Спосіб отримання дигідроксосульфату алюмінію

УКРАЇНА (19) UA (11) 36147 (51) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ Д ЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛ ЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (13) A 6 C01F7/74 видається під відповідальність власника патенту (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ ДИГІДРОКСОСУЛЬФАТУ АЛЮМІНІЮ (13) 36147 Винахід відноситься до виробництва коагулянтів, солей алюмінію, зокрема, дигідроксосульфату алюмінію й може бути використаним для очистки питних і стічних вод. Аналогом винаходу є спосіб отримання основного сульфату алюмінію (А.К. Запольський, А.А. Баран., Коагулянти й флокулянты в процессах очистки воды. - Л.: Химия, 1987. - С. 84) шляхом обробки водної суспензії гідроксиду алюмінію сірчаною кислотою в молекулярному співвідношенні S03 : АІ205 = 2...2 ,6 з одночасним перемішуванням гострою парою при температурі 110-120 0С. Після повного розчинення гідроксиду алюмінію реакційну масу охолоджують в реакторі до 95 0С і потім подають на кристалізацію. Недоліком даного аналогу є отримання продукту, який являє собою суміш сульфату алюмінію і дигідроксосульфату алюмінію. Якість продукту залежить від співвідношення в ньому вказаних солей. Чим вищий вміст дигідроксосульфату алюмінію, тим вища якість продукту. Проте, з метою підвищення вмісту дигідроксосульфату алюмінію в продукті потребуються підвищені температури. В згаданих вище умовах отримують продукт з невисоким вмістом нерозчинного залишку - гідроксиду алюмінію. Це призводить до зниження якості про (11) дукту і підвищення витрат сировини (гідроксиду алюмінію та сірчаної кислоти). Прототипом винаходу є спосіб отримання основного сульфату алюмінію (А.С. № 1260334 СРСР, 01.08.1984, Б.И. № 36, 30.09.86), згідно якого аморфний гідроксид алюмінію обробляють сульфатом алюмінію в молярному відношенні Аl203: S03+ 1,0 : (1,75 ... 1,0) при нагріванні до 80-85 0С і витримці протягом 0,5 -1,0 год. Недоліком прототипу є застосування активного (аморфного) гідроксиду алюмінію, котрий отримують шля хом осадження, наприклад, з розчину хлориду алюмінію лугами або карбонатами лужних металів. Утворений осад аморфного гідроксиду алюмінію трудно відфільтровується від водного розчину хлоридів лужних металів, а також трудно відмивається від цих солей. Тому потребується велика кількість фільтрувальної апаратури, великі витрати електроенергії, а також утворюється велика кількість неутилізованих промивних вод. Останнє призводить до забруднення оточуючого середовища промисловими стічними водами. В основу винаходу поставлена задача зменшити енергетичні витрати, підвищити якість продукту, спрости спосіб і покращити екологічну ситуацію. Поставлена задача вирішується тим, що концентрований розчин сульфату алюмінію або осно UA Спосіб отримання дигідроксосульфату алюмінію. A але не вище 30 0С кристалізують подвійний сульфат алюмінію R * АL(S04)2 * 12 Н20, де R - Nа+, К+ або NH+4. 2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що подачу концентрованого насиченого розчину лугів здійснюють при інтенсивному перемішуванні (Rе > 10000) протягом 2-4 годин. 3. Спосіб по п. 1або п. 2, який відрізняється тим, що змішування сульфату чи основного сульфату алюмінію з концентрованим насиченим розчином лугів здійснюють при 3-5 %-му надлишку лугу відносно стехіометричної кількості. 4. Спосіб по п. 1або п. 2, або п. 3, який відрізняється тим, що водний розчин сульфату чи основного сульфату алюмінію поступово змішують з концентрованим розчином лугів (7-8) кг/год. на 100 кг сульфату алюмінію концентрацією 34 - 64 г/л АІ 2О 3. (19) (21) 99116093 (22) 05.11.1999 (24) 16.04.2001 (33) UA (46) 16.04.2001, Бюл. № 3, 2001 р. (72) Запольський Анатолій Кирилович, Салюк Анатолій Іванович, Запольський Валерій Анатолієвич (73) УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИ Х ТЕХНОЛОГІЙ (57) 1. Спосіб отримання дигідроксосульфату алюмінію, що включає взаємодію розчину сульфату чи основного сульфату алюмінію з молекулярним відношенням SO3 / АІ 203 > 2,0 з водним розчином лугів, який відрізняється