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聚合氯化铝盐基度分析探讨

时间:2021/05/13 点击:

摘要:根据不同原料生产的聚合氯化铝的外观,质量分数为0.6%水不溶物的状况,参照聚合氯化铝国家标准GB 15892-1995的分析步骤,结合对样品的实际检测情况,提出用“室温放置法”,分析聚合氯化铝的盐基度,以便使分析结果更符合实际。

聚合氯化铝(PAC),以前也常称为碱式氯化铝或聚合铝。它是一种无机高分子混凝剂,具有优良的净水效果,已广泛用于生活饮用水、工业用水及工业废水、生活污水的处理。PAC的混凝性能与盐基度有密切关系,对于pH为5.6-7.2的水体来说,盐基度越高净水效果越好,而对于pH>7.6以上的碱性水系而言,虽然净水效果不一定与盐基度成线性关系,但对于特定的水质而言,也有—较适宜的盐基度。对PAC的生产厂家来说,在线分析产品盐基度十分必要,以使产品适用于不同的水系、水质。

我们对市场常用的PAC样品进行分析时,按照PAC国标GB 15892-1995进行,测试的结果是产品的盐基度一般都较高(>85%),有时高达107%-110%,对于PAC这种产品而言,这个结果肯定不符合实际。笔者从理论和实践两个方面对盐基度进行分析,对照GB 15892-1995进行了探讨。

1 理论分析

1.1 生产过程分析

目前市场上使用的聚合铝(主要包括聚合氯化铝、聚合氯化铝铁、聚硫氯化铝铁等)的生产方法主要是两步法。①以铝土矿、粘土矿、氢氧化铝、高岭土等为原料与盐酸或盐酸与硫酸的混合酸反应生产铝、铁的酸性盐溶液;②在所生成的盐溶液中加入活性铝酸钙矿粉进行盐基度调整(即通常所说的铝酸钙调整法)进行生产,然后经自然沉降一周左右得液体产品,再进行干燥处理得固体产品。因铝酸钙矿粉在该步反应中只起盐基度调整作用,铝的溶出率不高(一般只占总量的30%-40%),且粒径较小(一般粒度为62-80μm左右),自然沉降一周左右不可能使产品变得澄清,这样因未反应完全的铝酸钙矿粉的存在,导致按GB 15892-1995进行产品中铝含量和盐基度分析时,会偏离实际。

1.2 水不溶物分析

按国标规定称取10g液体试样或3g固体试样,加入500mL水溶解,用恒重的中速滤纸过滤。在进行产品质检时,许多厂家产品过滤液不澄清,说明有许多未反应的铝酸钙矿粉通过了滤纸,使水不溶物分析结果偏低。

1.3 铝含量的分析

聚合铝的盐基度,即是样品中OH-和Al3+的摩尔比的三分之一。要分析盐基度,首先必需准确分析出铝的含量。

铝含量的测定原理是加酸使试样解聚,加入过量的EDTA溶液,使其与铝及其他金属离子络合,用氯化锌标准溶液滴定剩余的EDTA,再用氟化钾解析出络合的Al3+,用氯化锌标准溶液滴定解析出的EDTA。

按国标GB 15892-1995规定,称取8.0-8.5g液体试样或2.8-3.0g固体试样,加水溶解,全部移入500mL容量瓶中,用水稀释至刻度,摇匀。用移液管移取20mL放入250mL锥形瓶中,加入1:12硝酸2mL,煮沸1min,冷却后加入0.05mol/L的EDTA溶液20mL,再用乙酸钠缓冲溶液(272g/L)调到pH为3,煮沸2min,冷却后再加入10mL乙酸钠缓冲溶液和2-4滴二甲酚橙指示剂,用氯化锌标准溶液滴定溶液颜色从淡黄色变为微红色为终点。

加入10mL氟化钾500g/L溶液,加热至微沸,冷却,此时溶液应呈黄色,若溶液呈红色,则滴加稀硝酸呈黄色,再用氯化锌标准溶液滴定溶液颜色从淡黄色变为微红色即为终点。

理论分析:用移液管移取20mL试样稀释液于250mL锥形瓶中,此时溶液的pH在3.0-4.5左右,加入2mL 1:12的稀硝酸后,溶液的pH在0.1-0.5之间, 此时把溶液加热直到煮沸1min,则产品中带入的铝酸钙矿粉又与酸进行反应,矿粉中的铝又被溶出,煮沸时间越长,则溶出的铝越多,导致分析结果偏高。据文献〔9〕报导, 氢离子与PAC中的氢氧根离子结合生成水的吉布氏自由能变化为-71kJ/mol,同时又是在溶液中进行,反应速度应该不会太慢。但在实验中也发现常温下铝酸钙矿粉在pH=0.1-0.5的水溶液中0.5h并未发生铝的溶出反应。所以从理论上讲,酸化时不加热测定的结果更符合实际。

