פוליכלוריד אלומיניום: מבנה, תכונות, השגה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

סוג של מוצרי אלומיניום אורגניים מסיסים במים נקרא פולי אלומיניום כלוריד , שנוצר על ידי התגובה החלקית של אלומיניום כלוריד AlCl ₃ עם בסיס. זהו מוצק לבן עד צהוב. הנוסחה הכללית שלה באה לידי ביטוי לרוב כאל _n (OH) _m Cl _(3n-m) . הם ידועים גם בשם PAC או גם PACl (PolyAluminum Chloride).

PAC מנוסחים להכיל פולימרים קטיוניים מאוד (קבוצות של מספר מולקולות עם מטענים חיוביים רבים) המורכבים מיוני אלומיניום (Al ³⁺ ), יוני כלוריד (Cl ^- ), יוני הידרוקסיל (OH) ^- ומולקולות מים (H) ₂ O).

פולי אלומיניום כלוריד (PAC) משמש להסרת חומר אורגני ואי-אורגני מהמים בפלוקולטורים של מתקני טיהור שפכים. מחבר: קובינגר. מקור: Pixabay.

הפולימר הקטיוני החשוב ביותר מינים אלה נקרא Al ₁₃ או Keggin-Al13 שהוא יעיל מאוד לטיפול במים ובתעשיית ייצור העיסה והנייר.

ביישומים אלה, ה- PAC דבקים לפני השטח של החלקיקים הגורמים להם להיקשר זה לזה ויכולים להתיישב, כלומר ליפול לתחתית וניתן לסנן אותם.

זה נבדק בהצלחה כדי לשפר את תכונות המלט של פורטלנד, מכיוון שהוא משנה או משנה את המבנה שלו ברמת מיקרו וזה גורם למלט להיות עמיד יותר.

מִבְנֶה

PAC או PACl מורכבים מסדרה של מינים הנעים בין מונומרים (מולקולה בודדת), דימר (שתי מולקולות מחוברות זו לזו), אוליגומרים (שלוש עד חמש מולקולות המחוברות יחד) לפולימרים (מולקולות רבות מחוברות זו לזו).

הנוסחה הכללית שלה היא Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) . כאשר מינים אלה מכילים את היונים A המומסים במים ³⁺ , יוני הידרוקסיל OH ^- , יוני כלוריד Cl ^- ומולקולות מים H ₂ O.

בתמיסה מימית הנוסחה הכללית שלה היא Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} או גם Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

השימושיים ביותר בפולימרים אלה הוא זה הנקרא Al ₁₃ או Keggin-Al13 שהנוסחה שלהם היא AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ . המין אל ₁₃ בעל צורה תלת ממדית.

ההערכה היא שהמבשר לפוליקציה זו הוא Al (OH) ₄ ^- , שיש לו קונפורמציה טטראדראלית ונמצא במרכז המבנה.

מִנוּחַ

- פוליכלוריד מאלומיניום

- PAC (כלוריד פולי אלומיניום)

- PACl (כלוריד פולי אלומיניום)

- פוליאלומיניום כלוריד

- polyhydroxychloride אלומיניום

- אלומיניום הידרוכלוריד או ACH (אלומיניום כלור הידרט).

נכסים

מצב פיזי

מוצק לבן עד צהוב (אבקה) שמתקבל גם בצורה של תמיסות מימיות בריכוזים שונים.

מְסִיסוּת

מסיס במים.

מאפייני PAC מסחריים

ה- PAC השונים נבדלים זה מזה בעיקר בשני דברים:

- חוזקו, מבוטא כאחוז מאלומניום Al ₂ O _3.

- הבסיסיות שלו, המצביעה על כמות החומר הפולימרית ב- PAC, ויכולה להשתנות בין 10% (בסיסיות נמוכה), 50% (בסיסיות בינונית), 70% (בסיסיות גבוהה) ו- 83% (בסיסיות גבוהה ביותר, אשר תואם אלומיניום הידרוכלוריד או ACH).

