- Structuur
- Nomenclatuur
- Eigendommen
- Fysieke toestand
- Oplosbaarheid
- Kenmerken van commerciële PAC's
- Chemische eigenschappen
- Gedrag van de PAC in water
- Functie van PAC als vlokmiddel
- Het verkrijgen van
- Hydrolyse
- Polymerisatie
- Belang polymeer
- Toepassingen
- - Bij waterbehandeling
- Hoe werkt het
- Voordeel
- -In de pulp- en papierindustrie
- - Om het cement te verbeteren
- Referenties
Een klasse van in water oplosbare anorganische aluminiumproducten wordt polyaluminiumchloride genoemd , gevormd door de gedeeltelijke reactie van aluminiumchloride AlCl 3 met een basis. Het is een witte tot gele vaste stof. De algemene formule wordt vaak uitgedrukt als Al n (OH) m Cl (3n-m) . Ze zijn ook bekend als PAC of ook wel PACl (PolyAluminum Chloride).
PAC's zijn zo geformuleerd dat ze zeer kationische polymeren (sets van verschillende moleculen met veel positieve ladingen) bevatten, bestaande uit aluminiumionen (Al 3+ ), chloride-ionen (Cl - ), hydroxylionen (OH) - en watermoleculen (H 2 O).
Polyaluminiumchloride (PAC) wordt gebruikt om organische en anorganische stoffen uit water te verwijderen in flocculatoren van afvalwaterzuiveringsinstallaties. Auteur: Kubinger. Bron: Pixabay.
Het belangrijkste kationische polymeer van deze soort wordt Al 13 of Keggin-Al13 genoemd, dat zeer effectief is bij waterbehandeling en in de pulp- en papierverwerkende industrie.
Bij deze toepassingen hechten de PAC's zich aan het oppervlak van de deeltjes waardoor ze aan elkaar binden en kunnen bezinken, dat wil zeggen naar de bodem vallen en kunnen worden gefilterd.
Het is ook met succes getest om de eigenschappen van Portland-cement te verbeteren, aangezien het de structuur op microniveau wijzigt of verandert en dit het cement meer resistent maakt.
Structuur
PAC of PACl bestaat uit een reeks soorten, variërend van monomeren (een enkel molecuul), dimeren (twee moleculen met elkaar verbonden), oligomeren (drie tot vijf moleculen met elkaar verbonden) tot polymeren (veel moleculen met elkaar verbonden).
De algemene formule is Al n (OH) m Cl (3n-m) . Wanneer deze soorten bevatten de ionen A, opgelost in water 3+ , hydroxylionen OH - chloride ionen Cl - en watermoleculen H 2 O.
In waterige oplossing is de algemene formule Al x (OH) y (H 2 O) n (3x-y) + of ook Al x O z (OH) y (H 2 O) n (3x-y-2z) + .
De meest bruikbare van deze polymeren is die genaamd Al 13 of Keggin-Al13 waarvan de formule AlO 4 Al 12 (OH) 24 (H 2 O) 12 7+ is . De soort Al 13 heeft een driedimensionale vorm.
Geschat wordt dat de voorloper van dit polykation Al (OH) 4 - is , dat een tetraëdrische conformatie heeft en wordt aangetroffen in het midden van de structuur.
Nomenclatuur
- Aluminium polychloride
- PAC (Poly Aluminium Chloride)
- PACl (Poly Aluminium Chloride)
- Polyaluminiumchloride
- Aluminium polyhydroxychloride
- Aluminiumchloorhydraat of ACH (aluminiumchloorhydraat).
Eigendommen
Fysieke toestand
Witte tot gele vaste stof (poeder) die ook wordt verkregen in de vorm van waterige oplossingen met verschillende concentraties.
Oplosbaarheid
Oplosbaar in water.
Kenmerken van commerciële PAC's
De verschillende PAC's verschillen voornamelijk van elkaar door twee dingen:
- Zijn sterkte, uitgedrukt als% aluminiumoxide Al 2 O 3.
