Struttura, proprietà, ottenimento, usi del policloruro di alluminio

È chiamato policloruro di alluminio a una classe di prodotti di alluminio inorganici solubili in acqua, formati dalla reazione parziale del cloruro di alluminio AlCl₃ con una base. È un solido da bianco a giallo. La sua formula generale è spesso espressa come Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Sono anche conosciuti come PAC o anche PACl (acronimo di inglese Cloruro di polialluminio).

I PAC sono formulati in modo da contenere polimeri altamente cationici (assemblaggi di diverse molecole con molte cariche positive) costituiti da ioni di alluminio (Al³⁺), ioni cloruro (Cl^-), ioni idrossile (OH)^- e molecole d'acqua (H._DueO).

Il polimero cationico più importante di queste specie si chiama Al₁₃ o Keggin-Al13 che è molto efficace nel trattamento dell'acqua e nell'industria della produzione di pasta di legno e carta.

In queste applicazioni i PAC aderiscono alla superficie delle particelle facendole legare tra loro e possono depositarsi, cioè cadere verso il basso e possono essere filtrate..

Inoltre è stato testato con successo per migliorare le proprietà del cemento Portland, in quanto modifica o cambia la sua struttura a livello micro e questo rende il cemento più resistente.

Indice articolo

• 1 Struttura
• 2 Nomenclatura
• 3 Proprietà
  • 3.1 Stato fisico
  • 3.2 Solubilità
  • 3.3 Caratteristiche dei PAC commerciali
  • 3.4 Proprietà chimiche
  • 3.5 Comportamento del PAC in acqua
  • 3.6 Ruolo del PAC come flocculante
• 4 Ottenimento
  • 4.1 Idrolisi
  • 4.2 Polimerizzazione
  • 4.3 Importanza polimero
• 5 Usi
  • 5.1 - Nel trattamento dell'acqua
  • 5.2 -Nell'industria manifatturiera della cellulosa e della carta
  • 5.3 - Per migliorare il cemento
• 6 Riferimenti

Struttura

PAC o PACl è costituito da una serie di specie che vanno da monomeri (una singola molecola), dimeri (due molecole unite insieme), oligomeri (da tre a cinque molecole unite insieme) a polimeri (molte molecole unite insieme).

La sua formula generale è Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Quando disciolte in acqua queste specie contengono ioni Al³⁺, ioni idrossile OH^-, ione cloruro Cl^- e molecole d'acqua H_DueO.

In soluzione acquosa la sua formula generale è Al_X(OH)_Y(H._DueO)_n^(3x-y)+ o anche Al_XO_z(OH)_Y(H._DueO)_n^(3x-y-2z)+.

Il più utile di questi polimeri si chiama Al₁₃ o Keggin-Al13 la cui formula è AlO₄Al₁₂(OH)₂₄(H._DueO)₁₂⁷⁺. La specie Al₁₃ ha una forma tridimensionale.

Si stima che il precursore di questa policazione sia Al (OH)₄^-, che presenta una conformazione tetraedrica e si trova al centro della struttura.

Nomenclatura

- Policloruro di alluminio

- PAC (acronimo dell'inglese Cloruro di alluminio poli)

- PACl (acronimo di inglese Cloruro di alluminio poli)

- Cloruro di polialluminio

- Poliidrossicloruro di alluminio

- Cloridrato di alluminio o ACH (acronimo di inglese Cloridrato di alluminio).

Proprietà

Stato fisico

Solido (polvere) da bianco a giallo ottenuto anche sotto forma di soluzioni acquose di diverse concentrazioni.

Solubilità

Solubile in acqua.

Caratteristiche dei PAC commerciali

I vari PAC differiscono l'uno dall'altro principalmente per due cose:

- La sua forza, espressa come% di allumina Al_DueO_3.

- La sua basicità, che indica la quantità di materiale polimerico nel PAC, e può variare tra 10% (basicità bassa), 50% (basicità media), 70% (basicità alta) e 83% (basicità massima, che corrisponde al cloridrato di alluminio o ACH).

