Aluminium polychlorid struktur, egenskaber, opnåelse, anvendelser

Er navngivet aluminiumpolychlorid til en klasse af vandopløselige uorganiske aluminiumprodukter dannet ved den delvise reaktion af aluminiumchlorid AlCl₃ med en base. Det er et hvidt til gult fast stof. Dens generelle formel udtrykkes ofte som Al_n(OH)_mCl_(3n-m). De er også kendt som PAC eller også PACl (akronym på engelsk PolyAluminiumchlorid).

PAC'er er formuleret således, at de indeholder stærkt kationiske polymerer (samlinger af flere molekyler med mange positive ladninger), der består af aluminiumioner (Al³⁺), chloridioner (Cl^-), hydroxylioner (OH)^- og vandmolekyler (H_toELLER).

Den vigtigste kationiske polymer af disse arter kaldes Al₁₃ o Keggin-Al13, som er meget effektiv i vandbehandling og i papir- og papirindustriindustrien.

I disse applikationer klæber PAC'erne til overfladen af ​​partiklerne, der får dem til at binde sig sammen og kan bundfælde sig, dvs. falde ned mod bunden og kan filtreres..

Det er også blevet testet med succes for at forbedre egenskaberne ved Portland cement, da det ændrer eller ændrer sin struktur på mikroniveau, hvilket gør cementen mere modstandsdygtig.

Artikelindeks

• 1 Struktur
• 2 Nomenklatur
• 3 egenskaber
  • 3.1 Fysisk tilstand
  • 3.2 Opløselighed
  • 3.3 Karakteristika for kommercielle PAC'er
  • 3.4 Kemiske egenskaber
  • 3.5 PAC's opførsel i vand
  • 3.6 PAC's rolle som flokkuleringsmiddel
• 4 Opnåelse
  • 4.1 Hydrolyse
  • 4.2 Polymerisering
  • 4.3 Vigtighedspolymer
• 5 anvendelser
  • 5.1 - I vandbehandling
  • 5.2 -I papirmasseindustrien
  • 5.3 - For at forbedre cementen
• 6 Referencer

Struktur

PAC eller PACl består af en række arter, der spænder fra monomerer (et enkelt molekyle), dimerer (to molekyler forbundne), oligomerer (tre til fem molekyler forbundet sammen) til polymerer (mange molekyler forbundet sammen).

Dens generelle formel er Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Når de opløses i vand, indeholder disse arter alioner³⁺, hydroxylioner OH^-, chloridion Cl^- og vandmolekyler H_toELLER.

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

Den mest nyttige af disse polymerer kaldes Al₁₃ eller Keggin-Al13, hvis formel er AlO₄Til₁₂(OH)₂₄(H_toELLER)₁₂⁷⁺. Arten Al₁₃ har en tredimensionel form.

Det anslås, at forløberen for denne polykation er Al (OH)₄^-, som præsenterer en tetraedrisk konformation og er placeret i midten af ​​strukturen.

Nomenklatur

- Aluminium polychlorid

- PAC (akronym af engelsk Poly aluminiumchlorid)

- PACl (akronym af engelsk Poly aluminiumchlorid)

- Polyaluminiumchlorid

- Aluminium polyhydroxychlorid

- Aluminiumhydrochlorid eller ACH (akronym på engelsk Aluminiumklorhydrat).

Ejendomme

Fysisk tilstand

Hvidt til gult fast stof (pulver), der også opnås i form af vandige opløsninger i forskellige koncentrationer.

Opløselighed

Opløselig i vand.

Karakteristika for kommercielle PAC'er

De forskellige PAC'er adskiller sig hovedsageligt fra to ting:

- Dens styrke udtrykt som% aluminiumoxid Al_toELLER_3.

- Dens basicitet, som angiver mængden af ​​polymert materiale i PAC, og kan variere mellem 10% (lav basicitet), 50% (medium basicitet), 70% (høj basicitet) og 83% (højeste basicitet, hvilket svarer til aluminiumhydrochlorid eller ACH).

Kemiske egenskaber

PAC er en slags vandopløselige aluminiumprodukter. Dens generelle formel udtrykkes ofte som Al_n(OH)_mCl_(3n-m).

Da de produceres ved at reagere aluminiumchlorid (AlCl₃) med en base, afhænger basisiteten af ​​denne type produkt af den relative mængde OH-ioner^- sammenlignet med mængden af ​​aluminium (Al).

