СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ХЛОРАЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩЕГО КОАГУЛЯНТА
METHOD OF PRODUCING SOLID ALUMINIUM CHLORIDE-CONTAINING COAGULANT

Изобретение относится к способам получения коагулянта на базе основных хлоридов алюминия. Данный коагулянт может быть использован для очистки природных и сточных вод от взвесей и растворенных органических и неорганических веществ.
Известен способ получения гидроксохлорида алюминия, заключающийся в обработке металлического алюминия хлороводородной кислотой различной концентрации (А.с. СССР, №618343, кл. С01F 7/56, опубл. 05.08.78).
Однако в этом случае получается жидкий ГОХА, который обладает повышенной коррозионной активностью за счет свободной хлороводородной кислоты, образующейся вследствие гидролиза ГОХА. Это требует применения специальной возвратной упаковочной тары, вызывает множество проблем при доставке его к месту потребления.
Для устранения этих неудобств необходимо перевести коагулянт в более удобную твердую форму.
Известен способ получения твердого ГОХА путем периодического нагрева до 70°С с последующим охлаждением до 0°С водного раствора хлорида алюминия. С течением времени при 30-40°С выделяется твердый ГОХА (Патент №49-43478, Япония, опубл. 21.11.1974).
Недостатком этого метода являются большие энергетические затраты, связанные с необходимостью как нагрева, так и охлаждения реакционной массы, что также увеличивает длительность процесса для получения конечного продукта.
Известен также способ получения твердого ГОХА путем кипячения раствора хлорида алюминия в течение 2-4 часов с последующей сушкой распылением (Патент №3904741 США, опубл. 09.09.70).
Недостатком этого метода является применение специального оборудования для сушки жидкого продукта, высокие энергетические затраты и длительное время перевода ГОХА из жидкого состояния в твердое.
Наиболее близким является способ получения твердого ГОХА путем обработки жидкого раствора гидроксохлорида алюминия сульфатами или хлоридами металлов или природным бишофитом (Патент RU №2210539, МКИ С01F 7/58, 7/00, опубл. 20.08.2003, бюл. №23).
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известных способов, относятся следующие:
во-первых, добавки различных солей увеличивают стоимость твердого продукта;
во-вторых, вся имеющаяся влага в исходном жидком гидроксохлориде алюминия (54-70%) в связанном состоянии остается в готовом продукте, что увеличивает транспортные расходы по доставке ГОХА к месту его применения;
в-третьих, при использовании сульфатов и хлоридов металлов, а также природного бишофита в качестве гелеобразующих компонентов наблюдается увеличение солесодержания в очищаемой воде, приводящее к стабилизации частиц взвеси за счет адсорбции, что требует дополнительного расхода ГОХА;
в-четвертых, уменьшается интервал дозировок, что приводит либо к стабилизации дисперсии, либо к резкому возрастанию скорости гидролиза ГОХА за счет увеличения ионной силы раствора на стадии ввода коагулянта и перемешивания. Образующиеся флоккулы из продуктов гидролиза ГОХА и дисперсной фазы очищаемой воды разрушаются, трудно оседают в отстойниках. Это приводит к уменьшению производительности фильтров. Кроме того, резко сокращается время цикла работы фильтров;
в-пятых, некоторые сульфаты и хлориды металлов и природный бишофит, введенные в ГОХА для перевода его в твердое состояние, сообщают ему гигроскопичность, что приводит к слеживаемости при длительном хранении в неблагоприятных условиях.
В предлагаемом изобретении решается важная задача разработки экономически выгодного способа получения твердого основного хлорида алюминия, применяемого в качестве коагулянта для очистки природных и сточных вод от взвесей и растворенных органических и неорганических веществ.
При реализации предлагаемого способа получения твердого основного хлорида алюминия получают следующий технический результат:
во-первых, отсутствие кристаллизационной воды в составе полученного по данному способу твердого ГОХА улучшает его технико-экономические показатели, т.к. для получения высокого качества очистки воды требуются меньшие дозы коагулянта;
во-вторых, процесс получения твердого продукта протекает при комнатной температуре, что не требует дополнительных энергетических затрат;
в-третьих, данный коагулянт дополнительно не вносит в очищаемую воду веществ, ухудшающих качество очистки (в частности, не увеличивает ее солесодержание), т.к. в отличие от прототипа не содержит в качестве гелеобразующих компонентов различных солей.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что жидкий коллоидный раствор гидроксохлорида алюминия (ГОХА) подвергают взаимодействию с ацетоном в массовом соотношении ацетон: вода в растворе ГОХА, равном 1:(0,11-0,27) соответственно при комнатной температуре.
При добавлении к ацетону коллоидного раствора ГОХА с динамической вязкость 90-180 Па·с в различных количествах наблюдается возрастание вязкости ГОХА, и при добавлении оптимальной дозы ГОХА (заявляемые соотношения) он переходит в твердое состояние.
Процесс получения твердого коагулянта протекает при комнатной температуре без затраты энергии в течение короткого времени (2-7 минут). Полученный продукт легко таблетировать, что удобно для индивидуального применения в экстремальных условиях для получения питьевой воды.