1.4 盐基度的分析

盐基度的分析原理是在试样中定量加入盐酸溶液,以氟化钾掩蔽铝离子,用氢氧化钠进行滴定。

按国标GB 15892-1995规定,称取1.8g液体试样或0.6g固体试样,加入20-30mL水溶解,移入250mL锥形瓶中,再用移液管移入0.5mol/L的盐酸溶液25mL,盖上表皿,在沸水浴上加热10min,冷却到室温,加入25mL KF溶液,摇匀,加入5滴酚酞指示剂,立即用氢氧化钠标准溶液滴定到微红色为终点,同时用不含二氧化碳的蒸馏水做空白试验。

理论分析:1.8g液体试样或约0.6g固体试样加入25mL水溶解,加入25mL浓度为0.5mol/L的盐酸溶液后,混合液的酸度较大,再在沸水浴上加热10min,冷却到室温。如果试样中有铝酸钙矿粉,则会发生下述反应:

Ca(AlO2)2+8HCl→CaCl2+2AlCl3+4H2O

上述反应导致消耗的盐酸的量较多,而用氢氧化钠滴定剩余的盐酸时,消耗的量就少,从而导致结果偏高,甚至超过100%(有时高达110%),试样水不溶物含量越高,即试样稀释液越浑浊,分析得到的盐基度越高,这样的分析结果肯定是不符合实际的。而在常温下铝酸钙矿粉在0.2-0.3mol/L的盐酸介质中反应很慢,如果不加热测定,结果会比较准确地反映产品的真实盐基度。

2 试验验证

取液体试样500mL置于500mL具塞量筒中,静置一周,取上层清液50mL为一份,并标为液体试样1#,剩下的450mL为一份并标明液体试样2#。另取固体试样一个,标明试样3#。经分析,它们的水不溶物质量分数分别是:1#样0.5%,2#样0.9%,3#样1.9%。

2.1 氧化铝含量的测定

按国标GB 15892-1995和“室温放置法”测定氧化铝。“室温放置法”就是在分析氧化铝的含量时,在加入1:12硝酸2mL后,不加热到沸腾1min,而是直接在室温放置一段时间,其他步骤与国标相同,分析数据见表1。

表1 氧化铝质量分数分析结果

项目 澄清液 项目 浑浊液
国标方法 室温放置法 国标方法 室温放置法
10min 20min 30min 40min 10min 20min 30min 40min
1# 10.22 10.0 10.15 10.20 10.23 1# 10.11 10.07 10.09 10.09 10.10
2# 10.30 10.0 10.20 10.28 10.31 2# 10.15 9.80 10.10 10.10 10.15
3#           3# 27.50 26.60 26.60 26.70 26.70

从表1可以看出,室温放置法数据更稳定,放置20min就能得到较精确的数据:对澄清的试样而言,两种方法数据相同,但对浑浊液而言,两种方法数据相差较大;用标准方法测定浑浊大(溶液有明显沉淀)的试样,铝酸钙矿粉有明显溶出迹象。

从表1还可以看出,固体试样干燥过程中有受热不均匀现象,所以采用室温放置法时,放置时间要30min以上;标准法的数据比室温放置法要高。

2.2 盐基度的分析

试样与氧化铝测定相同并相互对应,分析时按国标规定的步骤和“室温放置法“进行。“室温放置法”,就是在加入25mL浓度为0.5mol/L的盐酸后,不进行“在沸水浴上加热并沸腾10min,再冷却到室温"这一步,而是直接在室温下放置一段时间,其他分析步骤与国标相同,分析数据见表2。

表2 盐基度分析

项目 澄清液 项目 浑浊液
国标方法 室温放置法 国标方法 室温放置法
10min 20min 30min 40min 10min 20min 30min 40min
1# 78.5 78.3 78.4 78.4 78.5 1# 82.2 78.2 78.3 78.4 78.4
2# 75.3 75.2

75.3

75.3 75.3 2# 105.5 75.1 75.2 75.3 75.2
3#           3# 91.2 80.7 80.7 80.8 80.8

从表2可以看出,对澄清产品而言,室温放置20min,两种方法的分析数据相吻合;如果试样浑浊,室温放置30min以上,分析数据稳定,但与按国标方法分析所得结果相差较大,并随水不溶物含量的增加,数据偏差越大。

从表2还可以看出,固体试样室温放置30min结果可以稳定;水不溶物质量分数超过1.5%,套用国标方法进行分析时,数据会有较大的偏差。

3 结论

(1)PAC液体产品试样为透明无明显沉淀物;固体产品溶于水(质量分数<0.6%)且透明,无明显沉淀物,按国标方法进行氧化铝和盐基度分析,分析结果与实际情况相符。

(2)液体产品浑浊,固体产品溶于水时有明显水不溶物,该类产品不符合国标所规定的外观要求,则不能完全套用国标方法进行氧化铝及盐基度分析。试验证明,“室温放置法”可以作为进行该产品分析的一种手段。