用形穩陽極電解製備聚合氯化鋁的方法
2023-06-05 03:13:11 1
專利名稱：：用形穩陽極電解製備聚合氯化鋁的方法
技術領域：
：本發明提供了一種水處理用絮凝劑的製備方法，具體是一種具有高總鋁濃度、Al13含量和有效氯含量的聚合氯化鋁的製備方法。
背景技術：
：絮凝是水處理工藝的重要環節。隨著工業發展和環境、水體汙染的日趨嚴重，強化常規淨水工藝的深度處理、實現高效絮凝己成為現代水處理技術中重要研究與應用課題。無機高分子絮凝劑是當今水處領理
技術領域：
中使用量大而面廣的專用化學藥劑。與傳統絮凝劑，如硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵等相比，它能顯著提高淨水效能，且具有用量省、沉降性能好、適應面廣等優點。其中，聚合氯化鋁(PolyaluminumChloride，PAC)是當今工業生產技術最成熟，效能最高，應用也為最為廣泛的無機高分子絮凝劑品種。PAC實際是在人工控制條件下，鋁離子的水解-聚合-沉澱過程的動力學中間產物。科學研究及應用實踐表明，聚十三鋁(化學式為Al13O4(OH)247+，Al13)是最佳凝聚絮凝形態，其含量的多少可以反映製品的絮凝效能，因而高含量Al13聚合形態往往是PAC絮凝劑生產的主要追求目標。文獻表明，Al13形態的單個分子粒度僅為2.5nm，這種納米級的Al13形態越來越受到人們的重視。目前通過何種製備方法來獲得高純度的納米Al13聚合物，已成為當前國內外納米級PAC研製的熱點，並且Al13聚合物也是當前國內外眾多其它領域研究開發的前沿，如在催化、化妝品、地球化學、土壤化學和材料科學等領域。然而，要滿足工業化生產僅僅具有高的Al13含量是不夠的，還應同時具有較高的總鋁濃度才有可行性。聚合氯化鋁絮凝劑的研製開發和生產應用始於60年代後期的日本，此後中國、日本、歐洲、前蘇聯、美國等國的研究者對其合成方法和工藝進行了大量的研究工作。我國在七十年代開始研製和生產PAC，發展了多種原料和工藝製造方法，基本上是結合中國的條件，建立起獨具特色的工藝路線和生產體系，這一傳統一直延續至今。目前，PAC主要採用化學工藝生產。除少數廠家採用金屬鋁屑或氫氧化鋁凝膠酸壓溶-噴霧乾燥生產工藝生產製備精製PAC絮凝劑外，大多數都是酸溶鋁土礦、鋁酸鈣粉調整-滾筒乾燥法生產製備所謂「高鹼度」的粗製PAC絮凝劑。由於鋁酸鈣粉價廉，故生產成本低，但產品質量不高，部分粗製品中含有對人體有害的重金屬雜質，難以保障飲用水安全。隨著對PAC應用基礎理論研究的重視和發展，一些向現代化生產規模和國際產品質量過渡的生產廠家開始出現，它們以氫氧化鋁和鹽酸為原料，控制適當的溫度和壓力並採用噴霧乾燥技術生產出較好品質PAC。以化學工藝生產的PAC具有較高的總鋁濃度，但Al13含量低於30％。近幾年又出現了電化學法(電滲析法和電解法)和膜法生產PAC的方法。膜法是利用壓力差、濃度差等作用下，將膜一側的鹼液加入到另一側的三氯化鋁溶液中進行反應，製得PAC。電滲析法是在外加電場作用下，由兩層膜將電解槽隔成三個室，分別為陽極室、反應室和陰極室，離子發生電遷移穿過相應的離子膜，在反應室中，三氯化鋁與遷移來的氫氧根離子發生聚合反應生成PAC。膜法可使Al13含量提高到80％以上，但總鋁濃度低於0.5mol/L。電滲析法可製備出總鋁濃度0.1～1.0mol/L的PAC，但Al13含量不高於60％。膜法和電滲析法都存在著容易發生膜汙染這一棘手難題。電解法可製得較高品質的PAC，Al13含量可達到60～80％，總鋁濃度為0.1～1.0mol/L的液體產品。其製備原理是在直流電作用下，陽極鋁板溶解，陰極不鏽鋼板發生析氫反應以此緩慢向三氯化鋁電解液加鹼，電解液通過循環泵不斷循環，鋁離子和氫氧根離子發生聚合生成PAC。電解法製備PAC是一種很有前景的方法，然而電解製備過程中，陽極鋁板溶解導致鋁材的消耗致使該法的生產成本相對較高，因此還不能滿足大規模生產的需要。