тим, що взаємодію сульфату чи основного сульфату алюмінію з концентрованим насиченим водним розчином лугів здійснюють в інтервалі температур 55-80 0С, із реакційної маси при температурі цехового приміщення, 36147 вного сульфату алюмінію (7,5 - 8,5 % АІ2О 3) з молекулярним відношенням S0з : АІ2 О3> 2,0 обробляють концентрованим водним розчином аміаку (25%) при температурі нижче 100 0С і інтенсивному перемішуванні (Rе>10000) протягом 2-4 годин. Потім отриманий розчин охолоджують до температури нижче 30 0С, внаслідок чого кристалізуються алюмоамонійні квасці - подвійний алюмоамонійний сульфат NН4Аl(S04)2 * 12Н20 і відокремлюють їх від маточного розчину дигідроксосульфату алюмінію. Аміак дозують з розрахунку отримання дигідроксосульфату алюмінію і алюмоамонійних квасців згідно реакції: 2АІ2(S0 4)3 + 2NH 4OH + 35Н2О + аq = АІ 2(S04)2(ОН)2 * 11Н2О+ 2(NН4) АІ(S0 4)2* 12Н2О + аq. Норму аміаку беруть з 3-5 %-ним надлишком відносно стехіометричної кількості. Утворені кристали алюмоамонійних квасців після охолодження розчину до кімнатної температури (18-25 0С) відокремлюють від маточного розчину дигідроксосульфату алюмінію. Замість водного розчину аміаку можуть бути використані гідроксиди або карбонати натрію і калію. Причинно-наслідковий зв'язок між даними прикметами та очікуваним технічним результатом полягає в наступному. Для отримання дигідроксосульфату алюмінію замість аморфного гідроксиду алюмінію і сульфату алюмінію в якості реагентів використовують сульфат алюмінію і водний розчин аміаку або лугів калію і натрію. З літературних джерел невідома дана реакція, умови її здійснення та сукупність операцій, тобто проведення реакції при понижених температурах, інтенсивному перемішуванні і з невеликим надлишком одного із реагентів (аміаку) з послідуючим охолодженням реакційної маси нижче 30 0С. Отриманий дигідрососульфат алюмінію є надзвичайно чистим продуктом, що не вміщає сторонніх домішок, зокрема, сульфату чи гідроксиду алюмінію, що має місце в прототипі. Оскільки для отримання дигідроксосульфату алюмінію не вдаються до осадження активного гідроксиду алюмінію, то в цьому випадку значно спрощується спосіб. В цьому разі не потрібно використовувати апарати для осадження активного гідроксиду алюмініата, фільтри для відокремлення його від маточного розчину. Також не потрібно великої кількості води для промивки осаду, що виключає утворення великої кількості неутилізованих промвод, що скидаються в каналізацію. Зниження температури і спрощення способу за рахунок виключення операцій осадження та фільтрування сприяють зменшенню енергетичних витрат. Замість значної кількості розбавлених розчинів промивних вод в способі отримують цінний продукт - чисті алюмінієві квасці, що можуть бути використані в багатьох галузях господарства: медицині, виробництві паперу, дубінні шкір та ін. Приклад конкретного виконання. Для здійснення процесу отримання коагулянту використовують розчин сульфату алюмінію та аміачну воду. Водний розчин (34 г/л АІ 2О3) сульфату алюмінію в кількості 110 мл попередньо підігрівають до 60 0С. Потім в реактор подають розчин аміаку (22,5% мас NH4OH) з швидкістю подачі 0,35 мл/хв. Загальна подача аміачного розчину становила 18 мл. Тривалість подачі 1,66 7 години. Під час подачі NH4OH в реакційне середовище в осад виділявся гідроксид алюмінію, котрий поступово розчинявся. Потім розчин фільтрували і охолоджували до кімнатної температури (18-23 0С). Після 20-годинної витримки кристалізували алюамонійні квасці з розміром кристалів 3-5 мм. Після відокремлення кристалів квасців в розчині залишався дигідроксосульфат алюмінію. Для обґрунтування режиму отримання коагулянту проведено ряд дослідів (табл. 1) в умовах практично ідентичних вищеописаній технології і прикладу конкретного виконання. Застосування розбавленого водного розчину сульфату алюмінію (менше 34 г/л) недоцільно, оскільки при цьому отримують продукт з низьким вмістом АІ2О 3. При цьому збільшуються транспортні витрати на доставку продукту споживачеві. При концентрації розчину сульфату алюмінію більше 61 г/л АІ 2О 3 суттєво зменшується