Как приготовить хлорид алюминия

Способ получения основного хлорида алюминия

Изобретение относится к способам получения основного хлорида алюминия, используемого в качестве коагулянта для очистки питьевой воды, компонента медицинских препаратов и парфюмерно-косметических изделий. Способ включает взаимодействие водного раствора соляной кислоты с металлическим алюминием при повышенной температуре. Металлический алюминий используют в виде промышленных слитков алюминия с кажущейся плотностью (2,2-2,6)10 3 кг/м 3 . Это позволяет получить чистый основной хлорид алюминия и сократить время процесса. 1 табл.

Изобретение относится к химической технологии, в частности к способу получения основного хлорида алюминия, применяемого в производстве воды питьевого качества, медицинских препаратов и парфюмерно-косметических изделий.

Известен способ получения основных хлоридов алюминия нейтрализацией (гидролизом) безводного хлорида алюминия водой при соотношении AlCl₃ : H₂O = 1:(1-4) при температуре 20-95 o C (SU, 952741, C 01 F 7/56, 23.08.82).

В качестве безводного хлорида алюминия предложено использовать отходы производства хлорида алюминия, содержащие 0,5-10,0 мас.% металлического алюминия.

Недостатком данного изобретения является использование достаточно специфического сырья, его нестабильный состав, высокая экзотермичность процесса, сопровождающегося выделением значительных количеств газообразной соляной кислоты, а также нестабильное качество (по химическому составу) получаемого основного хлорида алюминия.

Известен способ получения растворов основных хлоридов алюминия путем смешения гидроксида алюминия с соляной кислотой и последующей нейтрализацией полученного раствора металлическим алюминием в количестве, обеспечивающем образование основных хлоридов состава Al_n(OH)_3n-1Cl, где n = 1-3. При использовании в качестве исходного сырья химических реагентов с содержанием основного вещества 98-99 мас.% способ позволяет получить основные хлориды заданного состава и высокой степени чистоты. (SU, 260624, C 01 F 7/56, 24.06.75) К недостаткам способа следует отнеси сложность реализации процесса растворения гидроксида алюминия в растворе соляной кислоты при температуре 110 o C под давлением 2-4 атм. с получением раствора трихлорида алюминия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения основных хлоридов алюминия путем взаимодействия металлического алюминия с раствором соляной кислоты, содержащим 5-15 мас.% HCl при температуре 70-95 o C. Получаемые по данному способу основные хлориды алюминия имеют общую формулу Al₂(OH)_6-nCl_n, где n = 1-5. (SU, 3891745, C 01 F 7/56, 24.06.75) Взаимодействие алюминия с раствором соляной кислоты осуществляют в реакторе колонного типа с неподвижным слоем, в качестве которого используют отходы алюминия или его сплавов в виде стружки, обрези листа, проволоки, с насыпной плотностью (0,3-0,8) 10 3 кг/м 3 . Раствор основного хлорида, получаемый по такому способу, имеет pH = 3-4. Синтез раствора основного хлорида алюминия осуществляют в течение 2-8 часов.

К недостаткам известного способа следует отнести необходимость предварительной подготовки исходного сырья — обезжиривания, сортировки по качеству при использовании отходов металлического алюминия, при использовании промышленных слитков — необходимость предварительной обработки для получения материала с насыпной плотностью (0,3 — 0,8) кг/м 3 . Кроме того, использование в технологи проволоки, гранул, либо специально изготовленной стружки из слитков чистого металла экономически не оправдано из-за существенного увеличения стоимости сырья.

Промышленным сырьем для реализации известного способа получения основных хлоридов алюминия высокой чистоты может рассматриваться, по нашему мнению, лишь металл в слитках с содержанием основного вещества 98-99% при массе единичного слитка 15-20 кг. Однако использование алюминия в слитках по известному способу приводит к увеличению времени синтеза основных хлоридов алюминия до 100 ч и более. Использование же в качестве ускорителей процесса добавок в виде солей меди, кадмия, серебра, талия, железа, свинца, никеля, олова, глюкозы и полисахаридов приводит в конечном результате к загрязнению конечного продукта примесями перечисленных соединений, а применение методов очистки растворов основных хлоридов значительно усложняет технологический процесс.

