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白泥中的聚合氯化鋁

全是污片的app白泥是鋁加工企業在工件表面實施電化學處理過程中,對產排的工業廢液進行初步處理時產生的工業廢渣。目前,我國絕大部分鋁加工企業都把這種廢渣深埋于地或直接拋棄,造成了環境污染。

  一個年產3 000~4000噸鋁型材的企業,因界面的電化學處理工藝每年大約產排白泥30~50噸。因為白泥的主體成分相對比較純正,以此為原料生產的化工產品純度也較高。以目前國內中低市場價為準,每噸白泥綜合利用能形成18萬~20萬元甚至更大的產值。鋁加工企業以年產排白泥50噸計,就可形成900萬~1 000萬元的產值。所以,對工業廢渣白泥進行綜合利用,是能實現經濟收益和環境效益雙贏的新型產業。

全是污片的app  每噸干品白泥含鋁量大約300~330千克,若直接廢棄,會造成原料鋁的巨大損失。利用白泥生產聚合氯化鋁,是繼利用白泥生產硫酸鋁、硅鋁凝膠、鋁酸鈉和石油采油助劑等產品后的又一項三廢綜合利用新工藝。通過這項工藝,可將白泥轉化為凈水劑聚合氯化鋁。這種物質對水的凈化作用是硫酸鋁的八倍,還可用于醫藥、造紙、制革和精密鑄造等行業,市場廣泛,經濟效益豐厚。

利用白泥生產聚合氯化鋁其具體生產步驟是:

1、初步轉化為氯化鋁

  干白泥的主要成分為:氫氧化鋁93%~95%;氟鋁酸鈣22%~23%;聚丙烯酰胺2%~3%。

  將原料白泥粉碎后放入反應釜,加入濃度為15%~18%鹽酸溶液,在常溫環境中攪拌30~60分鐘,物料進行充分的化學反應后就能轉化為氯化鋁溶液。需指出的是,因為一些白泥原料中含有氟化物,所用的反應釜除了耐酸外,還必須具有耐氟化物腐蝕的性能。

  反應如下:Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2O

  在上述化學反應中,每噸干白泥大約消耗濃度為18%的鹽酸溶液約6 750千克。也可以利用熔煉金屬產生的廢渣鋁灰Al2O3作制取氯化鋁的原料。

全是污片的app  反應如下:Al2O3+3HCl=AlCl3+3H2O

  在上述化學反應中,若鋁灰含氧化鋁量為65%,每噸鋁灰大約需要濃度為18%的鹽酸溶液7 700千克才能完成反應。

全是污片的app  在上述兩個化學反應中,因投入的鹽酸暫時來不及全部與原料中的氫氧化鋁或氧化鋁反應,導致反應液的pH值暫時處于﹤1的酸度,瞬時會產生大量的聚合氯化鋁[Al2(OH)nCl6-n]m和相對少量的氯化鋁AlCl3。反應結果一度使溶液呈現聚合氯化鋁溶液特有的鮮艷的淡黃色。

全是污片的app  2Al(OH)3+2HCl,pH≥4時,[Al2(OH)4Cl2]m+2H2O

  2Al2O3+10HCl,pH﹤3時,[Al2(OH)2Cl4]m+2AlCl3+4H2O

  因溶液的酸度很高,聚合氯化鋁生成后,同時又與大量的鹽酸繼續發生化學反應,繼而聚合氯化鋁會漸漸轉化為氯化鋁。在20℃的反應溫度中,這個再轉化過程大約需要15~30分鐘。由于消除了聚合氯化鋁,溶液從淡黃色逐漸恢復到無色。

  Al2(OH)4Cl2+4HCl,pH值從1自然的狀態上升到4~5,2AlCl3+4H2O

  Al2(OH)2Cl2+2HCl,pH值從1自然的狀態上升到4~5,2AlCl3+2H2O

全是污片的app  由于在化學反應中消耗了一定數量的鹽酸,溶液的pH將有較大幅度的上升。當反應后的溶液pH值上升到4.5~5.0時,排液到澄清池中。排液后的底渣仍在反應釜中,再加入濃度為30%~36%的鹽酸少許,使渣中殘余的原鋁化合物徹底與鹽酸反應溶出。反應結束時,溶液的pH值也要達到4.5~5.0 。假如pH值上升不到工藝所需的數值時,表示鹽酸加入過量,這時可再適量加入少許白泥或鋁灰,消耗過量投入的鹽酸。反應結束后的液體仍排入澄清池中。

全是污片的app  第二次化學反應后的殘渣,再加入少許清水,洗滌渣中殘留的有用物質,洗滌水量不可偏大,水量過多會增加濃縮環節的負擔。

全是污片的app2、轉化為聚合氯化鋁[Al2(OH)nCl6-n•xH2O]m

  聚合氯化鋁、聚氯化鋁和堿式氯化鋁是基本類似的物質,失去了結晶水的聚合氯化鋁稱之為聚氯化鋁,若采用鋁灰生產的該項產品,由于雜質過多而呈現灰黑色時,則習慣稱之為堿式氯化鋁。堿式氧化鋁內金屬類雜質多,對水中存在的微細色素的吸附力強大,適用于印染業排出的有較重度雜色廢水的脫色處理。

