CC BY
245
ГРНТИ 61.31.37
Токарева Анна Валерьевна
магистрант, Факультет химических технологий и естествознания, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: nushatokareva@yandex.ru Масакбаева Софья Руслановна
к.х.н., профессор, Факультет химических технологий и естествознания, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: sofochka184@mail.ru
ОКСИХЛОРИД АЛЮМИНИЯ - КОАГУЛЯНТ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Проведен литературный обзор способов производства оксихлорида алюминия, выделены достоинства и недостатки. Рассмотрена возможность производства коагулянта из алюминийсодержащих отходов, а также продуктов и полупродуктов местных производств. Описанные методы отличаются как сырьевой базой, так и организацией технологических схем для проведения процессов.
Ключевые слова: оксихлорид алюминия, основной хлорид алюминия, коагулянт, водоподготовка.
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы водоподготовки и водоочистки являются одними из актуальных в современном мире. Они усугубляются постоянным ростом водопотребления и повышением требований к качеству воды. И хотя разработано большое число методов очистки воды, в промышленных масштабах используются только некоторые из них. Прежде всего, это реагентные методы, основанные на использовании коагулянтов неорганической или органической природы.
Обработка воды коагулянтами - самый распространённый метод очистки больших объёмов вод от грубодисперсных и коллоидных загрязнений.
Коагуляция играет важную роль в процессах водоочистки для удаления взвешенных коллоидных частиц, которые могут снижать органолептические показатели качества питьевой воды, придавая ей неприятные вкус, цвет, запах или мутность. Под действием коагулянтов частицы дисперсной фазы объединяются в большие массы, которые затем, можно удалить осаждением, флотацией и фильтрацией.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В практике очистки питьевых и сточных вод в качестве коагулянтов обычно используют соли, содержащие многозарядные катионы, чаще всего это соли алюминия, железа или их смеси в различных пропорциях.
При введении в воду солей алюминия и железа в результате гидролиза образуются малорастворимые в водной среде гидроксиды.
А13+ + 3НОН = Л1(ОН)3| + 3Н+
г» и и
В процессе гидролиза происходит снижение агрегативнои устойчивости системы под действием электролита (введенной соли), сорбция ионов на поверхности частиц и образование в результате химической реакции нового соединения, обладающего гидрофобными свойствами. Выделение твёрдой фазы протекает в три стадии:
1) инкубационный период (образование зародышей);
2) укрупнение частиц твёрдой фазы;
3) старение твёрдой фазы (развитие и последующее оседание коагуляционных структур).
Развитие коагуляционных процессов приводит к образованию коллоидных структур. Возникновение этих структур вызвано тем, что агрегаты частиц золей гидроокисей алюминия и железа имеют неправильную форму, вследствие чего на отдельных участках их поверхности снижен термодинамический потенциал и мала концентрация потенциалопределяющих ионов. При соприкосновении этих участков происходит слипание агрегатов.
Виды и состав коагулянтов на основе солей алюминия и железа довольно обширны. Наибольшее распространение получили сернокислый алюминий и хлорное железо, а также хлориды и оксихлориды алюминия [1].
Оксихлорид алюминия обладает способностью образовывать комплексные соединения со многими органическими и неорганическими веществами в воде. Это связано с тем, что он имеет так называемую поверхностную кислотную оболочку. Это свойство обеспечивает максимально высокую эффективность очистки воды от взвешенных веществ и металлов.
Использование оксихлорида алюминия продемонстрировало ряд преимуществ, оказывающих непосредственное влияние на экономические показатели (в том числе и в сравнении с традиционно используемым сульфатом алюминия).
- эффективнее понижает мутность воды;
- обеспечивает более высокую скорость хлопьеобразования и осаждения образовавшихся хлопьев, что позволяет сократить время процесса;
- незначительно снижает рН и щелочной резерв очищаемой воды;
- обладает хорошей коагулирующей способностью даже при низких температурах;
- эффективнее снижает цветность воды, содержание тяжёлых металлов и органических веществ;
- применение оксихлорида алюминия позволяет снизить содержание остаточного алюминия в очищенной воде, избежать процесса первичного хлорирования воды и применения флокулянтов;
- расход оксихлорида алюминия (в расчёте на А12О3) на коагуляцию в среднем на 20-30 % ниже по сравнению с сульфатом алюминия [2].
