способ получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта

Формула изобретения

Способ получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта из жидкого путем превращения его в твердое состояние, заключающийся во взаимодействии раствора гидроксихлорида алюминия с сульфатами, хлоридами металлов или природным бишофитом, отличающийся тем, что раствор гидроксихлорида алюминия берут с мольным отношением А1³⁺: С1^-, равным 1: (0,4-0,6), и взаимодействие раствора гидроксихлорида алюминия с сульфатами, хлоридами металлов или природным бишофитом ведут при изменении рН от 4 до 6 и температуры от 20 до 80^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения основных хлоридов алюминия, которые могут быть использованы для очистки сточных и природных вод от взвесей и растворенных органических и неорганических веществ.

Известен способ получения гидроксихлорида алюминия путем обработки металлического алюминия соляной кислотой различной концентрации /а.с. СССР, 618343, кл. С 01 F 7/56, опублик. 05.08.78/.

Однако в этом случае получается жидкий гидроксихлорид алюминия (ГОХА), который обладает повышенной коррозионной активностью за счет свободной соляной кислоты, образующейся вследствие гидролиза ГОХА в воде. Это требует применения специальной упаковочной тары, вызывает множество проблем при доставке его к месту потребления.

Для устранения этих недостатков необходимо перевести ГОХА в более удобную твердую форму.

Известен способ получения твердого ГОХА путем периодического нагревания и охлаждения водного раствора трихлорида алюминия. При охлаждении раствора до 70^oС отделяют избыток средней соли, а при 0^oС образуются затравочные кристаллы, на которых далее при 30-40^oС выделяется твердый полигидроксохлорид алюминия. Затем процесс повторяют /Пат. 49-43478 Япония, опублик. 21.11.74/.

Недостатком этого метода является большой температурный интервал проведения процесса, при этом необходим как нагрев, так и охлаждение реакционной массы, что связано с большими энергетическими затратами. Кроме того, резко возрастает время получения твердого продукта.

Известен также способ получения твердого ГОХА путем кипячения растворов трихлорида алюминия в течение 2-4 ч с последующей сушкой распылением.

Недостатком этого метода является применение специального оборудования для сушки жидкого продукта, высокие энергетические затраты и длительное время получения твердого продукта /Пат. 3904741, США, опублик. 09.09.79/.

Известен способ получения твердого ГОХА путем добавления в жидкий ГОХА при комнатной температуре хлоридов, сульфатов металлов в массовом соотношении 1: (0,01-0,70), или природного бишофита в массовом соотношении 1: (0,01-0,70) соответственно /Пат. РФ 2122973 кл. 6 С 01 F 7/00, 7/56, опублик. 10.12.98/.

Недостатками этого метода является:

во-первых, для проведения процесса перевода ГОХА из жидкого состояния в твердое за нужное время, определенное регламентом по времени смешения и расфасовки, необходимо для каждой партии коагулянта подбирать оптимальную концентрацию вводимого электролита, что приводит к нерациональному его использованию;

во-вторых, при регулировании времени перехода ГОХА из жидкого в твердое состояние возможен не только перерасход соли, но и ухудшение процесса очистки воды из-за возможной стабилизации дисперсной фазы избытком электролита;

в-третьих, величина характеристической вязкости ГОХА не определяет в полной мере способность перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое.

В предлагаемом изобретении решается важная задача разработки экономически выгодного способа получения твердых хлоралюминийсодержащих коагулянтов под действием хлоридов, сульфатов металлов или природного бишофита для получения питьевой воды из природных загрязненных вод.

При реализации предлагаемого способа получения твердых хлоралюминийсодержащих коагулянтов получают следующий технический результат:

во-первых, уменьшается расход вводимого электролита за счет получения исходного ГОХА с параметрами, позволяющими заранее знать время перевода его из жидкого состояния в твердое;

во-вторых, получают коагулянт с постоянным соотношением ГОХА-электролит, что упрощает процесс выбора дозы коагулянта при очистки воды;

в-третьих, регулируется время перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое на стадии смешения исходных реагентов и расфасовке в упаковочную тару;

в-четвертых, уменьшается время получения исходного ГОХА, способного переходить под действием электролитов в твердое состояние, за счет увеличения относительного содержания Аl³⁺ к Сl^- (мольн.).