швидкість реакції, що призводить до значного збільшення тривалості процесу розчинення осадженого гідроксиду алюмінію. Підвищення температури реакційного середовища ви ще 80 0С спричиняє частковий гідроліз основного сульфату алюмінію і призводить до небажаних втрат сировини і погіршення якості продукту. Ви хід за нижню межу (55 0С) сприяє збільшенню тривалості процесу. Дослідження отриманого коагулянту за цільовим призначенням проводили методом пробної коагуляції згідно рекомендованих в якості стандартних методик (див. Руководство по химическому и технологическому анализу воды. - М.: Стройиздат, Водчео, Госстрой УССР.1973). Результати досліджень отриманого дигідроксосульфату алюмінію в якості коагулянта наведені в табл. 2. Порівняльну оцінку отриманого коагулянту здійснювали з сульфатом алюмінію. Робочі концентрації обох коагулянтів становили 1 г/л АІ2 О3 . Отриманий дігідроксосульфат алюмінію, приготовлений згідно прикладу конкретного виконання, вміщав 36 г/л АІ 2О 3. Початкова дослідна вода характеризувалася слідуючими показниками: мутність - 100 мг/л, температура - 20 0С, рН - 7,3. Спосіб отримання коагулянту має наступні переваги перед прототипом. З табл. 2 видно, що дигідроксосульфат алюмінію при менших витратах (на 25-40%) має однаковий ефект очищення завислих речовин з сульфатом алюмінію. При цьому значно зменшується (майже в два рази) вміст залишкового алюмінію в очищаємій воді, що сприяє покрашенню якості очищеної питної води. Перевагами способу перед прототипом є: 1) оскільки розчин нагрівається до менших температур (55 0С) і використовується тепло реакції нейтралізації, то значно ( на 40 %) зменшуються теплові витрати; 2) в продукті відсутній нерозчинний залишок гідроксиду алюмінію і він являє чистий дигідроксосульфат алюмінію (без домішок сульфату алюмінію), що значно поліпшує якість продукту. Його використання дозволяє зменшити дозу коагулянту в процесі очистки і таким чином, суттєво ( на 25-40 %) зменшити витрати коагулянту, а також суттєво (в 2 2 36147 рази) зменшити вміст шкідливого залишкового алюмінію в очищеній воді; 3) оскільки виключені стадії осадження осаду гідроксиду алюмінію, його фільтрація та промивка, то значно спрощується апаратурне оформлення процесу та зменшуються енергетичні витрати; 4) виключення операції промивки гідроксиду алюмінію повністю виключає наявність розбавлених промивних вод, які в прототипі скидаються в каналізацію. Це виключає забруднення водойм стічними водами і покращує їх екологічний стан. Таблиця 1 Вплив параметрів процесу на отримання дігідроксосульфату алюмінію Умови проведення дослідів Інтенсивність Вихід Вміст СА № ТемпеТриваКонценНорма подачі ДГСА** в ДГСА, п/п ратура, лість, трація NН4ОН NН4ОН, % % 0 С год Аl203 , г/л % стех. кг/год на 100 кг рну С А* 1 45 2 44 105 12000 7,5 81 20 2 55 2 44 105 12000 7,5 88 10,5 3 70 2 44 105 12000 7,5 100 4 80 2 44 105 12000 7,5 100 5 90 2 44 105 12000 7,5 90 6 55 1 44 105 12000 7,5 70 29 7 55 3 44 105 12000 7,5 98 1,4 8 55 4 44 105 12000 7,5 100 9 80 1 44 105 12000 7,5 90 9,8 10 80 1,5 44 105 12000 7,5 94 5,4 11 80 2 34 105 12000 7,5 98 1,5 12 80 2 54 105 12000 7,5 98 1,6 13 80 2 61 105 12000 7,5 100 1,6 14 80 2 65 105 12000 7,5 87 10,8 15 80 4 65 105 12000 7,5 92 6,7 16 80 2 44 100 12000 7,5 91,5 8,2 17 80 2 4 103 12000 7,5 99 0,6 18 80 2 44 105 10000 7,5 98 1,6 19 80 2 44 105 8000 7,5 87 12,1 20 80 2 44 105 12000 6,8 96 3,9 21 80 2 44 105 12000 8,0 100 22 80 2 44 105 12000 8,5 95 *СА - сульфат амонію, **ДГСА - дигідроксосульфат алюмінію, ***Н/3 нерозчинний залишок. Інтенсивність перемішування, Rе Вміст Н/3*** ДГСА, % 0,5 0,3 7,3 0,6 0,5 0,3 0,4 0,3 0,3 1,3 1,0 0,21 0,2 0,22 0,9 3,8 Таблиця 2 Результати лабораторних досліджень дігідроксосульфату алюмінію в якості коагулянту № Ступінь очищення Доза Аl203, мг/л pH п/п від завислих, % 1 10 84 7,2 2 15 97,5 7,25 3 20 100 7,3 4 25 100 7,32 5 30 100 7,35 6* 25 95 7,5 6* - Оптимальна доза сульфату амонію (взята для порівняння). 3 Остаточний вміст Аl 3, мг/л 0,20 0,18 0,07 0,08 0,10 0,18 36147 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4