Одним из поводов для перехода на использование оксихлорида алюминия является вступление в действие СанПиН 2.1.4.559-96. В данном стандарте
значительно ужесточаются требования к качеству питьевой воды, в том числе к содержанию остаточного алюминия в воде после обработки. Некоторых показателей качества невозможно достичь при использовании сульфата алюминия, поэтому в настоящее время в мире проявляется повышенный интерес к исследованию поведения оксихлорида алюминия в различных условиях [3, 4].
Быстрый рост цен на сырье, материалы, источники энергии ставят перед разработчиками вопрос о наиболее эффективном использовании отходов производства.
Кроме того, использование отходов производства в современном мире является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. Вовлечение вторичных ресурсов в хозяйственную деятельность обеспечивает значительную экономию сырья, материалов, энергетических ресурсов и характеризуется высокими показателями экономической эффективности. При переработке отходов выход и степень извлечения целевого продукта, как правило, выше, чем при использовании первичного сырья, процесс включает меньшее число стадий, сокращаются производственные площади, снижаются энергетические и трудовые затраты. Важность проблемы использования вторичных ресурсов приобретает дополнительную остроту и в связи с тем, что запасы минерального и органического сырья ограничены, добыча их смещается в труднодоступные места [1].
Большинство методов получения основного хлорида алюминия основаны на использовании в качестве исходного сырья металлического алюминия, оксидов или гидроксидов алюминия. В первом случае способы получения оксихлорида ограничены высокой стоимостью алюминия, во втором - жёсткими условиями ведения процесса, многостадийностью, применением аппаратов из специальных материалов, в связи с тем, что процесс протекает в агрессивной среде при высоком давлении и температуре. Стоимость оксихлорида алюминия, полученного данными способами, достаточно высока.
В то же время промышленность обеспечивает достаточное количество алюминий содержащих отходов, которые могут служить исходным сырьём для получения основного хлорида алюминия. При использовании отходов можно упростить технологию получения, ощутимо снизить стоимость, улучшить коагуляционные свойства.
Существуют различные методы получения оксихлорида алюминия. Наиболее распространёнными являются следующие:
- взаимодействие оксидов либо гидроксидов алюминия с соляной кислотой
Al2O3*3H2O + mHCl = (Al2(OH)6-mClm Al(OH)3 + nHCl = Al(OH)3-nCln + nH2O 2Al(OH)3 + HCl = Al(OH)5Cl + H2O
- взаимодействие металлического алюминия с соляной кислотой или с растворами хлорида алюминия;
2Al+HCl+5mO=Al2(OH)5Cl+3H2T
- нейтрализация растворов хлорида алюминия;
AlCl3 + 0,15Н20 = Al(OH)0,15Cl2,85 + 0,15HCl
- термогидролиз хлорида алюминия;
AlCl3+ HOH ^Al(OH)Cl2 + HCl Al(OH)Cl2 + HOH ^ Al(OH)2Cl + HCl.
- хлорсульфатный метод;
- электрохимический метод.
Разработкой процесса получения оксихлорида алюминия реакцией оксида или гидроксида алюминия с соляной кислотой занимаются многие мировые предприятия. Наибольшую известность имеет производственный процесс фирмы «СНАМ проджетти», запатентованный в США, Бельгии, Канаде, Франции, Румынии, СССР [5].
Процесс осуществляется реакцией оксида или гидроксида алюминия с 30-37 %-ной соляной кислотой при температуре 100-160 °С и давлении (0,1-50,0)*105 Па. Оксид алюминия берут в количестве большем, чем требуется по стехиометрии для получения А1С13.
Многие промышленные установки в мире работают по технологии фирмы «Таки кемикл». Она экспортировала свою технологию в Великобританию, Францию, Германию, Италию. Процесс осуществляется в автоклавах при температуре до 150 °С [6]. Исходными веществами служат гидроксид алюминия, обладающий хорошей реакционной способностью, и соляная кислота, которая берется в количестве, необходимом для превращения А1(ОН)3 в оксихлорид алюминия с высокой степенью основности. В России данный коагулянт на ОАО «Аурат» также получают из гидроксида алюминия в автоклавах при давлении 1,5-2 атм. и повышенной температуре [7]. Полученный данным методом оксихлорид имеет среднюю основность, для получения высокоосновного продукта раствор подвергается распылительной сушке.
Способы получения оксихлорида алюминия реакцией оксида или гидроксида алюминия с соляной кислотой в автоклавных условиях имеют свои достоинства и недостатки. Достоинством метода является простота технологической схемы. К недостаткам относят необходимость проведения процесса при высоких температурах и давлении, технические неудобства, связанные с использованием автоклавов, а также то, что процесс, как правило, не обеспечивает высокой
степени извлечения алюминия из малоактивных форм оксида алюминия, поэтому непрореагировавший остаток необходимо постоянно возвращать в процесс.