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта из жидкого путем превращения его в твердое состояние, заключающемся во взаимодействии раствора гидроксихлорида алюминия с сульфатами, хлоридами или природным бишофитом, причем раствор гидроксихлорида алюминия берут с мольным отношением Al³⁺: Сl^-, равным 1:(0,4-0,6), и взаимодействие раствора гидроксихлорида алюминия с сульфатами, хлоридами металлов или природным бишофитом ведут при изменении рН от 4 до 6 и температуры от 20 до 80^oС.

При добавлении к раствору соляной кислоты металлического алюминия по мере расходования соляной кислоты наблюдается процесс гидролиза основных хлоридов алюминия вплоть до образования Al(OH)³, при этом отношение Аl³⁺:Сl^- сильно влияет на переход ГОХА из жидкого состояния в твердое из-за увеличения доли Аl(ОН)₃, дающего псевдодисперсные системы, способные структурироваться под действием хлоридов, сульфатов металлов или природного бишофита, при этом, чем больше концентрация гидроксида алюминия, тем меньше время перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое.

Тот же эффект можно достичь путем изменения рН среды ГОХА путем добавления кислоты или щелочи. Это объясняется тем, что с уменьшением рН содержание гидроксида алюминия уменьшается, при увеличении рН увеличивается. При уменьшении рН возрастает время перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое под действием электролитов. Таким образом изменением рН можно регулировать этот важный технологический параметр.

К аналогичному эффекту приводит и изменение температуры. При повышении температуры от 20 до 80^oC время перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое под действием сульфатов, хлоридов металлов или природного бишофита резко уменьшается, что позволяет уменьшить расход последних с достижением того же эффекта.

Эффект улучшения технико-экономических показателей способа получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта под действием сульфатов, хлоридов металлов или природного бишофита происходит за счет того, что исходный ГОХА получают с определенным соотношением алюминия и хлора или изменением рН среды, или изменением температуры смешения ингредиентов.

Многообразие указанных выше приемов управления способом получения твердого ГОХА путем добавления к нему солей различных металлов, а также природного бишофита благоприятствует проведению процесса на стадии перевода ГОХА в твердое состояние. Кроме того, для проведения процесса перевода в твердое состояние ГОХА возможно использовать различные факторы, что значительно повышает эффективность производства на стадии переработки коагулянта в твердый продукт. Кроме того, используя прием изменения температуры, для регулирования времени перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое можно избежать необходимости снижать температуру перед выгрузкой полученного ГОХА и сразу же вводить требуемое количество соли или природного бишофита, управлять таким образом процессом структурирования.

Простота управления этим процессом позволяет нормировать различные партии ГОХА для получения твердого ГОХА с заданными свойствами при заданном времени перехода коагулянта из жидкого состояния в твердое.

Очищенная вода при использовании коагулянта, полученного предлагаемым способом, соответствует ПДК по ГОСТ 2874-82 на питьевую воду.

Способ осуществляется следующим образом.

Жидкий хлоралюминийсодержащий коагулянт с определенным соотношением Аl³⁺: Сl^- (мольн.) получают путем растворения металлического алюминия в соляной кислоте. В колбу емкостью 2 л вносят 1,5 л 10%-ной соляной кислоты и порциями добавляют гранулированный алюминий в количестве, указанном в табл. 1. В зависимости от времени реакции и количества добавленного алюминия получается продукт с нужным соотношением Аl³⁺:Сl^-(мольн.).

Как видно из табл.1, при уменьшении содержания хлор-ионов в коагулянте время получения коагулянта возрастает, что в производстве не желательно. При высоком же содержании хлор-ионов полученный ГОХА не переходит в твердое состояние. Таким образом, существует оптимальный интервал мольного соотношения Аl³⁺:Сl^-, равный 1:(0,4-0,6).

Пример 1. К раствору соляной кислоты добавляют металлический алюминий и ведут процесс до тех пор, пока полученная реакционная масса не будет иметь состав, при котором соотношение Аl³⁺: Сl^- (мольн. ) не станет равным 1: (0,6-0,4), затем добавляют хлориды, сульфаты металлов или природный бишофит для получения твердого коагулянта.

В этом примере обусловлено получение ГОХА с различным соотношением Аl³⁺: Сl^- (мольн. ) для перевода его из жидкого состояние в твердое под действием электролитов за различное время (табл.2). В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого ГОХА и добавляют 0,4 г хлористого натрия, сульфата алюминия или природного бишофита, после чего при перемешивании определяют время перехода композиции из жидкого состояния в твердое.