תכונות כימיות

PAC הוא סוג של מוצרי אלומיניום מסיסים במים. הנוסחה הכללית שלה באה לידי ביטוי לרוב כאל _n (OH) _m Cl _(3n-m) .

מכיוון שהם מיוצרים על ידי תגובת אלומיניום כלוריד (AlCl ₃ ) עם בסיס, הבסיסיות של מוצרים מסוג זה תלויה בכמות היחסית של יוני OH ^- בהשוואה לכמות האלומיניום (Al).

על פי הנוסחה Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) , הבסיסיות מוגדרת m / 3n.

זהו פרוקולנט. יש לו תכונות כמו קלות ספיחה על חלקיקים אחרים בעלי מטען הפוך (הוא דבק על פני השטח של אלה), קרישה (איחוד של כמה חלקיקים שעליהם הוספגה) ומשקעים של קבוצות אלה של חלקיקים מאוחדים.

PACs יכולים להיות לא יציבים מכיוון שהם תלויים ב- pH. הם יכולים להיות מאכלים.

התנהגות ה- PAC במים

על ידי המסת ה- PAC במים ובהתאם ל- pH נוצרים מינים שונים מאלומיניום-הידרוקסיל (Al-OH).

זה הידרוליזה או מגיב עם מים ליצירת מונומרים (מולקולות יחידות), אוליגומרים (3 עד 6 מולקולות מקושרות) ופולימרים (יותר מ- 6 מולקולות מקושרות).

המין החשוב ביותר הוא פולימר עם 13 אטומי אלומיניום, המכונה Keggin-Al13.

הפונקציה של PAC כנוזל עזר

הפולימר Keggin-Al13 סופח על החלקיקים הקיימים במים, כלומר הוא נדבק על פני השטח של אלה וגורם להם להוסיף זה לזה ויוצרים גושים.

גזים הם קבוצות של חלקיקים קטנים מאוד המוגבלים או מאוחדים ליצירת מבנים גדולים יותר שיכולים לשקע, כלומר, לרדת לתחתית הפיתרון המימי.

לאחר יצירת גושים, כשהם גדולים מספיק הם יורדים לקרקעית והפתרון המימי נקי.

מיכלי הדם והמשקעים של מפעל לטיפול במים בהם ניתן להשתמש PAC (אלומיניום כלורי). Qualit-E בוויקיפדיה האנגלית. מקור: Wikimedia Commons.

להשיג

בדרך כלל מתקבלים פתרונות PAC או PACl על ידי הוספת תמיסה בסיסית או אלקלית לתמיסה של אלומיניום כלוריד (AlCl ₃ ).

בכדי להשיג כמות גבוהה של פולימרים של אל ₁₃ , הבסיס או האלקלי שנוספו אסור לספק יוני OH ^- מהר מדי ולא איטי מדי.

כמה מחקרים מצביעים על כך שקשה לייצר ריכוז גבוה ויציב של Al ₁₃ באמצעות NaOH מכיוון שהוא משחרר יוני OH ^- מהר מדי למים.

מסיבה זו עדיפות תרכובות בסיסיות של סידן (Ca), בעלות מסיסות נמוכה במים ובכך משחררות יוני OH ^- לאט. אחת מתרכובות הסידן הבסיסיות הללו היא תחמוצת הסידן CaO.

להלן השלבים שמתרחשים להיווצרות ה- PAC.

הִידרוֹלִיזָה

כאשר מלחי אלומיניום (iii) מתמוססים במים, מתרחשת תגובה הידרוליזה ספונטנית בה קטיון האלומיניום Al ³⁺ לוקח יוני הידרוקסיל OH ^- מהמים ונקשר אליהם, ומשאיר פרוטונים H ⁺ חופשיים:

Al ³⁺ + H ₂ O → Al (OH) ²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → Al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

זה נעזר על ידי הוספת אלקלי, כלומר ^- יוני OH . יון האלומיניום Al ³⁺ מצטרף יותר ויותר ל- OH ^- אניונים :

Al ³⁺ → Al (OH) ²⁺ → Al (OH) ₂ ⁺ → Al (OH) ₃ ⁰ → Al (OH) ₄ ^-

בנוסף ^נוצרים מינים כמו Al (H ₂ O) ₆ ³⁺ , כלומר יון אלומיניום כבול או מתואם עם שש מולקולות מים.

