POLICLORURĂ DE ALUMINIU: STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

O clasă de produse de aluminiu anorganice solubile în apă se numește clorură de poli-aluminiu , formată prin reacția parțială a clorurii de aluminiu AlCl ₃ cu o bază. Este un solid alb până la galben. Formula sa generală este adesea exprimată ca Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . De asemenea, sunt cunoscuți sub denumirea de PAC sau de asemenea PACl (Clorură de PolyAluminum).

PAC-urile sunt formulate astfel încât conțin polimeri extrem de cationici (seturi de mai multe molecule cu multe sarcini pozitive) formate din ioni de aluminiu (Al ³⁺ ), ioni de clorură (Cl ^- ), ioni de hidroxil (OH) ^- și molecule de apă (H ₂ O).

Clorura de poli de aluminiu (PAC) este utilizată pentru a îndepărta materia organică și anorganică din apă în floculatoarele stațiilor de tratare a apelor uzate. Autor: Kubinger. Sursa: Pixabay.

Cel mai important polimer cationic al acestor specii se numește Al ₁₃ sau Keggin-Al13, care este foarte eficient în tratarea apei și în industria de fabricare a celulozei și hârtiei.

În aceste aplicații, PAC-urile aderă la suprafața particulelor determinându-le să se lege și se pot așeza, adică să cadă în fund și pot fi filtrate.

De asemenea, a fost testat cu succes pentru a îmbunătăți proprietățile cimentului Portland, deoarece își modifică sau își schimbă structura la nivel micro și acest lucru face ca cimentul să fie mai rezistent.

Structura

PAC sau PACl este alcătuit dintr-o serie de specii care variază de la monomeri (o singură moleculă), dimeri (două molecule unite între ele), oligomeri (trei până la cinci molecule unite) până la polimeri (multe molecule unite împreună).

Formula sa generală este Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . Când aceste specii conțin ioni A dizolvat în apă ³⁺ , hidroxil ionilor OH ^- , clorura de ioni Cl ^- și moleculele de apă H ₂ O.

În soluție apoasă, formula sa generală este Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} sau, de asemenea, Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

Cel mai util dintre acești polimeri este cel numit Al ₁₃ sau Keggin-Al13 a cărui formulă este AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ . Specia Al ₁₃ are o formă tridimensională.

Se estimează că precursorul acestei polcații este Al (OH) ₄ ^- , care are o conformație tetraedrică și se găsește în centrul structurii.

Nomenclatură

- policlorură de aluminiu

- PAC (clorură de aluminiu poli)

- PACl (clorură de aluminiu poli)

- Clorură de polialuminiu

- Polihidroxiclorură de aluminiu

- Clorhidrat de aluminiu sau ACH (Clorhidrat de aluminiu).

Proprietăți

Stare fizică

Solid de culoare albă până la galben (pulbere) care se obține și sub formă de soluții apoase de diferite concentrații.

Solubilitate

Solubil în apă.

Caracteristicile PAC-urilor comerciale

Diferitele PAC diferă unele de altele, în principal prin două aspecte:

- Puterea sa, exprimată ca% din alumină Al ₂ O _3.

- Bazicitatea sa, care indică cantitatea de material polimeric din PAC și poate varia între 10% (bazicitate scăzută), 50% (bazicitate medie), 70% (bazicitate ridicată) și 83% (cea mai mare bază, care corespunde clorhidratului de aluminiu sau ACH).

Proprietăți chimice

PAC este un fel de produse din aluminiu solubile în apă. Formula sa generală este adesea exprimată ca Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) .

Din moment ce acestea sunt produse prin reacția dintre clorura de aluminiu (AlCb ₃ ) , cu o bază, bazicitatea acestor tipuri de produse depinde de cantitatea relativă de OH ^- ioni , comparativ cu cantitatea de aluminiu (Al).

Conform formulei Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) , elementul de bază este definit ca m / 3n.

Este un floculant. Are proprietăți precum ușurința de adsorbție pe alte particule de sarcină opusă (aderă la suprafața acestora), coagularea (unirea mai multor particule pe care a fost adsorbită) și precipitația acestor grupuri de particule unite.

PAC-urile pot fi instabile deoarece depind de pH. Pot fi corozive.

Comportamentul PAC în apă

Prin dizolvarea PAC în apă și în funcție de pH, se formează diverse specii de aluminiu-hidroxil (Al-OH).

Hidrolizează sau reacționează cu apa pentru a forma monomeri (molecule unitare), oligomeri (3 până la 6 molecule legate) și polimeri (mai mult de 6 molecule legate).

Cea mai importantă specie este un polimer cu 13 atomi de aluminiu, care se numește Keggin-Al13.

