一種能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無機絮凝劑領域。
【背景技術】
[0002] 1884年，美國人海亞特取得了用硫酸鋁凈水的專利權，這可能是最早的以無機物 為絮凝劑來處理水的技術。上世紀60年代，研究人員開發出了無機高分子絮凝劑，無機高 分子絮凝劑比無機小分子絮凝劑具有更好的絮凝效果，從此凈水技術取得了大步的進展。 然而，無機高分子絮凝劑的劑型幾乎都是水溶液，這就提高了其長途運輸的成本。如果將無 機高分子絮凝劑制成固相的劑型，需要消耗大量的能源；同時，長時間的加熱也能導致無機 高分子絮凝劑中的分子進一步水解，因而改變了絮凝劑的性能。所以通過蒸發濃縮的技術 制造固相無機高分子絮凝劑并不是一個很好的方法，能否不通過蒸發過程直接制得固相的 絮凝劑，是一個值得開發的技術。

【發明內容】

[0003] 本發明第一方面提供了一種能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑，其為凍狀 物，呈乳白色，在室溫下放置2-30天后能夠自動液化為無色透明液體。
[0004] 在本發明優選的實施方案中，所述能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑在室 溫下放置2-5天后能夠自動液化為無色透明液體。
[0005] 本發明第二方面提供了一種本發明第一方面所述的能自動液化的聚合硫酸氯化 鋁凝膠絮凝劑的制備方法，其包括以下步驟：
[0006] 1)在室溫下配制含有硫酸鋁和氯化鋁的水溶液，其中硫酸鋁：三氯化鋁= 1:3-1:6,摩爾比；
[0007] 2)在室溫下，在攪拌下向上述水溶液中滴加碳酸鈉水溶液，控制鹽基度為 1. 3-1. 5,滴加完畢后繼續攪拌20-40min ;然后
[0008] 3)將整個反應體系升溫至40_80°C，繼續反應1-4小時；然后降至室溫，進行離心 分離，分別獲得所述能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑和聚合硫酸氯化鋁絮凝劑水 溶液；
[0009] 其中所述室溫為15-35°C。
[0010] 在該制備方法中，能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑和聚合硫酸氯化鋁絮 凝劑水溶液在同一反應體系中獲得。將所述能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑在室 溫下存放2-5天后，可以得到液態聚合硫酸氯化鋁絮凝劑；其中所述室溫為15-35°C。其中 所述能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠也可以稱為聚鋁自液化無機凝膠。
[0011] 其中"鹽基度"（Basicity，或稱"堿基度"，縮寫為B)是用來衡量金屬離子水解 程度的一種指標，是指該金屬離子當前已經結合的氫氧根摩爾數與該金屬離子的摩爾數 之比。例如，Al3+完全水解成為Al(OH) 3時，其鹽基度B的值為3 ;而當Al3+部分水解成為 Al(OH) 2+時，其鹽基度B的值為2,以此類推。本發明中，可通過1摩爾碳酸鈉產生2mol摩 爾氫氧根的化學計量關系式來計算達到特定的鹽基度需要的碳酸鈉的數量，作為碳酸鈉的 加入量的判斷依據。
[0012] 發明詳述
[0013] 以下詳細說明本發明的能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑的制備方法中 的各個步驟：
[0014] 1)在室溫下配制含有硫酸鋁和氯化鋁的水溶液：
[0015] 將十八水合硫酸鋁配制成質量百分比濃度為20-46%的水溶液（用無水硫酸鋁配 制成質量百分比濃度為15-23%的溶液）；將三氯化鋁配制成質量百分比濃度為10-20%的 水溶液；再將兩種溶液混合即可，其中硫酸鋁：三氯化鋁=1:3-1:6,優選地硫酸鋁：三氯 化錯=1:3-1:5,更優選地硫酸錯：三氯化錯=1:4-1:5,摩爾比。
[0016] 或者，在合成實驗中，也可以將十八水合硫酸鋁、三氯化鋁的固體按上面要求的比 例直接投入反應器內，然后加水調成溶液，溶液的總濃度控制在10-40%。也可以首先溶解 硫酸鋁，然后再加入三氯化鋁制取混合溶液，然后將混合溶液放入反應器中。
[0017] 貫穿本專利全文，室溫是指15-35°c。
[0018] 2)加入碳酸鈉溶液進行反應：
[0019] 室溫下將適量的上述含有硫酸鋁和三氯化鋁的水溶液放入帶有攪拌器的反應器 中，在攪拌下滴入適量的碳酸鈉水溶液。滴加完畢后，繼續攪拌20-40min。其中控制碳酸鈉 的加入量使三價鋁離子的鹽基度B= 1. 3-1. 5 (優選地B= 1. 3-1. 4)，此時能獲得適量的凝 膠；
[0020] 3)然后將整個反應體系升溫至40-80°C，繼續反應1-4小時；然后降至室溫，進行 離心分離，分別獲得所述能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑和聚合硫酸氯化鋁絮凝 劑水溶液。
[0021] 其中所述室溫為15-35°C。
[0022] 將所述能自動液化的聚合硫酸氯化鋁凝膠絮凝劑在室溫下存放2-5天后，使其轉 變為液體，得到液態聚合硫酸氯化鋁絮凝劑；其中所述室溫為15_35°C。
[0023] 無機聚合物分子在水溶液中形成多面體的形態，如果這些微小的顆粒能凝結成較 大的顆粒就能夠以凝膠狀態沉淀下來。凝結的性能一方面與聚合物的分子量有關，聚合物 分子顆粒的體積越大凝結性能越強，最終聚合物分子在鋁離子以單體狀態完全溶解的情況 下以凝膠狀態沉淀下來。凝結的性能另一方面也與形成的多面體表面的官能團有關，如果 這些官能團具有比較強的凝聚能力，就具有比較強的凝結性能，從而促使凝膠的生成。
[0024] 凝膠絮凝劑必須具有易溶解的特性，其越容易溶解，絮凝性能就可能更好，因為溶 解性能與分子的分散狀況有關，分子越容易分散，就越容易達到最好的絮凝效果。相反，如 果凝膠絮凝劑溶解度較低，意味著其分子之間容易聚集在一起，分子在水中的分散也不會 非常的充分，這樣就降低了凝膠絮凝劑的絮凝性能。
[0025] 本發明以硫酸鋁、氯化鋁和碳酸鈉為原料，通過控制硫酸鋁和氯化鋁的添加比例 來控制SO42和Cl的比例。由于SO42與Cl電荷數量的區別以及體積的區別，它們之間比 例的改變也能調控形成的分子多面體的結構以及分子多面體表面電荷的分布狀況。碳酸鈉 的用量決定鋁離子攜帶OH數量，碳酸鈉的加入使聚合物分子多面體內部和表面具有3種 負離子。其中SO42和OH之間形成氫鍵是使分子多面體聚集在一起形成凝膠的主要原因， 如果SO42和OH的數量不足，凝膠不能產生；如果SO42和OH的數量過多，分子多面體的凝 聚力必然較大，凝膠的溶解性能及在水中的分散性能下降，絮凝效果不好。所以硫酸鋁和氯 化鋁的比例應該適當，氯化鋁的用量能夠改變SO42的數量和它們之間的距離，也就是對凝 膠性能產生影響，加之適當的碳酸鈉用量才能獲得絮凝效果比較好的凝膠。發明人在實驗