פילמור

לאחר מכן נוצרים קשרים בין מינים אלה ויוצרים דימרים (קבוצות של 2 מולקולות) וטרימרים (קבוצות של 3 מולקולות) שהופכים לאוליגומרים (סטים של 3 עד 5 מולקולות) ופולימרים (קבוצות של מולקולות מחוברות רבות).

Al (OH) ₂ ⁺ → Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ → Al ₃ (OH) ₅ ⁴⁺ → Al ₆ (OH) ₁₂ ⁶⁺ → Al ₁₃ (OH) ₃₂ ⁷⁺

סוג זה של סוגים מקושר על ידי גשרים של OH זה עם זה ועם Al (H ₂ O) ₆ ³⁺ ויוצרים קבוצות של מולקולות שנקראות מתחמי הידרוקסי או פוליקציות או הידרוקסיפולימרים.

הנוסחה הכללית של פולימרים קטיוניים אלה היא Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} או גם Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +} .

פולימר חשיבות

השימוש המועיל ביותר בפולימרים אלה הוא מה שמכונה Al ₁₃ שהפורמולה שלו היא AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ , והיא מכונה גם Keggin-Al13.

זהו מין עם 7 מטענים חיוביים (כלומר קטיון בהיערך) עם 13 אטומי אלומיניום, 24 יחידות יחידות, 4 אטומי חמצן, ו 12 יחידות H ₂ O מים .

יישומים

- בטיפול במים

PACl הוא מוצר מסחרי לטיפול במים ולהפיכתם לשתייה (נקיה ושתייה). זה גם מאפשר לטפל בפסולת ובמים תעשייתיים.

ניתן לשתות את המים אם מטפלים בהם עם אלומיניום כלוריד פולי (PAC). מחבר: ExplorerBob. מקור: Pixabay.

הוא משמש כחומר קרישה בתהליכי שיפור מים. זה יעיל יותר מאשר סולפט אלומיניום. ביצועיו או התנהגותו תלויים במין הקיים, התלוי ב pH.

איך זה עובד

PACl מאפשר לקרישה של חומר אורגני וחלקיקים מינרליים. קרישה פירושה שהתרכובות שיש לבטל עוברות ממוססות להיות מוצקות. זה מושג באמצעות יחסי גומלין של המטענים החיוביים שלו עם השלילי של החומרים שיש לקרש.

ההערכה היא שמינים של אל ₁₃ , בעלי מטענים חיוביים רבים כל כך (+7), הם היעילים ביותר לנטרול מטענים. ואז יש היווצרות גשרים בין החלקיקים המתאגדים ויוצרים גושים.

להקות אלה, בהיותם כבדים מאוד, נוטים לשקע או להתיישב, כלומר לרדת לתחתית המכולה המכילה את המים המטופלים. בדרך זו ניתן להסירם באמצעות סינון.

פולי אלומיניום כלוריד (PAC) משמש לשקעי חומר אורגני ואורגני במפעלי טיהור שפכים. חיל המהנדסים של צבא ארה"ב. מקור: Wikimedia Commons.

יתרון

PAC עדיף על סולפט אלומיניום מכיוון שיש לו ביצועים טובים יותר בטמפרטורה נמוכה, משאיר פחות שאריות אלומיניום, מייצר פחות נפח בוצה, פחות השפעה על pH המים, ונוצרים גזים מהירים וגדולים יותר. כל זה מאפשר משקעים לסינון שלאחר מכן.

ניתן לטהר מי בריכה בעזרת כלוריד פולי אלומיניום (PAC). מחבר: Kalhh. מקור: Pixabay.

בתעשיית העיסה והנייר

PAC יעיל במיוחד לשינוי חומרי מילוי קולואידיים בייצור נייר. מטענים קולואידיים הם המטענים של המוצקים התלויים בתערובות לייצור עיסת נייר.