發明內容本發明的目的克服以鋁板為陽極製備PAC時成本較高的缺點，又保證製備出具有高鋁濃度和Al13含量的PAC，滿足工業化生產應用的需求。本發明的技術方案在一電化學反應器內，陽極採用形穩陽極(DimentionallyStableAnode，DSA)，鈦作陰極，電極採用單極並聯方式，每組電極的極間距為10～90mm，控制陽極電位為1.3～2.0V，電流密度為0.2～3.0A/dm2，依據達到預製聚合氯化鋁的鹼化度時所需的電量確定電解時間，以三氯化鋁為電解液，電解液溫度為15～60℃，通過循環泵循環電解液，通直流電，陰極進行析氫反應產生的氫氧根離子與電解液中三價鋁離子發生聚合生成PAC，陽極析氯而造成氯離子的消耗來促使優質PAC的生成。原理如下陽極主反應陰極主反應總化學反應陰極反應產生的氫氧根離子與電解液中的三價鋁離子發生聚合，這是一個鋁離子的強化水解-聚合-沉澱過程，控制電解時間使鋁形態停留在Al13形態。陽極產生氯氣也會對這一過程產生影響，在電解液中的氯離子和氫氧根離子都會與三價鋁離子發生配位反應，由於氯離子的消耗，氫氧根離子與三價鋁離子的聚合會得到促進。此外陰極產生得氯氣還會部分溶解與電解液中，使PAC絮凝劑中還含有有效氯成分。當然陽極還可能發生副反應，這對PAC的合成使有害的，然而採用DSA電極並在酸性較強的氯化物溶液中，這一反應發生程度有限，對製備過程影響不大。電解結束後，將電解液陳化24小時左右便可得到清澈透明的優質PAC，鹼化度為2.0～2.5，有效絮凝成分Al13含量達到60％～90％，總鋁濃度達到0.1～1.5mol/L，有效氯含量為500～2000ppm。本發明的特點1、採用DSA陽極，鈦作陰極，兩種電極材料耐蝕性好，機械強度高，價廉易得，易於規模化工業生產。2、製備PAC的設備簡單緊湊，可直接用於水處理過程現場生產和投加，省略了絮凝劑的儲存、運輸和溶解過程，節約了大量的生產費用。3、如進行現場生產和投加，電解過程中產生的氯氣可用於水處理過程中的消毒步驟，從而節省了水處理費用。4、製備的PAC品質優良，同時具有較高的Al13含量和總鋁濃度，無有害雜質，溶液中溶解的氯氣還具有殺菌消毒及氧化的功能。5、方法操作簡單，製備過程易於控制，僅須少量參數就可以有效控制PAC的合成，進而保證了產品的穩定性。6、製備工藝流程簡單，工藝條件要求低，常溫常壓下就可進行生產製備。7、採用網狀電極，有利於氣體的析出和電解液的傳質交換。8、通過控制陽極電位以提高電流效率，方法簡單方便。9、採取單極並聯聯接方式，提高了PAC的時空產率。附圖為用形穩陽極電解製備聚合氯化鋁的方法的製備裝置示意圖。其中1為直流電源，2為溫度計，3為溢流槽，4為電解槽，5為伏特表，6為鈦網陰極，7為DSA陽極，8為甘汞參比電極，9為三氯化鋁電解液，10為循環泵。具體實施例方式操作過程製備裝置如圖所示，依據預製PAC的濃度與鹼化度的大小，配製一定濃度的三氯化鋁溶液加入電解槽4內，檢查電路，打開循環泵10，隨後打開電源1，在伏特表5處讀取陽極7對參比電極8的電位值，使陽極電位在1.3～2.0之間，在溫度計2處讀取電解液溫度，完成電解時，切斷電源1，關閉循環泵10，取出製得PAC。