Перед изобретателями стояла задача — интенсифицировать процесс получения чистых растворов основного хлорида алюминия при переработке промышленных слитков металлического алюминия с содержанием 98-99 мас.% Al.

Поставленная задача решается следующим образом. При получении основного хлорида алюминия путем взаимодействия водных растворов соляной кислоты с металлическим алюминием при повышенной температуре в качестве металлического алюминия предлагается использовать промышленные слитки алюминия с кажущейся плотностью (2,2-2,6) 10 3 кг/м 3 . Снижение плотности металлического алюминия достигается за счет газонасыщения расплава и получения слитков пористого металла на стадии кристаллизации в технологии металлургического производства. При использовании металла с кажущейся плотностью менее 2,2 10 3 кг/м 3 в технологии получения раствора основного хлорида алюминия сокращения времени синтеза незначительно по отношению к затратам на получение промышленных слитков с требуемой плотностью, что в конечном итоге приводит к удорожанию сырья и готового продукта.

При использовании металлического алюминия с кажущейся плотностью более 2,6 10 3 кг/м 3 значительно возрастает продолжительность синтеза основного хлорида алюминия.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами.

Пример 1. В реактор-растворитель емкостью 1,2 м 3 загружают 751 кг слитков металлического алюминия (средняя масса слитков 15+0,5 кг, содержащих 98,2 мас. % основного вещества и имеющих плотность 2,60 10 3 кг/м 3 . В реактор емкостью 2,5 м 3 заливают 800 л раствора соляной кислоты, содержащей 11 мас. % HCl. Взаимодействие раствора соляной кислоты с алюминием осуществляют путем циркуляции раствора через реактор-растворитель с помощью циркуляционного насоса производительностью до 45 м 3 /ч.

В процессе синтеза в приемной емкости поддерживается постоянный уровень солянокислых растворов за счет дополнительной подачи воды. В процессе синтеза температура реакционной смеси возрастает с 20 до 95 o C.

Продолжительность составила 10 часов. Полученный раствор плотностью 1,2910 3 кг/м 3 , содержащий 18,2 мас. % основного вещества в пересчете на Al₂O₃, 7,0 мас.% хлора и имеющий атомное отношение хлора к алюминию равным 0,55 сливают в виде готового продукта.

Примеры 2-5 проведены по методике примера 1, полученные данные сведены в таблице. В качестве исходного сырья во всех примерах использовали соляную кислоту концентрацией 11 мас.%, точность дозировки составляла 10 л.

По данным атомно-адсорбционного метода анализа раствор основного хлорида алюминия, полученный в примерах 1-5, включал следующие примеси, 10 6 кг/кг (x1 мг/кг) Медь — 0,120 Никель — 0,065 Марганец — 1,020 Железо — 9,64 Ртуть — 0,02 Свинец — 0,004 Цинк — 0,220
Мышьяк — 0,005
Хром — 0,198
Кадмий — Ниже чувствит.метода
Бериллий — Ниже чувствит. метода
Бор — 0,0018
Стронций — 0,005
Молибден — 0,001
Сурьма — 0,001
Барий — 0,001
Вольфрам — 0,010
Титан — 0,0008
Ванадий — 0,16
Селен — 0,005
Кобальт — 0,001
Олово — 0,019
Незначительное содержание примесей в растворе основного хлорида алюминия позволяет использовать его в качестве коагулянта для очистки питьевой воды, компонента медицинских препаратов и парфюмерных изделий.