Funcția PAC ca floculant

Polimerul Keggin-Al13 se adsorbe pe particulele prezente în apă, adică se lipește de suprafața acestora și le determină să se adauge între ele, formând flocuri.

Flocurile sunt grupuri de particule foarte mici aglutinate sau unite pentru a forma structuri mai mari care pot sedimenta, adică se duc în partea de jos a soluției apoase.

După formarea flocurilor, atunci când sunt suficient de mari, merg la partea inferioară și soluția apoasă este curată.

Rezervoare de floculare și sedimentare ale unei stații de tratare a apei în care se poate utiliza clorură de poli-aluminiu (PAC). Qualit-E la Wikipedia engleză. Sursa: Wikimedia Commons.

Obținerea

Soluțiile PAC sau PACl sunt obținute, în general, prin adăugarea unei soluții de bază sau alcaline la o soluție de clorură de aluminiu (AlCl ₃ ).

Pentru a se obține o cantitate mare de polimeri Al ₁₃ , baza sau alcalii adăugați nu trebuie să furnizeze ioni OH ^- prea repede și nici prea lent.

Unele studii indică faptul că este dificil să se producă o concentrație mare de Al ₁₃ stabilă folosind NaOH, deoarece eliberează ioni OH ^- prea repede în apă.

Din acest motiv sunt preferați compușii de bază de calciu (Ca), care au o solubilitate scăzută în apă și eliberează astfel ioni OH ^- lent. Unul dintre acești compuși de calciu de bază este oxidul de calciu CaO.

Iată care sunt etapele care se produc pentru formarea PAC.

Hidroliză

Când sărurile de aluminiu (iii) se dizolvă în apă, are loc o reacție spontană de hidroliză în care cationul Al ^{3+ de} aluminiu ia ioni de hidroxil OH ^- din apă și se leagă de ele, lăsând protonii H ⁺ liberi :

Al ³⁺ + H ₂ O → Al (OH) ²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → Al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

Acest lucru este ajutat prin adăugarea unei substanțe alcaline, adică, OH ^- ioni . Ionul de aluminiu Al ³⁺ se alătură tot mai mult OH ^- anionilor :

Al ³⁺ → Al (OH) ²⁺ → Al (OH) ₂ ⁺ → Al (OH) ₃ ⁰ → Al (OH) ₄ ^-

În plus, specii , cum ar fi Al (H ₂ O) ₆ ^{3+ sunt formate} , adică, un ion de aluminiu legat sau coordonate cu șase molecule de apă.

polimerizarea

Apoi se formează legături între aceste specii, formând dimeri (seturi de 2 molecule) și trimeri (seturi de 3 molecule) care sunt transformate în oligomeri (seturi de 3 până la 5 molecule) și polimeri (seturi de multe molecule unite).

Al (OH) ₂ ⁺ → Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ → Al ₃ (OH) ₅ ⁴⁺ → Al ₆ (OH) ₁₂ ⁶⁺ → Al ₁₃ (OH) ₃₂ ⁷⁺

Acest tip de specie se alătură OH poduri unul cu celălalt și cu Al (H ₂ O) ₆ ^3+, formând seturi de molecule care sunt numite complecși hidroxi sau policationi sau hydroxypolymers.

Formula generală a acestor polimeri cationici este Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} sau, de asemenea, Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

Importanță polimer

Cel mai util dintre acești polimeri este considerat a fi așa-numitul Al ₁₃ a cărui formulă este AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ , și este de asemenea cunoscut sub numele de Keggin-Al13.

Este o specie cu 7 sarcini pozitive (adică un cation heptavalent) cu 13 atomi de aluminiu, 24 de unități OH, 4 atomi de oxigen și 12 unități de apă H ₂ O.

Aplicații

- În tratarea apei

PACl este un produs comercial care să trateze apa și să o facă potabilă (curată și potabilă). De asemenea, permite tratarea deșeurilor și a apelor industriale.

Apa poate fi făcută potabilă dacă este tratată cu clorură de poli-aluminiu (PAC). Autor: ExplorerBob. Sursa: Pixabay.

Este utilizat ca agent de coagulare în procesele de îmbunătățire a apei. Este mai eficient decât sulfatul de aluminiu. Performanța sau comportamentul acesteia depinde de specia prezentă, care depinde de pH.

Cum functioneazã

PACl permite coagularea materialelor organice și a particulelor minerale. Coagularea înseamnă că compușii care urmează să fie eliminați merg de la a fi dizolvați la a fi solizi. Acest lucru se realizează prin interacțiunile sarcinilor sale pozitive cu cele negative ale materialelor care urmează să fie coagulate.

Se crede că speciile Al ₁₃ , având atât de multe sarcini pozitive (+7), este cea mai eficientă în neutralizarea sarcinilor. Apoi, există formarea de punți între particulele care aglomerează și formează flocuri.

