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聚铝的结构及其絮凝性

时间:2021/05/18 点击:

聚铝的结构及其絮凝性

聚铝是指Al3+盐到Al(OH)3(固)之间的一系列亚稳态物,一般是三铝到十三铝的羟基络合物,其中可能出现共享羟基或共享氧配位的结构特征,由于聚铝是一系列的亚稳态物,环境条件稍有变化就会出现脱稳现象,这种脱稳是絮凝。

一种优良的聚铝水处理剂需要具有适宜的储存性和适宜的脱稳性,这在结构上是通过控制适宜的碱化度和聚合度来实现,由于碱化度和聚合度是个宏观概念,因此絮凝性能并非是碱化度和聚合度的线性表征。

长期以来,科学工作者对聚铝水解产物的结构和特征作了大量的研究,但至今对其水解聚合形态分布尚不十分清楚。

目前存在着两种不同的见解,线性聚合物观点认为,随着碱化度增加程度加深,氯化铝溶液中的水合三价铝离子Al(H2O)63+八面体通过羟桥(Al-O-Al)聚合成线型多聚体。我国较早发表的论著多数引用这种观点。

体型聚合物观点认为,聚合氯化铝溶液起码存在着有平衡关系的四种阳离子:单体、二聚体、体型十三聚体和结构尚未确定的三维团粒。

体型十三聚铝的代表式为[AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+,它是周围有十二个(AlO6),中心包围着一个四配位铝(AlO4)“球形簇”(Spherical cluster) 状的络合离子,是起絮凝作用的主要活性物质。

文献报道,Al水解产生单铝羟基络合物,根据Al3+与O2-的离子半径比0.14,可形成四配位体Al(OH)4-,这是一种单铝多羟基络合物,单铝多羟基络合物间比较邻近的羟基靠氢键集合在一起,即OH...HO键型,这种键型在酸性环境中失水,使两个单铝羟基络合物共享一个羟基,形成了双铝多羟基络合物,继续发展下去形成多铝多羟基络合物。通过羟基配位叫做羟基式桥联反应。

单铝多羟基络合物间的氢键相连的羟基在碱性环境中脱水形成Al-O-Al键:共享氧配位的氧式桥联反应。处于稳态的聚铝在不同稀释比下两类桥联反应都会发生。通常能得到的多铝多羟基络合物有:Al2(OH)24+、Al3(OH)45+、Al6(OH)153+、Al7(OH)174+、Al13(OH)327+,聚合度再发展下去就产生溶胶氢氧化铝。

另外,在水解聚合铝溶液中较稳定的化学形态分为三类主要形态,单铝形态[Ala],即Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2 +,聚合形态[Alb],即Al2(OH)24+、Al7(OH)174+和Al13O4(OH)24+n(7-n)+(n=0,1,2)以及一种溶胶或凝胶形态[Alc」,即Al(OH)3。这些化学形态的分布和转化不仅取决于溶液的化学特征,而且也取决于制备的方法。

例如,Al13(OH)345+,碱化度87%,它在相图上恰恰是溶胶形Al(OH)3的外延,储存性较差,不能成为聚铝的有效成分;Al7(OH)174+碱化度81%,它随pH变化的分布区域紧靠Al(OH)3区,准稳性也差。较有价值的是Al13O4(OH)247+,碱化度82%,在相图上远离Al(OH)3(固)区,准稳性好,脱稳趋势大,是聚铝的活性成分,在水中呈簇团的胶粒,FX90O核磁共振仪测定在高效聚铝中通常有这种成分,由此可见准稳性是取决于结构而不是宏观的碱化度的表现。因此碱化度的大小不能准确衡量聚铝的絮凝性能,因为有更深层次上的结构因素。

聚铝的形成大致可分为三个阶段:单铝多羟基络合物间的氢键集合体;集合体中氢键羟基的桥联反应;桥联反应之后多铝多羟基离子的立体构型。这三个阶段均受到pH值的制约,也受到阴离子,如Cl-、HSO4-、SO4 2-、H2PO4-、SiO32-的影响,氢键的形成是至关重要的阶段,它是导致聚铝离子形成的起点,控制氢键数和方向常能控制有效成分的形成,从而控制其絮凝性能。