Спосіб одержання рідкого коагулянту – основного сульфату алюмінію

Изобретение относится к технологии неорганических веществ, в частности, к производству сульфатных солей алюминия и может быть использовано для очистки питьевых и сточных вод. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения растворов основного сульфата алюминия, (ОСА) основанный на взаимодействии металлического алюминия и сульфата алюминия в водной среде при температуре выше 80°С, перемешивании, с последующей фильтрацией образовавшейся жидкости. Способ осуществляют путем взаимодействия металлического алюминия в виде тонко измельченного порошка с размером частиц от 100 до 420 мкм или частиц с размером от 5 до 6,35 мм с водными растворами сульфата алюминия с массовой долей от 4 до 8% оксида алюминия. Процесс ведут при температуре выше 80°, но не более 100°С в течение (2-12) ч при перемешивании смеси со скоростью (50-1000) об/мин с последующей фильтрацией полученной жидкости. Получают стабильные растворы основного сульфата алюминия с массовой долей от 9,4 до 12,4% оксида алюминия. Недостатком известного способа является то, что он позволяет получить высокоосновные и высококонцентрированные растворы ОСА, которые непригодны для применения в качестве коагулянтов для очистки воды, так как из них нельзя приготовить рабочие растворы с массовой долей оксида алюминия 4-9% вследствие происходящего гидролиза. Кроме того, известный способ является высокоэнергетическим и дорогим из-за использования высоких температур (выше 80°С), большого расхода металлического алюминия (20-100% сверх сте хиометрии), длительности взаимодействия. В основу изобретения поставлена задача разработать способ получения растворов основного сульфата алюминия, основанный на взаимодействии металлического алюминия с сульфатом алюминия в водной среде, в котором проведение процесса в присутствии металлического кремния обеспечило бы снижение температуры и длительности взаимодействия и, следовательно, снижение энергоемкости процесса, а также уменьшение расхода металлического алюминия при получении стабильных растворов ОСА с массовой долей оксида алюминия от 4 до 9% и модулем основности 2,0-1,34. Для решения поставленной задачи предложен способ получения жидкого коагулянта - основного алюминия, включающий взаимодействие сульфата алюминия и металлического алюминия в водной среде, в котором, согласно изобретению, взаимодействие осуществляют в присутствии металлического кремния. При этом кремний берут в количестве (0,05-0,2) мас.% Установлено, что в системе сульфат алюминия - вода - металлический алюминий -металлический кремний на процесс растворения металлического алюминия металлический кремний оказывает каталитическое действие, что характеризуется снижением температуры взаимодействия до (60-75)°С и уменьшением расхода металлического алюминия до (10-12) % от стехиометрии в зависимости от модуля основности коагулянта при получении растворов ОСА с массовой долей оксида алюминия (4-9) % и модулях основности (2,0-1,34), Полученные растворы не гидролизуют и являются технологичными в процессах водоочистки. Кроме того, металлический кремний является инертным веществом и не привносит вредные примеси в получаемый коагулянт, которые не желательны при очистке воды. Способ реализуется следующим образом. В обогреваемый реактор помещают водный раствор сульфата алюминия (ГОСТ 12966-85) с массовой долей оксида алюминия (2-6) %, Затем добавляют порошкообразный тонко измельченный металлический алюминий(ГОСТ 11069-74) и порошкообразный металлический кремний (ГОСТ 19658-81). Металлический алюминат вводят в количестве (10-12) % от сте хиометрически необходимого в зависимости от модуля основности получаемого коагулянта. Металлический кремний добавляют в количестве (0,05-0,2) мас.%. Процесс осуществляют при температуре (6б-70)°М, продолжительности взаимодействия (3-4) ч, скорости перемешивания (40-50) об/мин или (0,7-0,9) об/с. Затем полученный раствор фильтруют и анализируют. Получают растворы ОСА с массовой долей оксида алюминия (4,0-9,0) % и модулем основности (1,34-2,00). Массовую долю оксида алюминия определяют комплексонометрическим методом, сульфат-ион - термогравиметрическим способом. Пример конкретного выполнения. В стеклянный реактор с мешалкой помещают 200 г раствора сульфата алюминия с массовой долей 5 %. Туда же добавляют 2,915 г мелко измельченного металлического алюминия (10% от стехиометрически необходимого) и 0,38 г металлического кремния(0,19 мас.