Способ получения оксихлорсульфата алюминия

 

Изобретение относится к технологии получения коагулянтов, которые используются при очистке хозяйственно-питьевых, промышленных и сточных вод. Способ заключается в том, что гидроксид алюминия обрабатывают водными растворами серной и соляной кислот в различной последовательности с последующей выдержкой полученной смеси, при этом гидроксид алюминия смешивают с серной, соляной кислотами и водой при молярном соотношении Аl(ОН)₃:H₂SO₄: НСl: H₂O= 1: (0,42-0,99): (0,36-1,56):(6-10) соответственно, при температуре 100-120^oС, полученную смесь охлаждают и выделяют оксихлорсульфат алюминия общей формулы Al₂(OH)_xCl_y(SO₄)_z • mН₂O, где х + у + 2z = 6, х/у ≤5, х = 0,01 - 3,6, у = 0,72 - 3,12, z = 0,84 - 1,98, m = 12 - 20. Предлагаемый способ позволяет эффективно реализовать универсальную, безотходную, экологически безопасную, использующую более широкую сырьевую базу технологию получения коагулянта, который может быть с большей эффективностью, чем традиционный сульфат алюминия, применяться для подготовки питьевой воды и очистки промышленных, а также сточных вод от вредных примесей. 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения коагулянтов, которые используются при очистке хозяйственно-питьевых, промышленных и сточных вод.

Известен способ получения сульфатосодержащего хлорида алюминия (патент Германии, 2107790, публ. 1975 г., С 01 F 7/56), включающий взаимодействие в водном растворе предварительно растворенного хлорида алюминия и твердого гидроксида алюминия с серной кислотой. При этом должно соблюдаться соотношение между Сl и SO₄ от 8:1 до 80:1; гидроксид алюминия должен добавляться малыми порциями к общей массе, чтобы получить заданное соединение общей формулы Al(OH)_xCl_y(SO₄)_z2, где: x+y+z=3, y+z=l-2, при z=0,02-0,3.

Синтез производится в друк-реакторе (автоклаве) при собственном давлении системы при нагревании в интервале температуре 130-200^oС с последующим отделением гидроксида алюминия.

Недостатками указанного способа являются: - высокая температура 130-200^oС и, соответственно, большое давление в реакторе (определяется упругостью паров воды над раствором при этих температурах); - высокая коррозионная активность среды при указанных температурах, что затрудняет подбор конструкционных материалов для основных аппаратов синтеза; - необходимость стадии отделения непрореагировавшего гидроксида алюминия, что усложняет технологическую схему процесса и значительно увеличивает стоимость установки.

Известен способ получения основного раствора солей алюминия (патент США 3929666, опубл. 30.12.1975, С 01 F 7/74, 7/56), включающий смешение растворов, содержащих водорастворимые сульфаты, алюминий Аl³⁺, хлор-ион Сl^- или нитрат ион NО₃ ^-, а также алюминат натрия или калия при температуре ниже 40^oС таким образом, чтобы образовался гель, с последующей его выдержкой при 50-80^oС, чтобы гель мог раствориться с получением раствора основной соли алюминия.

Указанное изобретение относится к приготовлению стабильного раствора основной соли алюминия, представляемой общей формулой: Al_m(OH)_nX_3m-n-2k(SO₄)_k, где Х-Сl или NО₃, 3m>n+2k, основность ((n/3m)•100%) - 30-70% и k/m= 0,01-0,3.

Недостатками указанного способа являются: - высокая коррозионная активность среды при указанных температурах, что затрудняет подбор конструкционных материалов для основных аппаратов синтеза; - целевой продукт (коагулянт) получается в виде водного раствора, что ограничивает условия его применения, так как он не может перевозиться и транспортироваться в условиях отрицательных температур вследствие замерзания; для получения основной соли используются относительно более дорогостоящие алюминат натрия или калия, а также их смеси;
- необходимость прохождения процесса через стадию гелеобразования; в этом случае свойства реакционной среды (свойства коллоидов) могут сильно зависеть от микропримесей, что приводит к сложности управления процессом и вызывает необходимость ужесточения требований к качеству исходного сырья.