實施例實施例1如附圖所示，在容積為1L的有機玻璃電解槽中，加入0.5mol/L的三氯化鋁電解液0.8L，在下述條件下實施電解製備。陽極釕鈦網，有效電極面積為5.4dm2(60mm×90mm)陰極鈦網，有效電極面積為5.4dm2(60mm×90mm)電源直流穩壓穩流電源電壓4.0～5.0V溫度15～40℃極間距15mm電流密度1.0A/dm2電解時間8小時電極聯接方式4組電極單極並聯電解結束後對產品進行分析，主要指標如下總鋁濃度0.56mol/LAl13含量85.2％有效氯含量1720ppm鹼化度2.32pH4.56實施例2如附圖所示，在容積為1L的有機玻璃電解槽中，加入0.80mol/L的三氯化鋁電解液0.8L，在下述條件下實施電解製備。陽極釕鈦網，有效電極面積為5.4dm2(60mm×90mm)陰極鈦網，有效電極面積為5.4dm2(60mm×90mm)電源直流穩壓穩流電源電壓3.5～4.5V溫度15～45℃極間距10mm電流密度1.2A/dm2電解時間15小時電極聯接方式4組電極單極並聯電解結束後對產品進行分析，主要指標如下總鋁濃度1.06mol/LAl13含量86.2％有效氯含量1510ppm鹼化度2.19pH4.17實施例3如附圖所示，在容積為1L的有機玻璃電解槽中，加入1.0mol/L的三氯化鋁電解液0.8L，在下述條件下實施電解製備。陽極釕鈦網，有效電極面積為5.4dm2(60mm×90mm)陰極鈦網，有效電極面積為5.4dm2(60mm×90mm)電源直流穩壓穩流電源電壓3.0～4.0V溫度15～45℃極間距15mm電流密度1.5A/dm2電解時間20小時電極聯接方式4組電極單極並聯電解結束後對產品進行分析，主要指標如下總鋁濃度1.27mol/LAl13含量72.3％有效氯含量1100ppm鹼化度1.84pH3.90權利要求1.一種聚合氯化鋁的電解製備方法，其特徵在於以三氯化鋁為電解液，陽極採用形穩陽極，陰極為鈦，電極採用單極並聯方式交替布置，極間距為10mm～90mm，控制陽極電位在1.3～2.0V，使電流密度達到0.2～3.0A/dm2，通以一段時間直流電，循環電解液，即可製得聚合氯化鋁。2.按照權利1要求的製備方法，其特徵在於陽極析出氯氣，陰極析出氫氣，通過調節電流密度，控制電化學加鹼速度，促進電解液中鋁的水解聚合，從而製得聚合氯化鋁。3.按照權利1要求的方法製備的聚合氯化鋁水溶液，其特徵是鹼化度為2.0～2.5，有效絮凝成分Al13含量達到60％～90％，總鋁濃度達到0.1～1.5mol/L，有效氯含量為500～2000ppm。全文摘要本發明公開了一種用形穩陽極電解製備優質聚合氯化鋁的方法，屬於水處理應用領域。該方法是以三氯化鋁為電解液，陽極採用形穩陽極，以鈦為陰極，通以一定時間一定大小的直流電，不斷循環電解液，即可製得聚合氯化鋁的溶液。所制聚合氯化鋁中的有效絮凝成分聚十三鋁含量可達到60％～90％，總鋁濃度達到0.1～1.5mol/L，鹼化度為2.0～2.5，有效氯含量為500～2000ppm。文檔編號C25B1/26GK1629359SQ200310121380公開日2005年6月22日申請日期2003年12月16日優先權日2003年12月16日發明者曲久輝,胡承志,劉會娟,雷鵬舉申請人:中國科學院生態環境研究中心