%). Процесс проводят при перемешивании со скоростью 0,9 об.с*1. Температур у в реакторе поддерживают (65 ± 0,5)°С. Продолжительность взаимодействия - 4 ч. В результате взаимодействия получили раствор ОСА массой 202,6 г, в котором массовая доля оксида алюминия составляет 7,39% при модуле основности 2,00 (таблица, пример 10). В таблице отражены результаты, полученные при использовании исходных растворов сульфата алюминия с массовой долей оксида алюминия (1-8) %, металлического алюминия с избытком (4-12) % от стехиометрически необходимого, продолжительности взаимодействия (2-6) ч, в интервале температур (6080)°С в присутствии металлического кремния, количество которого находится в заявляемом диапазоне и за его пределами (таблица, примеры 1-21). Опыты осуществлены при скорости перемешивания 0,9 об.с."1. Заявляемый диапазон количества металлического кремния выбран из условий, обеспечивающих растворение металлического алюминия с получением растворов ОСА при оптимальных параметрах взаимодействия в реакционной среде (таблица, примеры 1-11). При запредельном снижении содержания металлического кремния в реакционной смеси до 0,03 мас.% и проведении процесса в оптимальном режиме образуются растворы ОСА с модулем основности 2,5, т.е. с заниженной основностью (таблица, пример 12). Верхний предел количества металлического кремния ограничен тем, что при добавлении больших количеств металлического кремния образуются высокоосновные высококонцентрированные растворы ОСА (пример 13). При этом взаимодействие в системе проходит настолько интенсивно, что очень трудно управлять процессом. Увеличение температуры взаимодействия до 80°С (пример 15), а также увеличение длительности взаимодействия в системе до 6 ч (пример 16) вызывает более интенсивное и глубокое взаимодействие, что приводит к образованию растворов ОСА с большой массовой долей оксида алюминия (выше 9 %) и высокой основностью, что нецелесообразно для растворов коагулянтов. Понижение температуры реакционной среды до 60°С, а также уменьшение продолжительности взаимодействия ниже 3 ч в условиях оптимального режима приводит к получению коагулянта с пониженной основностью, т.е. с модулем основности выше 2 (примеры 19, 20). Применение растворов сульфата алюминия с массовой долей оксида алюминия ниже 2% нецелесообразно, так как получаются очень разбавленные растворы коагулянта с массовой долей оксида алюминия ниже 4% (пример 17). Увеличение концентрации исходного раствора сульфата алюминия до 8% также нецелесообразно, так как это снижает реакционную способность системы, требует повышенного расхода металлического кремния и приводит к образованию высококонцентрированного раствора ОСА с пониженной основностью, что снижает качество коагулянта (пример 14). Увеличение избытка металлического алюминия выше-12% от стехиометрически необходимого не обеспечивает повышения качества растворов ОСА, однако приводит к повышенному расходу последнего, что является экономически нецелесообразным (при мер21) Уменьшение избытка металлического алюминия до 4% от стехиометрически необходимого приводит к замедлению процесса взаимодействия; при этом при проведении процесса в оптимальном режиме получают коагулянт с пониженной основностью (пример 18). Сопоставительный анализ предложенного и известного способов показывает, что предложенный способ, включающий взаимодействие сульфата алюминия и металлического алюминия в водной среде в присутствии металлического кремния обеспечивает получение жидких коагулянтов - растворов ОСА с массовой долей оксида кремния (4-9) % и модулем основности (2-1,34), являющимися эффективными коагулянтами. Следует отметить, «то указанные коагулянты получают при значительно меньших затратах энергии и исходных материалов: - снижение расхода металлического алюминия в (2-8) раз; - снижение температуры взаимвдействия на(15-25)°С; - уменьшение продолжительности взаимодействия в 2 раза.