一种能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无机絮凝剂领域。
【背景技术】
[0002] 1884年，美国人海亚特取得了用硫酸铝净水的专利权，这可能是最早的以无机物 为絮凝剂来处理水的技术。上世纪60年代，研究人员开发出了无机高分子絮凝剂，无机高 分子絮凝剂比无机小分子絮凝剂具有更好的絮凝效果，从此净水技术取得了大步的进展。 然而，无机高分子絮凝剂的剂型几乎都是水溶液，这就提高了其长途运输的成本。如果将无 机高分子絮凝剂制成固相的剂型，需要消耗大量的能源；同时，长时间的加热也能导致无机 高分子絮凝剂中的分子进一步水解，因而改变了絮凝剂的性能。所以通过蒸发浓缩的技术 制造固相无机高分子絮凝剂并不是一个很好的方法，能否不通过蒸发过程直接制得固相的 絮凝剂，是一个值得开发的技术。
【发明内容】
[0003] 本发明第一方面提供了一种能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂，其为冻状 物，呈乳白色，在室温下放置2-30天后能够自动液化为无色透明液体。
[0004] 在本发明优选的实施方案中，所述能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂在室 温下放置2-5天后能够自动液化为无色透明液体。
[0005] 本发明第二方面提供了一种本发明第一方面所述的能自动液化的聚合硫酸氯化 铝凝胶絮凝剂的制备方法，其包括以下步骤：
[0006] 1)在室温下配制含有硫酸铝和氯化铝的水溶液，其中硫酸铝：三氯化铝= 1:3-1:6,摩尔比；
[0007] 2)在室温下，在搅拌下向上述水溶液中滴加碳酸钠水溶液，控制盐基度为 1. 3-1. 5,滴加完毕后继续搅拌20-40min ;然后
[0008] 3)将整个反应体系升温至40_80°C，继续反应1-4小时；然后降至室温，进行离心 分离，分别获得所述能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂和聚合硫酸氯化铝絮凝剂水 溶液；
[0009] 其中所述室温为15-35°C。
[0010] 在该制备方法中，能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂和聚合硫酸氯化铝絮 凝剂水溶液在同一反应体系中获得。将所述能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂在室 温下存放2-5天后，可以得到液态聚合硫酸氯化铝絮凝剂；其中所述室温为15-35°C。其中 所述能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶也可以称为聚铝自液化无机凝胶。
[0011] 其中"盐基度"（Basicity，或称"碱基度"，缩写为B)是用来衡量金属离子水解 程度的一种指标，是指该金属离子当前已经结合的氢氧根摩尔数与该金属离子的摩尔数 之比。例如，Al3+完全水解成为Al(OH) 3时，其盐基度B的值为3 ;而当Al3+部分水解成为 Al(OH) 2+时，其盐基度B的值为2,以此类推。本发明中，可通过1摩尔碳酸钠产生2mol摩 尔氢氧根的化学计量关系式来计算达到特定的盐基度需要的碳酸钠的数量，作为碳酸钠的 加入量的判断依据。
[0012] 发明详述
[0013] 以下详细说明本发明的能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂的制备方法中 的各个步骤：
[0014] 1)在室温下配制含有硫酸铝和氯化铝的水溶液：
[0015] 将十八水合硫酸铝配制成质量百分比浓度为20-46%的水溶液（用无水硫酸铝配 制成质量百分比浓度为15-23%的溶液）；将三氯化铝配制成质量百分比浓度为10-20%的 水溶液；再将两种溶液混合即可，其中硫酸铝：三氯化铝=1:3-1:6,优选地硫酸铝：三氯 化错=1:3-1:5,更优选地硫酸错：三氯化错=1:4-1:5,摩尔比。
[0016] 或者，在合成实验中，也可以将十八水合硫酸铝、三氯化铝的固体按上面要求的比 例直接投入反应器内，然后加水调成溶液，溶液的总浓度控制在10-40%。也可以首先溶解 硫酸铝，然后再加入三氯化铝制取混合溶液，然后将混合溶液放入反应器中。
[0017] 贯穿本专利全文，室温是指15-35°c。
[0018] 2)加入碳酸钠溶液进行反应：
[0019] 室温下将适量的上述含有硫酸铝和三氯化铝的水溶液放入带有搅拌器的反应器 中，在搅拌下滴入适量的碳酸钠水溶液。滴加完毕后，继续搅拌20-40min。其中控制碳酸钠 的加入量使三价铝离子的盐基度B= 1. 3-1. 5 (优选地B= 1. 3-1. 4)，此时能获得适量的凝 胶；
[0020] 3)然后将整个反应体系升温至40-80°C，继续反应1-4小时；然后降至室温，进行 离心分离，分别获得所述能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂和聚合硫酸氯化铝絮凝 剂水溶液。
[0021] 其中所述室温为15-35°C。
[0022] 将所述能自动液化的聚合硫酸氯化铝凝胶絮凝剂在室温下存放2-5天后，使其转 变为液体，得到液态聚合硫酸氯化铝絮凝剂；其中所述室温为15_35°C。
[0023] 无机聚合物分子在水溶液中形成多面体的形态，如果这些微小的颗粒能凝结成较 大的颗粒就能够以凝胶状态沉淀下来。凝结的性能一方面与聚合物的分子量有关，聚合物 分子颗粒的体积越大凝结性能越强，最终聚合物分子在铝离子以单体状态完全溶解的情况 下以凝胶状态沉淀下来。凝结的性能另一方面也与形成的多面体表面的官能团有关，如果 这些官能团具有比较强的凝聚能力，就具有比较强的凝结性能，从而促使凝胶的生成。
[0024] 凝胶絮凝剂必须具有易溶解的特性，其越容易溶解，絮凝性能就可能更好，因为溶 解性能与分子的分散状况有关，分子越容易分散，就越容易达到最好的絮凝效果。相反，如 果凝胶絮凝剂溶解度较低，意味着其分子之间容易聚集在一起，分子在水中的分散也不会 非常的充分，这样就降低了凝胶絮凝剂的絮凝性能。
[0025] 本发明以硫酸铝、氯化铝和碳酸钠为原料，通过控制硫酸铝和氯化铝的添加比例 来控制SO42和Cl的比例。由于SO42与Cl电荷数量的区别以及体积的区别，它们之间比 例的改变也能调控形成的分子多面体的结构以及分子多面体表面电荷的分布状况。碳酸钠 的用量决定铝离子携带OH数量，碳酸钠的加入使聚合物分子多面体内部和表面具有3种 负离子。其中SO42和OH之间形成氢键是使分子多面体聚集在一起形成凝胶的主要原因， 如果SO42和OH的数量不足，凝胶不能产生；如果SO42和OH的数量过多，分子多面体的凝 聚力必然较大，凝胶的溶解性能及在水中的分散性能下降，絮凝效果不好。所以硫酸铝和氯 化铝的比例应该适当，氯化铝的用量能够改变SO42的数量和它们之间的距离，也就是对凝 胶性能产生影响，加之适当的碳酸钠用量才能获得絮凝效果比较好的凝胶。发明人在实验