- Zijn basiciteit, die de hoeveelheid polymeer materiaal in de PAC aangeeft, en kan variëren tussen 10% (lage basiciteit), 50% (gemiddelde basiciteit), 70% (hoge basiciteit) en 83% (hoogste basiciteit, die komt overeen met aluminiumhydrochloride of ACH).
Chemische eigenschappen
PAC is een soort in water oplosbare aluminiumproducten. De algemene formule wordt vaak uitgedrukt als Al n (OH) m Cl (3n-m) .
Omdat ze worden geproduceerd door aluminiumchloride (AlCl 3 ) te laten reageren met een basis, hangt de basiciteit van dit soort producten af van de relatieve hoeveelheid OH - ionen in vergelijking met de hoeveelheid aluminium (Al).
Volgens de formule Al n (OH) m Cl (3n-m) wordt de basiciteit gedefinieerd als m / 3n.
Het is een vlokmiddel. Het heeft eigenschappen zoals gemakkelijke adsorptie aan andere deeltjes met tegengestelde lading (het hecht aan het oppervlak hiervan), coagulatie (vereniging van verschillende deeltjes waarop het is geadsorbeerd) en precipitatie van deze groepen verenigde deeltjes.
PAC's kunnen onstabiel zijn omdat ze afhankelijk zijn van de pH. Ze kunnen bijtend zijn.
Gedrag van de PAC in water
Door het PAC op te lossen in water en afhankelijk van de pH, worden verschillende aluminium-hydroxyl (Al-OH) soorten gevormd.
Het hydrolyseert of reageert met water om monomeren (unitaire moleculen), oligomeren (3 tot 6 moleculen gekoppeld) en polymeren (meer dan 6 gekoppelde moleculen) te vormen.
De belangrijkste soort is een polymeer met 13 aluminiumatomen, dat Keggin-Al13 wordt genoemd.
Functie van PAC als vlokmiddel
Het Keggin-Al13-polymeer adsorbeert aan de deeltjes die in het water aanwezig zijn, dat wil zeggen, het plakt aan het oppervlak hiervan en zorgt ervoor dat ze aan elkaar worden toegevoegd en vlokken vormen.
Vlokken zijn groepen van zeer kleine deeltjes die zijn geagglutineerd of verenigd om grotere structuren te vormen die kunnen sedimenteren, dat wil zeggen, naar de bodem van de waterige oplossing gaan.
Na het vormen van vlokken, gaan ze naar de bodem wanneer ze groot genoeg zijn en is de waterige oplossing schoon.
Flocculatie- en bezinktanks van een waterzuiveringsinstallatie waar polyaluminiumchloride (PAC) kan worden gebruikt. Qualit-E op Engelse Wikipedia. Bron: Wikimedia Commons.
Het verkrijgen van
PAC- of PACl-oplossingen worden over het algemeen verkregen door een base- of alkalische oplossing toe te voegen aan een oplossing van aluminiumchloride (AlCl 3 ).
Een grote hoeveelheid Al 13 polymeren te verkrijgen, de base of alkali toegevoegd mag geen OH ionen - te snel en niet te langzaam.
Sommige onderzoeken geven aan dat het moeilijk is om een stabiele hoge concentratie Al 13 te produceren met NaOH omdat het OH-ionen afgeeft - te snel in het water.
Om deze reden hebben basische calcium (Ca) -verbindingen de voorkeur, die een lage oplosbaarheid in water hebben en dus OH-ionen afgeven - langzaam. Een van deze basische calciumverbindingen is calciumoxide CaO.
Hier zijn de stappen die plaatsvinden voor de vorming van de PAC.