Aceste flocuri, fiind foarte grele, tind să se precipite sau să se stabilească, adică să meargă pe fundul containerului care conține apa care este tratată. În acest fel pot fi îndepărtate prin filtrare.

Clorura de poli de aluminiu (PAC) este utilizată pentru a sedimenta materia organică și anorganică în stațiile de epurare a apelor uzate. Fotografia Corpului de Ingineri din Armata SUA. Sursa: Wikimedia Commons.

Avantaj

PAC este mai bun decât sulfatul de aluminiu, deoarece are o performanță mai bună la temperaturi scăzute, lasă mai puțin reziduuri de aluminiu, produce un volum mai mic de nămol, un efect mai mic asupra pH-ului apei și se formează flocuri mai rapide și mai mari. Toate acestea facilitează sedimentarea pentru filtrarea ulterioară.

Apa de piscină poate fi purificată cu clorură de poli-aluminiu (PAC). Autor: Kalhh. Sursa: Pixabay.

-În industria celulozei și a hârtiei

PAC este eficient în special în modificarea umpluturilor coloidale la fabricarea hârtiei. Încărcăturile coloidale sunt sarcinile solidelor suspendate din amestecuri pentru a produce pulpa de hârtie.

Permite accelerarea vitezei de scurgere (eliminarea apei) în special în condiții neutre și alcaline și ajută la reținerea solidelor. Solidele sunt cele care ulterior, la uscare, formează hârtia.

În această aplicație se utilizează PAC cu valori scăzute (0-17%) și mediu (17-50%).

În fabricile de celuloză și hârtie, clorura de poli-aluminiu (PAC) este utilizată pentru a ajuta procesul de sedimentare. Autor: 151390. Sursa: Pixabay.

- Pentru a îmbunătăți cimentul

Recent (2019) adăugarea PACl la cimentul Portland a fost testată. Sa determinat că prezența Cl ^- ioni de clor și de grupe de aluminiu polimerice schimba structura cimentului. Se estimează că sărurile complexe ale formulei 3CaO.Al ₂ O ₃ .CaCl ₂ .10H ₂ O sunt formate.

Cimentul de construcție poate fi îmbunătățit cu policlorură de aluminiu (PAC). Skeeze. Sursa: Wikimedia Commons.

Rezultatele indică faptul că PACl îmbunătățește proprietățile cimentului, scade numărul de micropore (găuri foarte mici) și matricea devine mai densă și compactă, prin urmare rezistența la compresiune crește.

Efectul crește odată cu creșterea conținutului de PACl. Studiul confirmă faptul că adăugarea de PACl la cimentul Portland produce un amestec cu proprietăți mecanice și microstructurale superioare.

Cu clorura de poli aluminiu, porozitatea cimentului scade și devine mai rezistentă. Blackblack111. Sursa: Wikimedia Commons.

Referințe

1. Kim, T. și colab. (2019). Cercetarea efectelor clorurii de polialuminiu asupra proprietăților cimentului portland obișnuit. Materiale 2019, 12, 3290. Recuperat de la mdpi.com.
2. Li, Y. și colab. (2019). Optimizarea floculantului de clorură de polialuminiu-chitosan pentru tratarea suspensiei de biogaz de porc utilizând metoda suprafeței de răspuns Box-Behnken. Int. J. Environ. Res. Sănătate Publică 2019, 16, 996. Recuperat de mdpi.com.
3. Hubbe, M. Clorură de polialuminiu (PAC). Mini-enciclopedie de fabricare a hârtiei Chimie umedă. Recuperat din proiecte.ncsu.edu.
4. Tang, H. și colab. (2015). Mecanismele de specificitate, stabilitate și coagulare ale grupurilor de hidroxil aluminiu formate din PACl și alum: O revizuire critică. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero, JY și colab. (1980). Studii de soluții de clorură de aluminiu hidrolizate. 1. Natura speciilor de aluminiu și compoziția soluțiilor apoase. The Journal of Physical Chemistry, vol. 84, nr. 22, 1980. Preluat din pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. și colab. (2009). Clorură de polialuminiu cu concentrație mare: Pregătirea și efectele concentrației de Al asupra distribuției și transformării speciilor de Al. Jurnalul de inginerie chimică 155 (2009) 528-533. Recuperat de la sciencedirect.com.
7. Jia, Z. și colab. (2004). Sinteza clorurii de polialuminiu cu un reactiv cu membrană: efectele parametrilor de funcționare și căile de reacție. Ind. Ing. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Recuperat din pubs.acs.org.
8. Produse chimice de specialitate GEO. Clorură de polialuminiu (PAC). Recuperat de pe geosc.com.