Как видно из табл. 2, для всех электролитов при соотношении Аl³⁺: Сl^-(мольн. ), равном 1:0,7, ГОХА не переходит в твердое состояние из-за небольшой степени образования Аl(ОН)₃. При соотношении Аl³⁺:Сl^- (мольн.), равном 1: 0,35, процесс структурирования протекает очень быстро, что неприемлемо из-за образования твердого продукта в аппарате смешения, так как может привести к затруднениям в расфасовке и к поломке оборудования.

При соотношении Аl³⁺:Сl^-(мольн.), равном 1: 0,6, время перехода из жидкого в твердое состояние составляет 1080 мин. Для уменьшения времени перехода можно осуществить повышение рН среды и температуры.

Пример 2. В этом примере приводятся результаты эксперимента по влиянию рН ГОХА на время перехода его из жидкого состояния в твердое. В качестве объекта был выбран ГОХА с содержанием Аl³⁺:Сl^- (мольн.), равном 1:0,5. Изменение рН проводят путем добавления соляной кислоты или щелочи до заданного значения рН, при котором время перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое является оптимальным. Как видно из табл.3, рН очень сильно влияет на время перехода в твердое состояние.

При рН, равном 3,5, практически во всех случаях жидкий ГОХА не переходит в твердое состояние. При рН более 7 в результате гидролиза в осадок выпадает Аl(ОН)₃ и теряет коагуляционные свойства.

Пример 3. В этом примере обусловлено влияние температуры смешения ГОХА и хлоридов, сульфатов металлов или природного бишофита на время перехода из жидкого состояния в твердое. В стакан емкостью 100 мл вносили 20 мл ГОХА с соотношением Al³⁺: Сl^- (мольн.), равным 1:0,50, и рН 4,5, и перед смешением ингредиенты нагревали до температур, указанных в табл.4.

Для обоснования влияния изменения рН среды и температуры на время перехода хлоралюминийсодержащего коагулянта из жидкого состояния в твердое приводим следующие примеры.

Пример 4. В стакан емкостью 200 мл вносят 20 г жидкого ГОХА с содержанием Аl³⁺: Сl^- (мольн. ), равным 1:0,6, добавляют 0,4 г NaCl и изменяют рН среды от 4 до 6 путем добавления соляной кислоты. Перед смешением изменяют температуру процесса от 20 до 80^oС. Время перехода при этом составляет 40 мин.

Пример 5. В стакан емкостью 200 мл вносят 20 г жидкого ГОХА с содержанием Al³⁺: Сl^- (мольн. ), равном 1:0,6, добавляют 0,4 г Аl₂(SO₄)₃18Н₂O и изменяют рН среды от 4 до 6 путем добавления соляной кислоты. Перед смешением изменяют температуру процесса от 20 до 80^oС. Время перехода при этом составляет 80 мин.

Пример 6. В стакан емкостью 200 мл вносят 20 г жидкого ГОХА с содержанием Al³⁺:Сl^- (мольн.), равным 1:0,6, добавляют 0,4 г природного бишофита и изменяют рН среды от 4 до 6 путем добавления соляной кислоты. Перед смешением изменяют температуру процесса от 20 до 80^oС. Время перехода при этом составляет 35 мин.

Выбор температуры смешения 20-80^oС является оптимальным для перевода коагулянта из жидкого состояния в твердое.

Этот способ регулирования времени перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое позволяет экономить соли и природный бишофит и, что особенно важно, сократить время получения исходного коагулянта за счет использования для получения твердого коагулянта ГОХА с большим мольным соотношением Al³⁺:Сl^-.

Исходя из приведенных примеров, следует:

во-первых, что способ получения твердых хлоралюминийсодержащих коагулянтов, заключающийся в смешении жидкого ГОХА с хлоридами, сульфатами металлов или природным бишофитом, позволяет регулировать время перехода ГОХА из жидкого состояния в твердое, что способствует управлению процессом смешения ингредиентов и позволяет производить расфасовку в оптимальном режиме;

во-вторых, предложенные способы регулирования времени перехода позволяют экономить соли и природный бишофит;

в-третьих, небольшое содержание вводимого электролита в ГОХА позволяет дозировать коагулянт при очистке воды в широком интервале его концентраций.