זה מאפשר להאיץ את מהירות הניקוז (חיסול מים) במיוחד בתנאים ניטרליים ובסיסיים, ומסייע בשמירה של מוצקים. המוצקים הם אלו שלאחר מכן, בעת הייבוש, יוצרים את הנייר.

ביישום זה משתמשים ב- PAC עם יסודות נמוכים (0-17%) ובינוניים (17-50%).

בטחנות עיסת ונייר, משמש כלוריד פולי אלומיניום (PAC) כדי לסייע בתהליך המשקעים. מחבר: 151390. מקור: Pixabay.

- לשיפור המלט

לאחרונה (2019) נבדק הוספת PACl למלט פורטלנד. לעניין זה נקבע כי הנוכחות של Cl ^- יונים כלוריד ושל קבוצות אלומיניום פולימריים לשנות את מבנה הבטון. ההערכה היא כי נוצרים מלחים מורכבים עם הפורמולה 3CaO.Al ₂ O ₃ .CaCl ₂ .10H ₂ O.

ניתן לשפר את הבטון הבנייה בעזרת אלומיניום כלוריד פולי (PAC). סקיז. מקור: Wikimedia Commons.

מהתוצאות עולה כי PACl משפר את תכונות המלט, מקטין את מספר המיקרופוריות (חורים קטנים מאוד) והמטריקס הופך צפוף וקומפקטי יותר, ולכן ההתנגדות לדחיסה עולה.

ההשפעה עולה עם התגברות התוכן של PACl. המחקר מאשר כי הוספת PACl למלט פורטלנד מייצרת תערובת בעלת תכונות מכניות ומיקרו-מבניות מעולות.

עם כלוריד פולי אלומיניום נקבוביות המלט יורדת והוא הופך להיות עמיד יותר. Blackblack111. מקור: Wikimedia Commons.

הפניות

1. קים, ט 'ואח'. (2019). בחינת ההשפעות של פוליאלומיניום כלוריד על תכונותיו של מלט פורטלנד רגיל. חומרים 2019, 12, 3290. התאושש מ- mdpi.com.
2. לי, י 'ואח'. (2019). אופטימיזציה של נוזל פוליוקלומיניום כלוריד-צ'יטוסאן לטיפול בגרחת ביוגז חזיר בשיטת משטח התגובה Box-Behnken. בי. ג'יי סביבה. מילואים בריאות הציבור, 2019, 16, 996. התאושש מ- mdpi.com.
3. הובה, מ. פוליאלומיניום כלוריד (PAC). מיני אנציקלופדיה של כימיה רטובה של נייר. התאושש מ- projects.ncsu.edu.
4. טאנג, ח 'ואח'. (2015). מנגנוני אפיון, יציבות וקרישה של אשכולות אלומיניום הידרוקסיל נוצר על ידי PACl ואלום: סקירה ביקורתית. Advi Colloid Sci 2015; 226 (נק 'א): 78-85. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.
5. בוטרו, JY ואח '. (1980). מחקרים על פתרונות כלוריד אלומיניום הידרולי. 1. אופי המינים האלומיניום והרכבם של תמיסות מימיות. כתב העת לכימיה פיזיקלית, כרך 84, מס '22, 1980. נשלח מ- pubs.acs.org.
6. Zhao, H.-Z. ואח '. (2009). פוליאלומיניום כלוריד בריכוז גבוה: הכנה והשפעות של ריכוז Al על התפלגות ושינוי מינים של Al. כתב עת להנדסה כימית 155 (2009) 528-533. התאושש מ- sciencedirect.com.
7. ג'יה, ז 'ואח'. (2004). סינתזה של פוליאלומיניום כלוריד עם כור ממברנה: אפקטים של פרמטרים הפעלה ונתיבי תגובה. תעשיות תעשיות כימיות, 2004, 43, 12-17. התאושש מ- pubs.acs.org.
8. GEO כימיקלים ייחודיים. פוליאלומיניום כלוריד (PAC). התאושש מ- geosc.com.