Достаточное распространение в мировой практике получила технология получения оксихлорида алюминия растворением металлического алюминия в соляной кислоте. Металлический алюминий обычно берут в виде стружек, гранул, гранулированного порошка, кусочков. В большинстве известных способов обработку металлического алюминия производят при повышенной температуре.
Способ получения оксихлорида алюминия путём растворения металлического алюминия в соляной кислоте является наиболее простым в технологическом исполнении, не требует дорогостоящего оборудования, характеризуется небольшими затратами электроэнергии. Поэтому он пользуется популярностью у российских производителей коагулянтов [8]. К недостаткам способа следует отнести большую стоимость чистого металлического алюминия, что влияет на себестоимость конечного продукта.
Так же известны методы получения оксихлорида алюминия обработкой кислых растворов хлорида алюминия веществами, обладающими основными свойствами. В результате гидролиза при растворении хлорида алюминия в воде образуются гидроксохлориды алюминия и соляная кислота [9].
К достоинствам метода нейтрализации можно отнести простоту технологического исполнения. Недостатком способа является необходимость тщательного контроля параметров течения процесса, в частности рН раствора и концентрации реагентов. Кроме того, при нейтрализационной обработке образующиеся хлориды щелочных или щелочноземельных металлов остаются в растворе оксихлорида алюминия как балласт. Это ведёт к загрязнению продукта, понижению его стабильности и уменьшению концентрации основного вещества (А12О3).
Получению высокоосновных хлоридов алюминия термогидролизом способствуют удаление HCl из зоны реакции или создание стабильных технологических условий, исключающих образование высокой концентрации в реакционной массе. Процесс можно осуществлять как в аппаратах распылительного типа, так и во вращающихся реакторах [10].
Достоинством термогидролитического способа является возможность получения продуктов высокой концентрации по короткой технологической схеме. Недостатками способа считаются значительные затраты тепла и агрессивность солянокислых сред при повышенной температуре, также возникают проблемы с утилизацией абгазного хлорида водорода. Все это делает метод термогидролиза довольно дорогим и трудноосуществимым в крупном промышленном масштабе.
Хлорсульфатный метод получения оксихлорида алюминия основан на использовании хлор-сульфата алюминия, который обрабатывается реагентами (в основном соединениями кальция или бария), позволяющими заменять сульфат-ионы на гидроксильные группы. Сульфат-ионы выводятся из процесса в виде нерастворимых осадков [11].
К достоинствам хлорсульфатного способа следует отнести возможность получения основного хлорида алюминия из различных видов сырья, в том числе и вторичных материальных ресурсов. Недостатком является образование разбавленных растворов оксихлорида, которые необходимо концентрировать для улучшения товарных качеств. Кроме этого, для осуществления способа требуется дорогостоящее сырье, образуется большое количество сульфатных отходов, в полученном продукте могут присутствовать различные примеси.
Основной хлорид алюминия может быть получен электрохимическим растворением металлического алюминия в соляной кислоте или в растворе хлорида алюминия, электролизом раствора хлорида алюминия в дифрагменнных и бездиафрагменных электролизерах и проведением электролиза с ионообменной мембраной [12].
Достоинством электрохимических методов является возможность получения очень чистых высокоосновных растворов оксихлорида алюминия. К основным недостаткам следует отнести высокий расход электроэнергии, низкую скорость процесса и необходимость использования дорогостоящих мембран.
ВЫВОДЫ
В настоящее время на территории Республики Казахстан нет действующих предприятий, производящих оксихлорид алюминия. Наша страна является индустриально развитой в разных отраслях промышленности, имеется множество заводов и предприятий, способных обеспечить сырьевую базу для производства данного коагулянта. Востребованность продукта на рынке не вызывает сомнений, так как государство стремится поддерживать качество питьевого водоснабжения и очистки сточных вод на высоком уровне, а также, всячески поощряется развитие местных производств.
В Павлодарской области в качестве сырья может быть использован гидроксид алюминия, производимый АО «Алюминий Казахстана» и соляная кислота производства АО «Каустик». Применение местного сырья, теоретически поможет обеспечить относительно невысокую стоимость готового продукта, за счёт минимальных логистических затрат. Таким образом, исследование возможности получения оксихлорида алюминия из отечественного сырья является актуальным и экономически целесообразным.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Василенко, Л. В., Никифоров, А. Ф, Лобухина, Т. В. Методы очистки промышленных сточных вод. / Л. В. Василенко, А. Ф. Никифоров, Т. В. Лобухина.
