但从36小时以后各项指标增长幅度较小，所以熟化时间以36小时为好。

3.8 熟化温度对聚合氯化铝性能的影响：Al灰悬浊液（3.4g+10mL水），30mL HCl溶液（V HCl:V水为1:1.5），反应时间2h，反应温度85℃，熟化时间36 h，不同的熟化温度，搅拌速度-中速。

结果见表7。

表7熟化温度对聚合铝性能的影响Tab.7 The influence of ripening temperature to the property of PAC熟化温度40 50 60 70国家标准（GB15892—95）密度 1.210 1.222 1.210 1.191 ≥1.2pH值 4.33 4.34 4.32 4.34 3.5～5.0Al2O3％9.34 9.88 9.62 8.18 ≥10盐基度 50.88 52.11 52.70 51.73 50～85从表7可以看出，熟化温度应该选择60℃。

3.9 搅拌速度对聚合氯化铝性能的影响Al灰悬浊液（3.4g+10mL水），30mL HCl溶液（V HCl:V水为1:1.5），反应时间2h，反应温度85℃，熟化时间36 h，熟化温度60℃，不同的搅拌速度(耐于实验条件只能定性描述)。