摘要：本文對以鋁灰為原料，采用酸溶一步法生產凈水劑聚合氯化鋁的工藝進行了研究。其產品質量指標達到了企業標準，具有工藝簡單、流程短、成本低、無二次污染的特點。
聚合氯化鋁是一種無機高分子絮凝劑，其化學通式為[Al2(OH)nCl6-n]m（1≤n≤5，m≤10），它具有混凝能力強、用量少、凈水效能高、適應力強的特點，能除去水中的鐵、氟、放射性污染物、重金屬、泥砂、油脂、木質素等；也可以除去印染廢水中的疏水性染料，對媒染料可做媒染劑；也能用于油井防砂、鑄造交替硬化制殼的固化劑；肥皂廢液的甘油回收；乳液破乳再生；制革、醫藥、石油、造紙、化妝品等工業用水和廢水處理。
聚合氯化鋁的生產方法按原料的不同可分為：金屬鋁直接溶解法；以結晶氯化鋁為原料、以三氯化鋁為原料、以硫酸鋁為原料、以粘上礦為原料等制法。此外，還有以鋁灰、煤矸石和粉煤灰等為原料制備聚合氯化鋁的方法。其中以鋁灰為原料制造聚合氯化鋁的方法，其原料來源廣、廉價、經濟效益高，具有很大實用價值。這種方法本身又包括酸溶一步法、堿溶法、中和法。其中堿溶法和中和法制得的聚合氯化鋁含量較低，堿化度也不高，而且堿的腐蝕性強，來源短缺。酸溶一步法則與之相反，堿化度越高，原材料消耗較少，產品氯離子含量也越少，而且具有設備簡單，原材料消耗少，成本低等優點。
我國對于聚合氯化鋁的研究早在70年代就已開始，由于受到鋁資源的限制而不能滿足生產的需要。因此，以鋁灰為主要原料，采用酸溶一步法開展生產聚合氯化鋁的工藝研究。
1、用鋁灰制備聚合氯化鋁的基本原理
聚合氯化鋁是一種無機高分子的多價聚合電解質混凝劑，可視為介于三氯化鋁和氫氧化鋁之間的一種水解產物。鋁的配位水發生水解生成鋁的配合物，通過羥基架橋后成為多核配合物，核大量增加成為無機高分子聚合體。
利用鋁灰制取聚合氯化鋁，主要是利用鋁灰中Al2O3，它與HCl反應生成AlCl3。其全部反應包括溶出反應、水解反應、聚合反應三個過程。由于鋁的溶出，pH值升高，鋁鹽發生水解而產生HCl，使pH值下降，這又促使鋁的溶出反應繼續進行，pH值隨之升高，使相鄰兩個羥基間發生架橋聚合作用，由于這種作用減少了水解產物的濃度，從而使水解反應繼續進行。其水解反應生成的聚合體[Al2(OH)n(H2O)γ]m(6-n)+與作為外配體的Cl-結合，即形成聚合氯化鋁。
2、用鋁灰制備聚合氯化鋁的工藝流程
以鋁灰為主要原料，采取酸溶一步法制備聚合氯化鋁，其工藝流程見下圖1：
向反應器中先加入31%的HCl及部分水，再一次或多次投加經水洗處理過的定量鋁灰。反應開始后，溫度很快升至95℃以上。為控制反應溫度，可在反應過程中隨時補加一些水，且加以攪拌。待6-14h反應完畢加入水，將反應物料稀釋，并調節pH3.5-4.0。自然降溫、熟化16-18h，上層清液即為液體聚合氯化鋁。經濃縮、干燥制得固體聚合氯化鋁。
本工藝的關鍵在于確定投料比。若能合理控制，便可充分提高鋁的溶出率，同時使產品的鋁含量、堿化度得以提高。
3、用鋁灰制備聚合氯化鋁工藝條件的確定
3.1鋁灰與HCl投料比的確定
根據文獻中生產聚合氯化鋁的配方及本文所用鋁灰中氧化鋁的含量，初步確定鋁灰與HCl的投料比為2:1。在該投料比基礎上進行較佳投料比的實驗，實驗數據見表1。
表1鋁灰與HCl投料比實驗
| 序號 | 配方 | 投料比 | 濃度（Be’） | Al2O3% | 堿化度 | ||
| 鋁灰（g） | HCl（ml） | 水（g） | 鋁灰：HCl：水 | ||||
| 1 | 375 | 250 | 600 | 1.5：1：2.4 | 27.4 | 10 | 46 |
| 2 | 350 | 200 | 500 | 1.75：1：2.5 | 25.2 | 14 | 50 |
| 3 | 380 | 200 | 360 | 1.9：1：1.5 | ＞30 | 24 | 50 |
| 4 | 400 | 200 | 400 | 2：1：2 | ＞30 | 23.2 | 42.9 |
| 5 | 600 | 200 | 600 | 3：1：3 | 34 | 18 | 60 |