Предлагаемый способ получения основного хлорида алюминия позволяет интенсифицировать процесс получения чистого раствора продукта при использовании слитков чистого металлического алюминия за счет использования пористого металла с кажущейся плотностью (2,2-2,6) 10 3 мг/м 3 без применения дополнительных методов очистки раствора от примесей. Полученный по предлагаемому способу чистый раствор основного хлорида алюминия прошел испытания в УНИХИМе (НПО «Кристалл», г. Екатеринбург), сертифицирован Свердловским областным Центром Государственного санэпидемнадзора и по результатам испытания признан не обладающим острой токсичностью. Технологический процесс прошел испытания на опытной установке ОАО «Сорбент» (г. Пермь). Опытные партии продукта прошли испытания на МП «Пермводоканал», станциях водоочистки Г. Глазова, гг. Чайковский, Добрянка Пермской области с положительным результатом. По заключению ВНИИ ВОДГЕО (г. Москва) чистые растворы основного хлорида алюминия высокоэффективны для технологий хозяйственно-питьевого водоснабжения северных районов России. Промышленное производство продукта освоено на ОАО «Сорбент».

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 952741, C 01 F 7/56, 23.08.82.

2. Авторское свидетельство СССР N 260624, C 01 F 7/62, 06.01.70.

3. Патент США N 3891745, кл. 423-462, 24.06.75.2

Способ получения основного хлорида алюминия путем взаимодействия водного раствора соляной кислоты с металлическим алюминием при повышенной температуре, отличающийся тем, что в качестве металлического алюминия используют промышленные слитки алюминия с кажущейся плотностью (2,2 — 2,6) 10 3 кг/м 3 .

Источник

Способ получения основного хлорида алюминия

Владельцы патента RU 2481270:

Изобретение относится к области химии. Берут активный гидроксид алюминия с удельным объемом пор не менее 0,2 см 3 /г и средним диаметром пор не менее 2,5 нм и обрабатывают его газообразной соляной кислотой при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 1-15:1 до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1-4,5:1. Для обработки гидроксида алюминия можно использовать газообразную соляную кислоту, полученную путем обработки хлорида натрия 90-94% серной кислотой, или путем продувки воздухом раствора 30-37% соляной кислоты. Изобретение позволяет снизить энергозатраты и является более экологичным ввиду отсутствия жидких и твердых отходов. 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

Изобретение относится к способам получения основного хлорида алюминия, используемого преимущественно в качестве коагулирующего реагента в процессах водоочистки и водоподготовки.

Большинство существующих способов получения основного хлорида алюминия заключается в растворении металлического алюминия в соляной кислоте при заданном соотношении реагентов и концентрировании полученного раствора, обычно упариванием. Главным недостатком этих способов является использование дорогостоящего и дефицитного металлического алюминия. Более предпочтительно получение основного хлорида алюминия с использованием вместо металлического алюминия более дешевого гидроксида алюминия. Однако известные способы не позволяют обеспечить достаточно высокую основность получаемого хлорида алюминия, являются энергоемкими и многостадийными. Кроме того, эти способы связаны с образованием жидких или твердых отходов, что снижает их экологичность.

Известен способ получения основного хлорида алюминия (см. патент РФ 2237021, МПК 7 C01F 7/60, C02F 1/52, 2004) из отходов электролитического травления алюминиевых изделий в среде хлорида натрия, содержащих 26-30% Al(OH)₃, включающий растворение отходов в соляной кислоте при массовом соотношении Al(OH)₃:HCl=1:0,8-1,2 и температуре кипения раствора (102-105°C) в течение 3 часов. Введение отходов в соляную кислоту ведут порционно в 2-4 приема. Получают раствор основного хлорида алюминия общей формулы Al(OH)_3-nCl_n, где n=2,26-2,85, что соответствует молярному отношению Al:Cl, равному 0,35-0,44:1. Степень извлечения алюминия в раствор основного хлорида составляет при этом 58-89%.

Данный способ характеризуется относительно низкой основностью получаемого хлорида алюминия, так как молярное отношение Al:Cl не превышает 0,44:1 при узком диапазоне основности (0,35-0,44:1). Способ отличается высокой энергоемкостью, поскольку растворение ведется при температуре кипения раствора в течение длительного времени, и многостадийностью. Все это снижает эффективность получения основного хлорида алюминия. Кроме того, с учетом неполноты извлечения алюминия образуются твердые отходы, требующие утилизации.