  因為赤鐵礦粉微粒對水內懸浮物有良好的凝聚作用,聚合氯化鋁生成、干燥并適應當粉碎后,產品內還須摻入0.01%~0.05%的粒度為30~50微米的赤鐵礦粉或氧化鐵粉末的微粒。

  由氯化鋁轉化為聚合氯化鋁的工藝原理如下:

  當氯化鋁水溶液的pH值在3.3~5.2區間時,溶液內的鋁離子Al3+根據具體的pH大小值發生不同程度的水解反應。溶液中氧化鋁含量偏少時,在相同條件下,氯化鋁水解程度增大;溶液的溫度偏高時,水解反應加劇;溶液的酸度或堿度偏離水解反應所需的佳pH值越遠,氯化鋁的水解進度越小,甚至會發生逆轉。當上面談到的各項條件均處于佳狀態時,在極限水解反應所需的極限時間內,反應時間越長,水解效果越好,得到的產品品質就越優秀。

  2AlCl3+xH2O,pH=4~5, [Al2(OH)nCl6-n]m+xHCl

  聚合氯化鋁[Al2(OH)nCl6-n]m是介于氯化鋁和氫氧化鋁之間的過渡性物質。在產品鹽基度m(氯化鋁的占比)為60%~85%的區間內,氯化鋁的含量越少,產品的品質就越高。由氯化鋁水解反應生成聚合氯化鋁時,反應溶液原始的pH值高低能明顯影響終端產品的鹽基度。反應中原始pH值等于或大于5時,形成的聚合氯化鋁的鹽基度較低,產品的品質好。氯化鋁水解反應時要生成一定數量的鹽酸,當反應進行到48~100小時時,由于生成的鹽酸數量增加,導致溶液pH值由5下降到4,并在這一區間保持長久動態水解平衡。基于鹽類水解的普遍特性,在溶液pH值為4以上的某個區段內進行氯化鋁的水解反應時,溶液的終pH值都會穩定在4附近。下面幾個水解反應式能在一定程度上說明這個問題。

  2AlCl3+5H2O=[Al2(OH)5Cl]m+5HCl,反應初期pH=5,反應中尾階段pH=4

全是污片的app  2AlCl3+4H2O=[Al2(OH)4Cl2]m+4HCl,反應初期pH=4.5,反應中尾階段pH =4

  2AlCl3+3H2O=[Al2(OH)3Cl3]m+3HCl,反應初期pH=4.2,反應中尾階段pH=4

  2AlCl3+2H2O=[Al2(OH)2Cl4]m+2HCl,反應初期pH=4.1,反應中尾階段pH=4

  m表示物質生成后的集團性,m的大小決定于其中所含的活性凝膠物的多少和凈化水質時的用量及反應時間長短。m取值范圍在1~10之間,m值越大,水解越充分,產品品質越高。

  水解反應結束后,反應液經過小于30微米精度的過濾,即可轉入濃縮和冷凝結晶階段,其方法有自然蒸發和造粒機造粒兩種操作規式。所得產品為金黃色塊粒狀結晶或粘稠液。

3、副產品回收

  因為大多數白泥中含有3%~4%的氟化鋁酸鈣Ca3(AlF6)2 和氟化鋁酸銨(NH4)3AlF6 ,在生成氯化鋁的反應中,因氯離子Cl-標準電位是+1.36V,氟鋁酸根離子AlF3-標準電位為+1.21V,氯離子電位高于氟氯酸根離子電位。所以,在溶液中分別發生氟鋁酸鈣、氟鋁酸銨與鹽酸的重組化合反應,生成氯化鈣、氯化銨和氟鋁酸。

  在溶液濃縮結晶過程中,氯化鈣和氯化銨分別以雜質態混于產品中。因為氟鋁酸不能單獨游離,在脫水過程中,將分別以氯化氫揮發物和氟化鋁沉淀物析出。溶液脫水過程中緩慢發生的化學轉化是:

  H3AIF6 →3HF +AlF3(低溫沉淀)

  將氟化氫氣體和同時逸出的水蒸氣,導入鉛制冷凝器中進行冷凝,可獲得數量與價值都很可觀的珍貴化工產品氫氟酸。首次冷凝獲得的氫氟酸濃度可能偏低,酌情可將首次冷凝的產品進行再次蒸餾和冷凝,當所得的氫氟酸內HF含量達到25%~40%時,已經屬于十分純凈的化學品氫氟酸了。

  利用氟化鋁可常溫由水溶液中沉淀析出的特性,在提取氫氟酸工藝后,將工藝淋出液進一步濃縮后冷凝,溶液中的大部分氟化鋁,會以沉淀物狀態析出。為了提高生產效率,提取氯化鋁時建議冷凝溫度小于15℃ 。

  需要指出的是,只有原料中的含氟量不低于0.5%時,提取氫氟酸和氯化鋁的生產工藝才能形成可觀的經濟效益。

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