試驗發現，當鋁灰與HCl的投料比不同時，隨鋁灰量的增加，液體成品的濃度及Al2O3也隨之加大。且這5組配方的濃度、Al2O3均已達到質量要求，但前4組配方的堿化度變化不大，且數值均≤50，而工業一般控制堿化度數值為50%-60%。5組配方的Al2O3%雖較3、4組配方的低，但堿化度卻有較大提高。因此，選用鋁灰與HCl的投料比為3:1左右。
3.2加水量的確定
以鋁灰與HCl的投料比為3:1, 改變不同加水量進行實驗。實驗數據見表2。
表2實驗結果
| 序號 | 配方 | 投料比 | 濃度（Be’） | Al2O3% | 堿化度 | ||
| 鋁灰（g） | HCl（ml） | 水（g） | 鋁灰：HCl：水 | ||||
| 1 | 600 | 200 | 500 | 3：1：2.5 | 32 | 14 | 92.6 |
| 2 | 600 | 200 | 600 | 3：1：3 | 34 | 18 | 60 |
| 3 | 300 | 100 | 400 | 3：1：4 | 24 | 8.3 | 70 |
| 4 | 300 | 100 | 500 | 3：1：5 | 18.3 | 7.7 | 83.6 |
實驗發現，1、4組配方的堿化度偏高，這會使聚合物難以穩定存在，而易于趨向生成難溶的氫氧化鋁沉淀。2、3組配方的各項指標比較接近質量要求。
為了進一步選擇合適的加水量，將2、3組配方所得的液體產品經蒸氣濃縮、干燥制成固體各項指標見表3。
表3 部分產品指標
| 序號 | Al2O3% | 堿化度 | 水不溶物（%） |
| 2 | 31.14 | 92.3 | 0.2 |
| 3 | 32.86 | 91 | — |
試驗表明，2、3組配方的固體產品的各項主要指標均已達到質量要求。在考慮確定加水量時，還要避免因水量過多而影響沉降性能，導致水不溶物含量增加。故將鋁灰、HCl、水的投料比定為3:1:3.5。
3.3降低成本的研究
反應之后的產品大部分集中于上層清液，但也有少量產品和HCl殘留于殘渣中，液體濃度越高，殘留量越大?？紤]到對這部分產品及HCl進行回收，以降低成本，所以我們采取了對殘渣進行水洗，將水洗液代替部分水用于下一批反應中的方法。實驗數據見表4。
表4水洗實驗結果
| 序號 | 配方 | 投料比 | 濃度（Be’） | Al2O3% | 堿化度 | ||
| 鋁灰（g） | HCl（ml） | 水（g） | 鋁灰：HCl：水 | ||||
| 1 | 400 | 133 | 465.5 | 3：1：215 | 38 | 14.7 | 75 |
| 2 | 400 | 100 | 400+100（洗水） | 3：0.75：3.75 | 31.6 | 13 | 70 |
| 3 | 400 | 90 | 500+200（洗水） | 3：0.68：5.24 | 22 | 10 | 73.2 |
| 4 | 400 | 90 | 500+100（洗水） | 3：0.68：4.56 | 20 | 9.2 | 61 |
將2組配方的液體產品經蒸氣濃縮、干燥制成固體產品，其各項指標為：Al2O3:29.7%；堿化度：92.4。實驗表明，在保證產品質量的前提下，殘渣水洗液的再次利用，可以降低成本。
4、討論
4.1HCl濃度的影響
反應前若HCl濃度太大，或鋁灰投加過多、過急，則反應會過于激烈，而使HCl大量揮發，并容易自產品中析出氫氧化鋁。HCl濃度應據鋁灰質量、反應容器的大小，散熱條件等因素進行調整。
4.2加水量的確定
反應前期水分揮發較大，若不及時補充使水分大量減少，反應將過于激烈，使HCl大量揮發，造成產品部分失效。若水份過多，酸濃度偏低，反應則不易進行，導致產品達不到質量要求。
4.3產品pH值的控制
前已述及，產品的pH3.5-4.0，絮凝效果較好。當pH值過高時，雖使提供架橋的羥基增多，但同時也會使白色的Al(OH)3生成而使產品不穩定，導致浮水效果降低。實驗表明，原料配比是調整pH值、提高堿化度的重要條件。只要在較佳配比下，有一個較佳聚合溫度，就可以使pH基本在所要求的范圍之內。
5、結論
利用鋁灰制取聚合氯化鋁，技術上是可行的，產品主要質量指標達到了企業標準。由于該反應是一步反應，而且是利用反應自身放熱來滿足反應溫度的要求，具有工藝簡單、流程短、節能、無二次污染等特點。達到了化害為利，變廢為寶，綜合利用的目的。