Известен способ получения коагулянтов на основе смешанных солей алюминия (патент РФ 2095312, публ. 10.11.1997, С 01 F 7/56), принятый за прототип, включающий одновременную обработку гидроксида алюминия водными растворами серной и соляной кислот при соотношении мол. Аl(ОН)₃:Н₂SO₄:НСl:H₂О=1:1: (0,1-1,0):(5,5-6,5) при температуре 100-120^oС в течение 0,5-1,0 часа.

Недостатками способа являются
- значительные потери РСl на стадиях смешения компонентов и синтеза вследствие высокой упругости ее паров (~0,1 атм) над растворами смесей соляной и серной кислот, используемых для обработки гидроксида алюминия, что требует установки громоздкого и дорогостоящего оборудования для улавливания НСl и возвращения ее в реактор;
- заметное снижение эффективности действия коагулянта при использовании для очистки воды разного исходного состава (жесткости, цветности, мутности, рН в зависимости от региона и времени года).

Задачей заявляемого изобретения является разработка безотходного способа получения коагулянта, имеющего лучшие технологические и эксплуатационные характеристики, чем коагулянт по прототипу, с использованием доступного и относительно дешевого сырья и оборудования.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что при получении оксихлорсульфата алюминия гидроксид алюминия обрабатывают водными растворами серной и соляной кислот в различной последовательности с последующей выдержкой полученной смеси, при этом гидроксид алюминия смешивают с серной кислотой, соляной кислотой и водой при молярном соотношении Аl(ОН)₃:H₂SO₄:НСl: Н₂О= 1: (0,42-0,99):(0,36-1,56):(6-10) соответственно, при температуре 110-120^oС, полученную смесь охлаждают и выделяют оксихлорсульфат алюминия общей формулы
Al₂(OH)_xCl_y(SO₄)_z•mH₂O
где x+y+2z=6, y/z≤5, х=0,01-3,6, у=0,72-3,12, z=0,84-1,98, m=12-20.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что произведенная в различной последовательности подача серной и соляной кислот при выбранном соотношении Аl(ОН)₃: H₂SO₄:HCl:Н₂О приводит к полному взаимодействию компонентов с образованием конечного продукта - оксихлорсульфата алюминия. При этом, изменяя соотношения х, у, z, можно подобрать наиболее оптимальный состав формулы, что позволяет получать коагулянты, наиболее эффективно действующие на разнообразные водные среды при их очистке от примесей, т.е. дает возможность синтезировать спектр продуктов существенно более широкий, чем в прототипе для максимально эффективной очистки исходной воды разного состава, более точно соблюдать получение заданной формулы конечного продукта из-за практического отсутствия потерь HCl при синтезе, существенно упростить и удешевить стоимость технологической установки из-за отсутствия необходимости монтажа дорогостоящего оборудования для улавливания и возврата HCl, регулирование количества кристаллогидратной воды (m=12-30) позволяет получать твердый продукт, которому известными технологическими приемами (кристаллизация на ленточном транспортере, на кристаллизационных валках или грануляцией) придается товарный вид чешуек или гранул. При m<12 образуется липкое пластичное вещество, а при m>20 - пастообразная низковязкая масса, не дающие товарный продукт, обеспечивающий потребительским требованиям по хранению, транспортировке и дозированию.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1.

В круглодонную колбу емкостью 1 л загружают 156 г гидроксида алюминия и заливают 388,1 г 50% серной кислоты. Смесь нагревают до 110-120^oС, при перемешивании в течение 30 мин, после чего смесь охлаждают до 90^oС и добавляют 206,8 г 30% соляной кислоты при перемешивании в течение 0,05 часа. Образовавшийся оксихлорсульфат алюминия затвердевает при охлаждении в кристаллизаторе. Молярное соотношение загружаемых компонентов Аl(ОН)_0,34: Cl_1,7(SO₄)_1,98•20Н₂О.

Пример 2.

В круглодонную колбу емкостью 1 л загружают 43,68 г гидроксида алюминия и заливают 164,64 г 50% серной кислоты. Смесь нагревают до110-125^oС и перемешивании в течение 1 часа.

В другую круглодонную колбу емкостью 1 л загружают 112,32 г гидроксида алюминия и заливают при перемешивании 87,6 г 30% соляной кислоты и нагревают смесь до 100^oС.