2
5
3+
-
Жидкий хлоралюминийсодержащий коагулянт получают взаимодействием алюминия с хлороводородной кислотой. В колбу емкостью 2 л, снабженную обратным холодильником, вносят 1,5 л 10% хлороводородной кислоты и порциями добавляют гранулированный алюминий до тех пор, пока динамическая вязкость раствора не станет равной 90-180 Па·с. Температура процесса растворения 70-95°С. В нашем случае для дальнейших исследований был получен жидкий коллоидный раствор ГОХА с высокой вязкостью, имеющий следующие параметры: содержание основного вещества (полимер Al(OH)Cl) 54%, что составляет 10,6% по алюминию и 5,5% по хлорид-ионам; процентное соотношение в основном продукте оказалось равным Al:Сl=1:0,519.
Способ осуществляется следующим образом.
Полученный коллоидный раствор ГОХА переводят в твердое состояние путем добавления его к ацетону при перемешивании для равномерного распределения по объему.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
ПРИМЕР 1. В этом примере обусловлено получение твердого ГОХА путем перевода его из жидкого коллоидного состояния в твердое под действием ацетона.
В стакан емкостью 200 мл вносят 100 мл (79 г) ацетона и добавляют в него различные количества ГОХА согласно табл.1. Температура смешения 20°С.
Из табл.1 видно, что на степень перевода ГОХА из жидкого состояния в твердое сильно влияет количество присутствующего в смеси ацетона.
Таблица 1
Влияние соотношения в системе ацетон: вода на образование твердого ГОХА
№ п/п
Масса раствора ГОХА (г), добавляемого к 100 мл ацетона
Масса воды(г), введенной с ГОХА
Отношение ацетон: вода, масс.ч.
Примечание
1
19,2
8,8
1:0,11
Образуется 98,6% твердого ГОХА
2
29,6
13,6
1:0,17
Образуется 95,7% твердого ГОХА
3
46,1
21,2
1:0,27
Образуется 88,7% твердого ГОХА
4
62,6
28,8
1:0,36
Система разделилась на две фазы:
54% осадка и гель
5
76,9
35,4
1:0,45
Система разделилась на две фазы: 27% осадка и сильновязкий гель, обладающий большой адгезией к стеклу и фильтрующему материалу
Неполное выделение твердого ГОХА наблюдается в тех случаях, где действие воды превалирует, т.к. в воде, как в более полярном растворителе, растворимость ГОХА высока.
При достижении соотношения ацетон: вода от 1:0,11 до 1:0,27 (опыты 1-3) выделяется твердый ГОХА, который хорошо фильтруется. В этом случае степень перехода ГОХА в твердое состояние высока.
При соотношении ацетон: вода от 1:0,36 до 1:0,45 резко уменьшается количество образуемого осадка, возрастает адгезия к стеклу и фильтрующему материалу. Это указывает на то, что концентрация воды в системе превысила концентрацию ацетона и растворимость ГОХА значительно уменьшилась, поэтому он остается в растворе, образуя сильновязкий гель. То есть при соотношении ацетон вода выше чем 1:0,27 большое количество ГОХА (50-80%) остается в растворе и выносится вместе с фильтратом. Это происходит из-за того, что ацетон испаряется быстрее воды и в данной гетерогенной системе концентрация воды возрастает, осадок ГОХА начинает растворяться и в итоге исчезает. В результате образуется ГОХА в виде сильновязкого геля.
ПРИМЕР 2. В этом примере обусловлен неизменный состав различных фракций при выделении твердого ГОХА.
С целью определения возможного изменения состава ГОХА при выделении его из раствора ацетоном был проведен химический анализ различных фракций, результаты которого представлены в табл.2.
Таблица 2
Процентное соотношение ионов Аl<sup>3+</sup>:Сl<sup>-</sup> в различных фракциях
Фракция
Содержание компонентов, масс.%
Процентное соотношение Аl<sup>3+</sup>:Сl<sup>-</sup> во фракции
Аl<sup>3+</sup>
Сl<sup>-</sup>
Исходный
10,6
5,50
1:0,519
раствор ГОХА
Твердый ГОХА, выделенный
22,1
11,50
1:0,520
ацетоном
Фильтрат
0,1
0,056
1:0,560
3+
-
Как видно из табл.2, процентное соотношение ионов Аl:Сl в жидком и твердом состояниях одинаково, т.е. обработка ацетоном не изменяет химический состав ГОХА. Анализ фильтрата показал некоторое увеличение в нем хлорид-ионов по сравнению с их исходной концентрацией и концентрацией в твердом продукте. Это может быть связано с переходом части хлороводородной кислоты из раствора ГОХА в фильтрат.
Исходя из приведенных примеров следует:
во-первых, способ получения твердых хлоралюминийсодержащих коагулянтов, заключающийся в смешении жидкого коллоидного раствора ГОХА с ацетоном, позволяет получать твердый ГОХА без кристаллизационной воды в составе, что резко снижает затраты на транспортные расходы по доставке коагулянта к месту его использования;
во-вторых, полученный продукт обладает лучшими технико-экономическими показателями, т.к. отсутствие в его составе кристаллизационной воды позволяет уменьшить дозы для получения высокого качества очистки воды;
в-третьих, по сравнению с прототипом при очистке воды солесодержание в ней не увеличивается, поскольку ацетон не диссоциирует на ионы;
в-четвертых, в отличие от прототипа из-за отсутствия в полученном продукте дополнительных неорганических солей он не обладает повышенной гигроскопичностью, что позволяет длительно хранить его в неблагоприятных условиях.