Известен также принятый в качестве прототипа способ получения основного хлорида алюминия (см. патент Украины 59047, МПК 7 C01F 7/56, 7/60, 2003), включающий смешение аморфного технического гидроксида алюминия с концентрированной (33%) соляной кислотой при молярном отношении гидроксида алюминия и соляной кислоты 1:2,0-3,3, нагревание полученной смеси до 90-100°C и выдержку при этой температуре в течение 4 часов при перемешивании. После отделения фильтрацией нерастворимых твердых примесей и непрореагировавшего гидроксида алюминия, масса которого составляет 10-25% от исходной массы гидроксида алюминия, фильтрат упаривают при температуре 80-140°C и остаточном давлении 1,33·10 3 -2,0·10 3 Па с отгонкой воды и остаточной соляной кислоты. Получают хорошо растворимый в воде сухой основный хлорид алюминия состава Al(OH)_3-nCl_n, где n=0,5-1,0, что соответствует молярному отношению Al:Cl, равному 1-2:1.

Известный способ характеризуется недостаточно высокой основностью получаемого хлорида алюминия, так как молярное отношение Al:Cl не превышает 2:1 и имеет относительно узкий диапазон основности (1-2:1). Способ является высокоэнергоемким и многостадийным. Все это снижает эффективность получения основного хлорида алюминия. Кроме того, с учетом образующихся твердых отходов и жидких отходов в виде конденсата разбавленной соляной кислоты, требующих утилизации, способ недостаточно экологичен.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности получения основного хлорида алюминия за счет расширения диапазона основности в сторону более высоких ее значений и снижения энергоемкости способа при одновременном сокращении числа операций. Кроме того, техническим результатом является повышение экологичности способа.

Технический результат достигается тем, что в способе получения основного хлорида алюминия, включающем солянокислотную обработку активного гидроксида алюминия, согласно изобретению, используют активный гидроксид алюминия с удельным объемом пор не менее 0,2 см 3 /г и средним диаметром пор не менее 2,5 нм, обработку гидроксида алюминия ведут газообразной соляной кислотой при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 1-15:1 до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1-4,5:1.

Технический результат достигается также тем, что используют газообразную соляную кислоту, полученную путем обработки хлорида натрия 90-94% серной кислотой.

Технический результат достигается и тем, что используют газообразную соляную кислоту, полученную путем продувки воздухом раствора 30-37% соляной кислоты.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор не менее 0,2 см 3 /г и средним диаметром пор не менее 2,5 нм обусловлено тем, что помимо высокой химической активности такой гидроксид алюминия имеет высокую сорбционную способность по отношению к молекулам газообразных веществ, в частности газообразной соляной кислоты. В процессе обработки газообразной соляной кислотой активного гидроксида алюминия, имеющего вышеуказанные характеристики, обеспечивается свободное проникновение молекул газообразной соляной кислоты в поры гидроксида алюминия, достаточно равномерно распределенные по всему объему, в результате чего химическая реакция с образованием основного хлорида алюминия протекает в каждой точке объема реакционной массы.

При величине удельного объема пор активного гидроксида алюминия менее 0,2 см 3 /г поры недостаточно равномерно распределены по объему, что приводит к неполноте протекания химической реакции с образованием основного хлорида алюминия. При величине среднего диаметра пор менее 2,5 нм существенно затрудняется проникновение молекул газообразной соляной кислоты в поры гидроксида алюминия, что также приводит к неполноте химической реакции.

Обработка активного гидроксида алюминия, имеющего вышеуказанные характеристики, газообразной соляной кислотой, обладающей исключительно высокой реакционной способностью, позволяет в сочетании с высокой реакционной способностью активного гидроксида алюминия осуществить получение основного хлорида алюминия в условиях твердофазного процесса при температуре окружающей среды в одну стадию без образования жидких и твердых отходов.

Обработка гидроксида алюминия при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе, равном 1-15:1, обеспечивает быстрое протекание химической реакции с образованием хлорида алюминия высокой основности. При массовом соотношении HCl:H₂O менее 1:1, в силу высокого содержания паров воды в газовой фазе, существенно затрудняется проникновение молекул газообразной соляной кислоты в поры гидроксида алюминия, что препятствует протеканию химической реакции. При массовом соотношении HCl:H₂O более 15:1 количества паров воды в газовой фазе недостаточно для полного взаимодействия гидроксида алюминия с газообразной соляной кислотой.

