[發明專利]一種高堿化度聚合鋁鹽的綠色生產方法及其裝置

在審

• 申請號: 201410162536.3
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN105084401A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 張偉明;陳慶;宋衛國;萬立駿;馬坤松
• 申請（專利權）人: 溫州大學;中國科學院化學研究所;揚州宏遠電子有限公司
• 主分類號: C01F7/56
• 分類號: C01F7/56
• 代理公司: 上海市華誠律師事務所 31210
• 代理人: 湯國華

技術領域

本發明涉及生產聚合鋁鹽的生產方法及其裝置，特別涉及一種高純度及高堿化度聚合鋁鹽的綠色生產方法及其對應的裝置。

背景技術

聚合鋁鹽是一種部分中和的可溶性鋁鹽。以聚合氯化鋁為例，其表觀分子式可表示為Al_m(OH)_nCl_3m-n，其中m≥1且0<n≤3m。聚合鋁鹽的堿化度表示了其被中和的程度，定義為n/3m。聚合鋁鹽產品按堿化度高低大致可以分為三類：低堿化度(<45％)，高堿化度(45％-65％)及超高堿化度(65％-83％)產品。在工業方面低堿化度的聚合鋁鹽產品一般是利用酸(或對應鋁鹽及其混合物)與氫氧化鋁(Al(OH)₃，又稱為三水氧化鋁Al₂O₃·3H₂O)在高溫高壓條件下得到的。這種方法中使用的原料均為大宗基礎原料，成本低且純度高，生產的產品質量也比較穩定。中國專利申請CN101784485公開了一種基于上述方法生產聚合鋁鹽的方法和系統，在密閉容器內利用微波加熱酸和氫氧化鋁的混合物至約200℃，在10min時間內即可得到堿化度最高達～45％左右的聚合鋁鹽產品。然而，由于這些反應物的腐蝕特性，以及高壓步驟(～1MPa)帶來的額外設備及操作成本，該合成方法的成本仍然相對較高。另外，由于受Al在水溶液中動力學因素制約，通過上述方法不能直接得到更高堿化度的聚合氯化鋁產品，即使是再進一步提高反應溫度和壓力。在微酸性溶液環境中，鋁鹽中的鋁是以六配位的鋁氧八面體形式(Al(H₂O)₆³⁺)存在的。同時，Al(OH)₃固體的基本結構單元也是類似的鋁氧八面體，只不過這些八面體再通過共用棱邊羥基橋的形式組成六圓環，進而形成片狀晶體結構。高堿度的聚合鋁鹽產品中鋁主要以Keggin結構的Al₁₃多聚陽離子形式存在，其結構可描述為[AlO₄Al₁₂(OH)₂₄(H₂O)₁₂]⁷⁺，中國專利申請CN103305862公開了一種制備這種聚合陽離子的電化學生產方法。Al₁₃的結構比較特殊，其中心Al原子位于一個四面體配位場中，周圍環繞12個處于八面體配位場的Al原子。四面體配位的Al原子相當于鋁酸根結構，其只能在堿性環境下生成，而前面所述的酸與Al(OH)₃直接反應中鋁氧四面體結構是無法在此環境中直接生成的，這也正是更高堿度的產品無法用此方法直接合成得到的根本原因。高堿度聚合鋁鹽產品工業上主要有中和法和金屬鋁氧化法兩類合成方法。中和法是利用堿(也包括碳酸鹽等弱堿)來與鋁鹽或低堿化度聚合鋁鹽反應，提高其堿化度。然而這種方法會產生大量的雜質鹽(如NaCl，Na₂SO₄)等混入最終產品，或者產生大量的處置困難的廢渣(如CaSO₄等)，因此對中和法而言產品純度及廢渣排放仍是無法克服的難題。金屬鋁氧化法是利用低堿化度聚合鋁鹽產品(或者直接是鋁鹽，甚至是酸)與金屬鋁在較高溫度(～90℃)下直接反應，這種方法不引入其它雜質，產品純度很高。然而，金屬鋁成本很高，以此方法生產的產品價格較高，且生產過程中產生大量H₂，存在嚴重的爆炸隱患。超高堿度的聚合鋁鹽產品目前工業上還只能通過金屬鋁氧化法來得到。

基于聚合鋁鹽生產過程，特別是高堿化度及超高堿化度產品生產過程中存在的問題，迫切需要開發一種新的綠色生產工藝，直接利用酸溶液及Al(OH)₃固體來生產得到高堿化度甚至是超高堿化度的聚合鋁鹽產品，這將對提高產品質量，降低生產成本，減少廢物排放等具有較大的促進作用。

發明內容

本發明提供了一種高堿化度及超高堿化度聚合鋁鹽產品的綠色生產方法，直接以Al(OH)₃及酸溶液為起始原料，直接得到最終的聚合鋁鹽產品，整個過程中不產生任何廢物排放。

本發明提出了一種高堿化度聚合鋁鹽的綠色生產方法，包含以下步驟：首先將含鋁原料及酸性溶液投加至一個混合反應器中均勻混合形成反應漿料，然后分離出濾清液并將其送入雙極膜電滲析器，一部分濾清液被酸化得到酸室液液流并被送回至混合反應器，另一部分濾清液被堿化直接得到聚合鋁鹽產品。