Ifølge formlen Al_n(OH)_mCl_(3n-m), basicitet er defineret som m / 3n.

Det er et flokkuleringsmiddel. Det har egenskaber som let adsorption på andre partikler med modsat ladning (det klæber til overfladen af ​​disse), koagulation (forening af flere partikler, som det er blevet adsorberet på) og udfældning af disse grupper af forenede partikler.

PAC'er kan være ustabile, da de afhænger af pH. De kan være ætsende.

Opførsel af PAC i vand

Ved opløsning af PAC i vand og afhængigt af pH dannes forskellige arter af aluminiumhydroxyl (Al-OH).

Hydrolyserer eller reagerer med vand til dannelse af monomerer (enhedsmolekyler), oligomerer (3 til 6 molekyler binder) og polymerer (mere end 6 bindingsmolekyler).

Den vigtigste art er en polymer med 13 aluminiumatomer, der kaldes Keggin-Al13.

PACs rolle som flokkuleringsmiddel

Keggin-Al13-polymeren adsorberer på de partikler, der er til stede i vandet, det vil sige, at den sidder fast på overfladen af ​​disse og får dem til at føjes til hinanden og danne flokker.

Flokker er grupper af meget små partikler agglutineret eller forenet for at danne større strukturer, der kan sedimentere, dvs. gå til bunden af ​​den vandige opløsning..

Når de er dannet, når de er store nok, går de til bunden, og den vandige opløsning er ren.

Opnåelse

PAC- eller PACl-opløsninger opnås generelt ved tilsætning af en base eller alkalisk opløsning til en opløsning af aluminiumchlorid (AlCl₃).

For at opnå en stor mængde Al-polymerer₁₃ basen eller den tilsatte alkali må ikke tilvejebringe OH-ioner^- for hurtigt ikke for langsomt.

Undersøgelser viser, at det er vanskeligt at producere en stabil høj koncentration af Al₁₃ ved hjælp af NaOH, fordi det frigiver OH-ioner^- for hurtigt i vandet.

Af denne grund foretrækkes basiske calcium (Ca) forbindelser, som har lav opløselighed i vand og således frigiver OH-ioner.^- langsomt. En af disse basiske calciumforbindelser er calciumoxid CaO.

Her er de trin, der opstår for dannelsen af ​​PAC.

Hydrolyse

Når aluminiumsaltene (iii) opløses i vand, opstår en hydrolysereaktion spontant, hvor aluminiumskationen Al³⁺ tager hydroxylioner OH^- vand og binder sig til dem og efterlader protoner H⁺ ledig:

Til³⁺ + H_toO → Al (OH)^to+ + H⁺

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

Dette foretrækkes ved tilsætning af en alkali, det vil sige OH-ioner.^-. Aluminiumalion³⁺ binder i stigende grad til OH-anioner^-:

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

Derudover er arter såsom Al (H_toELLER)₆³⁺, det vil sige en aluminiumion bundet eller koordineret med seks vandmolekyler.

Polymerisering

Derefter dannes bindinger mellem disse arter og danner dimerer (sæt med 2 molekyler) og trimerer (sæt med 3 molekyler), der transformeres til oligomerer (sæt med 3 til 5 molekyler) og polymerer (sæt med mange sammenføjede molekyler).

Al (OH)_to⁺ → Al_to(OH)_to⁴⁺ → Al₃(OH)₅⁴⁺ → Al₆(OH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺

Denne type arter er forbundet med OH-broer med hinanden og med Al (H._toELLER)₆³⁺ danner sæt af molekyler, der kaldes hydroxy-komplekser eller polykationer eller hydroxypolymerer.

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

Polymer af betydning

Den mest nyttige af disse polymerer menes at blive kaldt Al₁₃ hvis formel er AlO₄Til₁₂(OH)₂₄(H_toELLER)₁₂⁷⁺, og det er også kendt som Keggin-Al13.

Det er en art med 7 positive ladninger (dvs. en heptavalent kation) med 13 aluminiumatomer, 24 OH enheder, 4 oxygenatomer og 12 H vand enheder._toELLER.

Ansøgninger

- I vandbehandling

PACl er et kommercielt produkt til behandling af vand og gør det drikkebart (rent og drikkeligt). Det tillader også behandling af affald og industrielt vand.