Hydrolyse
Wanneer de aluminiumzouten (iii) oplossen in water, treedt een spontane hydrolysereactie op waarbij het aluminium Al 3+ kation hydroxyl OH - ionen uit water opneemt en daaraan bindt, waardoor er vrije H + protonen overblijven :
Al 3+ + H 2 O → Al (OH) 2+ + H +
Al 3+ + 2 H 2 O → Al (OH) 2 + + 2 H +
Dit wordt geholpen door een alkali toe te voegen, dat wil zeggen OH - ionen . Het aluminiumion Al 3+ voegt zich steeds vaker OH - anionen :
Al 3+ → Al (OH) 2+ → Al (OH) 2 + → Al (OH) 3 0 → Al (OH) 4 -
Bovendien worden soorten zoals Al (H 2 O) 6 3+ gevormd , dat wil zeggen een aluminiumion gebonden of gecoördineerd met zes watermoleculen.
Polymerisatie
Vervolgens worden bindingen gevormd tussen deze soorten, waarbij dimeren (sets van 2 moleculen) en trimeren (sets van 3 moleculen) worden gevormd die worden omgezet in oligomeren (sets van 3 tot 5 moleculen) en polymeren (sets van veel samengevoegde moleculen).
Al (OH) 2 + → Al 2 (OH) 2 4+ → Al 3 (OH) 5 4+ → Al 6 (OH) 12 6+ → Al 13 (OH) 32 7+
Dit type soort wordt door OH-bruggen met elkaar en met Al (H 2 O) 6 3+ verbonden, waardoor sets van moleculen worden gevormd die hydroxycomplexen of polykationen of hydroxypolymeren worden genoemd.
De algemene formule van deze kationische polymeren is Al x (OH) y (H 2 O) n (3x-y) + of ook Al x O z (OH) y (H 2 O) n (3x-y-2z) + .
Belang polymeer
Aangenomen wordt dat de meest bruikbare van deze polymeren het zogenaamde Al 13 is, waarvan de formule AlO 4 Al 12 (OH) 24 (H 2 O) 12 7+ is , en het is ook bekend als Keggin-Al13.
Het is een soort met 7 positieve ladingen (dat wil zeggen een kation zevenwaardig) met 13 aluminiumatomen, OH 24 eenheden, 4 zuurstofatomen en water 12 H 2 O units .
Toepassingen
- Bij waterbehandeling
PACl is een commercieel product om water te behandelen en drinkbaar (schoon en drinkbaar) te maken. Het maakt ook de behandeling van afval en industrieel water mogelijk.
Het water kan drinkbaar worden gemaakt als het wordt behandeld met polyaluminiumchloride (PAC). Auteur: ExplorerBob. Bron: Pixabay.
Het wordt gebruikt als stollingsmiddel in waterverbeteringsprocessen. Het is effectiever dan aluminiumsulfaat. Zijn prestatie of gedrag hangt af van de aanwezige soort, die afhangt van de pH.
Hoe werkt het
PACl laat toe om organisch materiaal en minerale deeltjes te coaguleren. Coaguleren betekent dat de te verwijderen verbindingen van opgelost naar vast gaan. Dit wordt bereikt door de wisselwerking van zijn positieve ladingen met de negatieve van de te coaguleren materialen.
Aangenomen wordt dat de Al 13- soort , met zoveel positieve ladingen (+7), het meest effectief is in het neutraliseren van ladingen. Dan is er de vorming van bruggen tussen de deeltjes die agglomereren en vlokken vormen.
Deze vlokken, die erg zwaar zijn, hebben de neiging om neer te slaan of te bezinken, dat wil zeggen om naar de bodem van de container te gaan die het water bevat dat wordt behandeld. Op deze manier kunnen ze worden verwijderd door middel van filtratie.
Polyaluminiumchloride (PAC) wordt gebruikt om organisch en anorganisch materiaal in afvalwaterzuiveringsinstallaties te sedimenteren. Foto van het US Army Corps of Engineers. Bron: Wikimedia Commons.