Из первой колбы во вторую колбу добавляют сульфат алюминия и образовавшуюся смесь нагревают до 110^oС и перемешивают в течение 30 мин и добавляют 27,0 г Н₂O. Образовавшийся расплав оксихлорсульфата алюминия затвердевает при охлаждении в кристаллизаторе. Молярное соотношение компонентов Аl(ОН)₃: Н₂SO₄:НСl:Н₂О=1:0,42:0,36:6. Такой состав соответствует следующей формуле:
А1₂(ОН)_3,6Cl_0,72(SO₄)_0,84•12Н₂O.

Пример 3.

В круглодонную колбу емкостью 1 л загружают 156 г гидроксида алюминия и заливают 388,1 г 50% серной кислоты. Смесь нагревают до 110-120^oС, при перемешивании в течение 30 мин, после чего смесь охлаждают до 90^oС и добавляют 247 г 30% соляной кислоты при перемешивании в течение 0,05 часа. Образовавшийся оксихлорсульфат алюминия затвердевает при охлаждении в кристаллизаторе. Молярное соотношение загружаемых компонентов Аl(ОН)₃:H₂SO₄:HCl:Н₂О= 1:0,99:1,015:6. Полученный продукт соответствует следующей формуле:
Al₂(OH)_0,01Cl_2,0(SO₄)_1,98•12H₂O.

Пример 4.

В круглодонную колбу емкостью 1 л загружают 43,68 г гидроксида алюминия и заливают 164,64 г 50% серной кислоты. Смесь нагревают до 110-120^oС при перемешивании в течение 45 мин, после чего охлаждают до 100^oС и в колбу добавляют 37,44 г гидроксида алюминия и, при перемешивании, заливают 29,2 г 30% соляной кислоты.

В другую круглодонную колбу емкостью 1 л загружают 74,88 г гидроксида алюминия и заливают при перемешивании 350,4 г 30% соляной кислоты. Смесь нагревают до температуры 110^oС и выдерживают в течение 2 часов.

Из второй колбы в первую добавляют образовавшийся оксихлорид алюминия и полученную смесь перемешивают при температуре 100^oС в течение 3 мин. Образовавшийся расплав оксихлорсульфата алюминия затвердевает при охлаждении в кристаллизаторе. Молярное соотношение компонентов Аl(ОН)₃:H₂SO₄:HCl:Н₂O=1: 0,42:1,56:9. Такой состав соответствует следующей формуле:
Аl₂(ОН)_1,2Cl_3,12(SO₄)_0,84•18Н₂O.

Испытания по применению коагулянта для очистки воды разного исходного состава показали, что его использование позволяет получить воду, соответствующую по качеству всем требованиям, предъявляемым к воде питьевого качества. Так, при очистке водных сред, имеющих недостаточный щелочной резерв, применение коагулянта, соответствующего по составу прототипу, приводит к появлению в очищенной воде остаточного алюминия в количествах, превышающих ПДК. В то же время использование коагулянта по заявленному способу (получен в примерах 1 и 4) позволяет избежать указанного эффекта. При повышенной щелочности исходной воды, наоборот, положительные результаты достигаются при применении коагулянта по прототипу и по заявляемому способу (получен в примерах 1 и 3). Указанные отличия иллюстрируются данными, приведенными в таблице.

Предлагаемый способ позволяет эффективно реализовать универсальную безотходную, экологически безопасную, использующую более широкую сырьевую базу технологию получения коагулянта, который может быть с большей эффективностью, чем традиционный сульфат алюминия и прототип, применяться для подготовки питьевой воды и очистки промышленных, а также сточных вод от вредных примесей.

Формула изобретения

Способ получения оксихлорсульфата алюминия, включающий обработку гидроксида алюминия водными растворами серной и соляной кислот при нагревании и перемешивании с последующей выдержкой полученной смеси, отличающийся тем, что гидроксид алюминия смешивают с серной, соляной кислотами и водой при следующем молярном соотношении: Аl(ОН)₃: Н₂SO₄: НСl: Н₂О= 1: (0,42-0,99): (0,36-1,56): (6-10) соответственно, полученную смесь охлаждают и выделяют оксихлорсульфат алюминия обшей формулы:
Al₂(OH)_xCl_y(SO₄)_z•mН₂О,
где: x+y+2z= 6, х/у≤5, х= 0,01-3,6, у= 0,72-3,12, z= 0,84-1,98, m= 12-20.

РИСУНКИ

Рисунок 1