- Екатеринбург, 2009.
2 Алексеева, Л. П. Оценка эффективности применения оксихлорида алюминия по сравнению с другими коагулянтами // Водоснабжение и сан. техника. - 2003,
- № 2. - С. 11—14.
3 СанПиН 2.1.4.559-96 Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарные правила и нормы
4. Елубай, М. А., Сулейменов, М. А., Кикуева, А. Ж., Толегенов, Д. Т., Толеенова, Д. Ж., Нурмаханбетова, Д. Е. Исследование состава солей тяжелых металлов в питьевой воде // Наука и техника Казахстана. - 2019. - № 2. - С. 114-125.
5 Сыркина, И. Г. Производство основного хлорида алюминия. - М., 1988. -57 с. - (Химическая промышленность : Обзор, инф. / НИИТЕХИМ).
6 Гетманцев, С. В. Состояние производства и импорта алюмосодержащих коагулянтов в России. // Водоснабжение и сан. техника. - 2003. - № 2. - С. 5-10.
7 Гетманцев, C. B., Гетманцев, B. C. Комбинированная технология производства высокоэффективных коагулянтов. // Водоснабжение и сан. техника.
- 2001. - № 3. - С. 8-10.
8 Герасимов, Г. Н. Процессы коагуляции-флокуляции при обработке поверхностных вод. // Водоснабжение и сан. техника. - 2001. - № 3. - С. 26-31.
9 Патент № 53-100194 Япония, МПК С 01 F 7/56. Приготовление основного хлорида алюминия для обработки воды / Сасаки Хиромиш, Иакамура Маса - Ми.
- Опубл. 01.09.78. РЖ Химия. - 1979, - 14 И 365 П.
10 Патент № 61-14125 Япония, МПК С01 F 7/56. Получение основного хлорида алюминия / Уно Йосио. - 0публ.22.01.86 РЖ Химия, 1988. - ЗЛ 109П.
11 Патент № 2268750 ФРГ, МПК С 01 F 7/56. Verfahren zur Herstellung von basi-scher Aluminum verbingen / Viohl Uwe/ - Опубл. 06.06.74.
12 Патент № 57-38316 Япония, МПК С01 F 7/56. Коагулянт для обработки воды // Осака - Опубл. 14.08.82.
Материал поступил в редакцию 08.06.20.
Токарева Анна Валерьевна
магистрант, Химияльщ технологиялар жене жаратылыстану факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^
Павлодар каласы, 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: nushatokareva@yandex.ru
Масакбаева Софья Руслановна
х^.к., профессор, Химиялык технологиялар
жене жаратылыстану факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы, e-mail: sofochka184@mail.ru Материал 08.06.20 баспаFа тYстi.
Алюминий оксихлорид! ауыз сумен жабдьщтау суын дайындауга арналган коагулянт
Алюминий оксихлоридт вндiру тэсшдерше эдеби шолу жYргiзiлдi, артъщшылъщтары мен кемшiлiктерi аныцталды. Алюминий бар цалдыцтардан коагулянт, сондай-ац жергiлiктi вндiрiстiц внiмдерi мен жартылай вшмдерш вндiру мумктдш царастырылды. Сипатталган эдютер шиюзат базасымен де, процестердi жург1зу ушт технологиялыц схемаларды уйымдастырумен де ерекшеленедi.
Кiлттi свздер: алюминий оксихлоридi, алюминийдщ негiзгi хлоридi, коагулянт, су дайындау.
Tokareva Anna
undergraduate student, Faculty of Chemical Technology and Natural Science,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: nushatokareva@yandex.ru
Massakbayeva Sofya
Candidate of Chemical Sciences, Professor, Faculty of Chemical Technology and Natural Science, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: sofochka184@mail.ru Material received on 08.06.20.
Aluminum oxychloride coagulant for drinking water treatment
A literary review of the methods of aluminum oxychloride production is conducted, and the advantages and disadvantages are highlighted. The possibility of producing a coagulant from aluminum-containing waste, as well as products and intermediates of local production is considered. The described methods differ both in the raw material base and in the organization of technological schemes for carrying out processes.
Keywords: aluminum oxychloride, basic aluminum chloride, coagulant, water treatment.