Обработка активного гидроксида алюминия до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1-4,5:1, обеспечивает получение хлорида алюминия достаточно высокой основности при одновременном расширении ее диапазона в сторону более высоких значений. Обработка до молярного отношения Al:Cl менее 1:1 приводит к образованию хлорида алюминия низкой основности при неоправданном увеличении продолжительности процесса и повышении расхода газообразной соляной кислоты. Обработка до молярного отношения Al:Cl более 4,5:1 приводит к образованию основного хлорида алюминия в водонерастворимой форме.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в расширении диапазона основности в сторону более высоких ее значений и снижении энергоемкости способа при одновременном сокращения числа операций. Все это повышает эффективность получения основного хлорида алюминия и экологичность способа.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие конкретные операции и режимные параметры.

Использование газообразной соляной кислоты, полученной путем обработки хлорида натрия 90-94% серной кислотой, предпочтительно с учетом того, что данный процесс получения газообразной соляной кислоты не требует применения дефицитных и дорогостоящих реагентов и специального оборудования, что способствует повышению эффективности способа.

Использование газообразной соляной кислоты, полученной путем продувки воздухом раствора 30-37% соляной кислоты, способствует снижению энергоемкости способа, поскольку по такому варианту осуществления способа кислотный реагент образуется самопроизвольно при температуре окружающей среды и не требует дополнительных энергетических затрат, а также соответствует требуемому массовому соотношению HCl:H₂O в газовой фазе.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения повышения эффективности получения основного хлорида алюминия и улучшения экологичности способа.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,2 см 3 /г и средним диаметром пор 2,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 1:1. Газообразную соляную кислоту получают путем обработки хлорида натрия 90% серной кислотой. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1:1. Получают 28,6 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al(OH)₂Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 2. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,35 см 3 /г и средним диаметром пор 3 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 9:1. Газообразную соляную кислоту получают путем обработки хлорида натрия 94% серной кислотой. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 4:1. Получают 22,8 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₄(ОН)₁₁Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 3. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,44 см 3 /г и средним диаметром пор 4,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 3:1. Газообразную соляную кислоту получают согласно Примеру 1. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 2:1. Получают 27,0 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₂(OH)₅Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 4. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,52 см 3 /г и средним диаметром пор 5,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 4:1. Газообразную соляную кислоту получают путем продувки воздухом раствора 30% соляной кислоты. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 3:1. Получают 24 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₃(OH)₈Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 5. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,62 см 3 /г и средним диаметром пор 6,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 15:1. Газообразную соляную кислоту получают путем продувки воздухом раствора 37% соляной кислоты. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 4,5:1. Получают 22,3 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₉(OH)₂₅Cl₂. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Из приведенных Примеров видно, что заявляемый способ позволяет получить в условиях твердофазного процесса основный хлорид алюминия с молярным отношением Al:Cl, равным 1-4,5:1, что соответствует более широкому диапазону основности по сравнению с прототипом (Al:Cl равно 1-2:1). При этом диапазон основности расширяется в сторону более высоких ее значений. Способ по изобретению является менее энергоемким, так как осуществляется без подогрева реагентов при температуре окружающей среды, и реализуется в одну стадию. Все это повышает эффективность получения основного хлорида алюминия. Кроме того, способ является более экологичным ввиду отсутствия жидких и твердых отходов, он относительно прост и может быть реализован с привлечением стандартного технологического оборудования.

1. Способ получения основного хлорида алюминия, включающий солянокислотную обработку активного гидроксида алюминия, отличающийся тем, что используют активный гидроксид алюминия с удельным объемом пор не менее 0,2 см 3 /г и средним диаметром пор не менее 2,5 нм, обработку гидроксида алюминия ведут газообразной соляной кислотой при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 1-15:1 до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1-4,5:1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют газообразную соляную кислоту, полученную путем обработки хлорида натрия 90-94%-ной серной кислотой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют газообразную соляную кислоту, полученную путем продувки воздухом раствора 30-37%-ной соляной кислоты.

Источник