Voordeel
PAC is beter dan aluminiumsulfaat omdat het betere prestaties heeft bij lage temperaturen, minder aluminiumresten achterlaat, minder slibvolume produceert, minder effect heeft op de pH van het water en sneller en grotere vlokken worden gevormd. Dit alles vergemakkelijkt sedimentatie voor daaropvolgende filtratie.
Zwembadwater kan worden gezuiverd met polyaluminiumchloride (PAC). Auteur: Kalhh. Bron: Pixabay.
-In de pulp- en papierindustrie
PAC is vooral effectief bij het modificeren van colloïdale vulstoffen bij het maken van papier. Colloïdale ladingen zijn de ladingen van de gesuspendeerde vaste stoffen in mengsels om papierpulp te maken.
Het maakt het mogelijk om de snelheid van de afvoer (verwijdering van water) te versnellen, vooral in neutrale en alkalische omstandigheden, en helpt bij het vasthouden van vaste stoffen. De vaste stoffen zijn die stoffen die later, bij het drogen, het papier vormen.
In deze toepassing worden PAC met lage (0-17%) en gemiddelde (17-50%) basiciteiten gebruikt.
In pulp- en papierfabrieken wordt polyaluminiumchloride (PAC) gebruikt om te helpen bij het sedimentatieproces. Auteur: 151390. Bron: Pixabay.
- Om het cement te verbeteren
Onlangs (2019) is het toevoegen van PACl aan portlandcement getest. Er werd vastgesteld dat de aanwezigheid van Cl - chloride-ionen en van polymere aluminiumgroepen de structuur van het cement verandert. Geschat wordt dat complexe zouten met formule 3CaO.Al 2 O 3 .CaCl 2 .10H 2 O gevormd.
Bouwcement kan worden versterkt met polyaluminiumchloride (PAC). Skeeze. Bron: Wikimedia Commons.
De resultaten geven aan dat PACl de eigenschappen van het cement verbetert, het aantal microporiën (zeer kleine gaatjes) verlaagt en de matrix dichter en compacter wordt, waardoor de weerstand tegen compressie toeneemt.
Het effect neemt toe naarmate het gehalte aan PACl toeneemt. De studie bevestigt dat het toevoegen van PACl aan portlandcement een mengsel oplevert met superieure mechanische en microstructurele eigenschappen.
Bij polyaluminiumchloride neemt de porositeit van het cement af en wordt het resistenter. Zwartzwart111. Bron: Wikimedia Commons.
Referenties
- Kim, T. et al. (2019). Onderzoek naar de effecten van polyaluminiumchloride op de eigenschappen van gewoon portlandcement. Materials 2019, 12, 3290. Hersteld van mdpi.com.
- Li, Y. et al. (2019). Optimalisatie van polyaluminiumchloride-chitosan-flocculant voor de behandeling van biogasmest van varkens met behulp van de Box-Behnken Response Surface-methode. Int J. Environ. Res. Public Health 2019, 16, 996. Hersteld van mdpi.com.
- Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Hersteld van projects.ncsu.edu.
- Tang, H. et al. (2015). Speciatie-, stabiliteits- en coagulatiemechanismen van hydroxylaluminiumclusters gevormd door PACl en aluin: een kritische beoordeling. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
- Bottero, JY et al. (1980). Studies van gehydroliseerde aluminiumchloride-oplossingen. 1. Aard van aluminiumsoorten en samenstelling van waterige oplossingen. The Journal of Physical Chemistry, deel 84, nr. 22, 1980. Opgehaald van pubs.acs.org.
- Zhao, H.-Z. et al. (2009). Hoge concentratie polyaluminiumchloride: bereiding en effecten van de Al-concentratie op de distributie en transformatie van Al-soorten. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Opgehaald van sciencedirect.com.
- Jia, Z. et al. (2004). Synthese van polyaluminiumchloride met een membraanreactor: operationele parametereffecten en reactiepaden. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Opgehaald van pubs.acs.org.
- GEO Specialty Chemicals. Polyaluminiumchloride (PAC). Opgehaald van geosc.com.