Det bruges som koagulationsmiddel i vandforbedringsprocesser. Det er mere effektivt end aluminiumsulfat. Dets ydeevne eller opførsel afhænger af den tilstedeværende art, som afhænger af pH.

Hvordan virker det

PACl muliggør koagulering af organisk materiale og mineralpartikler. Koagulering betyder, at de forbindelser, der skal elimineres, går fra at blive opløst til at være faste. Dette opnås gennem samspillet mellem dets positive ladninger og de negative af de materialer, der skal koaguleres..

Arten Al₁₃, da den har så mange positive ladninger (+7), er den den mest effektive til at neutralisere ladninger. Derefter er der dannelse af broer mellem partiklerne, som agglomererer og danner flokker.

Disse flokke, der er meget tunge, har tendens til at udfældes eller bundfældes, dvs. gå til bunden af ​​beholderen, der indeholder vandet, der behandles. På denne måde kan de fjernes ved filtrering.

Fordel

PAC er bedre end aluminiumsulfat, fordi det har bedre ydeevne ved lave temperaturer, efterlader mindre aluminiumrester, producerer mindre slamvolumen, mindre effekt på vandets pH, og der dannes hurtigere og større flokker. Alt dette letter sedimentering til senere filtrering..

-I papir- og papirmasseindustrien

PAC er især effektiv til at modificere kolloide fyldstoffer i papirfremstilling. Kolloide ladninger er ladningerne af de suspenderede faste stoffer i blandingerne til fremstilling af papirmasse..

Det gør det muligt at fremskynde dræningshastigheden (eliminering af vand) især under neutrale og alkaliske forhold og hjælper med fastholdelse af faste stoffer. De faste stoffer er dem, der senere, når de tørrer, danner papiret.

I denne applikation anvendes PAC med lave (0-17%) og mellemstore (17-50%) basaliteter.

- For at forbedre cementen

For nylig (2019) er tilsætning af PACl til Portland cement blevet testet. Det blev bestemt, at tilstedeværelsen af ​​chloridioner Cl^- og af de polymere grupper af aluminium ændrer cementens struktur. Det anslås, at der dannes komplekse salte med formlen 3CaO._toELLER₃.CaCl_to.10H_toELLER.

Resultaterne indikerer, at PACl forbedrer cementens egenskaber, mindsker antallet af mikroporer (meget små huller), og matrixen bliver mere tæt og kompakt, derfor øges modstanden mod kompression..

Effekten øges med stigende indhold af PACl. Undersøgelsen bekræfter, at ved at tilsætte PACl til Portland cement opnås en blanding med overlegne mekaniske og mikrostrukturelle egenskaber..

Referencer

1. Kim, T. et al. (2019). Undersøgelse af virkningerne af polyaluminiumchlorid på egenskaberne ved almindeligt Portland Cement. Materialer 2019, 12, 3290. Gendannet fra mdpi.com.
2. Li, Y. et al. (2019). Optimering af polyaluminiumchlorid-chitosan flokkuleringsmiddel til behandling af svinebiogasopslæmning ved anvendelse af Box-Behnken-responsoverflademetoden. Int. J. Environ. Res. Public Health 2019, 16, 996. Gendannet fra mdpi.com.
3. Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-encyklopædi for papirfremstilling af wet-end-kemi. Gendannet fra projects.ncsu.edu.
4. Tang, H. et al. (2015). Specifikations-, stabilitets- og koagulationsmekanismer for hydroxylaluminiumsklynger dannet af PACl og alun: En kritisk gennemgang. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Gendannet fra ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, J.Y. et al. (1980). Undersøgelser af hydrolyserede aluminiumchloridløsninger. 1. Naturen af ​​aluminiumarter og sammensætningen af ​​vandige opløsninger. The Journal of Physical Chemistry, bind 84, nr. 22, 1980. Hentet fra pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. et al. (2009). Højkoncentreret polyaluminiumchlorid: Fremstilling og virkning af Al-koncentrationen på distribution og transformation af Al-arter. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Gendannet fra sciencedirect.com.
7. Jia, Z. et al. (2004). Syntese af polyaluminiumchlorid med en membranreaktor: driftsparametereffekter og reaktionsveje. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Gendannet fra pubs.acs.org.
8. GEO Specialitetskemikalier. Polyaluminiumchlorid (PAC). Gendannet fra geosc.com.