Proprietà chimiche

Il PAC è un tipo di prodotti in alluminio idrosolubili. La sua formula generale è spesso espressa come Al_n(OH)_mCl_(3n-m).

Poiché sono prodotti facendo reagire il cloruro di alluminio (AlCl₃) con una base, la basicità di questo tipo di prodotto dipende dalla quantità relativa di ioni OH^- rispetto alla quantità di alluminio (Al).

Secondo la formula Al_n(OH)_mCl_(3n-m), la basicità è definita come m / 3n.

È un flocculante. Ha proprietà quali facilità di adsorbimento su altre particelle di carica opposta (aderisce alla superficie di queste), coagulazione (unione di più particelle su cui è stato adsorbito) e precipitazione di questi gruppi di particelle unite.

I PAC possono essere instabili poiché dipendono dal pH. Possono essere corrosivi.

Comportamento del PAC in acqua

Quando si dissolve il PAC in acqua e in base al pH, si formano varie specie di idrossile di alluminio (Al-OH).

Idrolizza o reagisce con l'acqua per formare monomeri (molecole unitarie), oligomeri (da 3 a 6 molecole di legame) e polimeri (più di 6 molecole di legame).

La specie più importante è un polimero con 13 atomi di alluminio, che si chiama Keggin-Al13.

Il ruolo del PAC come flocculante

Il polimero Keggin-Al13 si adsorbe sulle particelle presenti nell'acqua, cioè aderisce alla superficie di queste, e le fa sommare formando dei fiocchi.

I flocculi sono gruppi di particelle molto piccole agglutinate o unite per formare strutture più grandi che possono sedimentare, cioè andare sul fondo della soluzione acquosa..

Dopo aver formato i fiocchi, quando sono abbastanza grandi vanno sul fondo e la soluzione acquosa è pulita.

Ottenere

Le soluzioni PAC o PACl si ottengono generalmente aggiungendo una soluzione base o alcalina a una soluzione di cloruro di alluminio (AlCl₃).

Per ottenere una quantità elevata di polimeri di Al₁₃ la base o l'alcali aggiunti non devono fornire ioni OH^- troppo veloce non troppo lento.

Gli studi indicano che è difficile produrre un'alta concentrazione stabile di Al₁₃ usando NaOH perché rilascia ioni OH^- troppo veloce in acqua.

Per questo motivo sono preferiti i composti basici del calcio (Ca), che hanno una bassa solubilità in acqua e quindi rilasciano ioni OH.^- lentamente. Uno di questi composti di calcio di base è l'ossido di calcio CaO.

Ecco i passaggi che si verificano per la formazione del PAC.

Idrolisi

Quando i sali di alluminio (iii) si dissolvono in acqua, si verifica spontaneamente una reazione di idrolisi in cui il catione di alluminio Al³⁺ prende ioni ossidrile OH^- di acqua e si lega a loro, lasciando i protoni H⁺ gratuito:

Al³⁺ + H_DueO → Al (OH)^Due+ + H⁺

Al³⁺ + 2 h_DueO → Al (OH)_Due⁺ + 2 h⁺

Ciò è favorito dall'aggiunta di un alcali, cioè ioni OH.^-. Alluminio Al ion³⁺ si lega sempre più agli anioni OH^-:

Al³⁺ → Al (OH)^Due+ → Al (OH)_Due⁺ → Al (OH)₃⁰ → Al (OH)₄^-

Inoltre, specie come Al (H._DueO)₆³⁺, cioè uno ione di alluminio legato o coordinato con sei molecole d'acqua.

Polimerizzazione

Quindi si formano legami tra queste specie, formando dimeri (set di 2 molecole) e trimeri (set di 3 molecole) che vengono trasformati in oligomeri (set da 3 a 5 molecole) e polimeri (set di molte molecole unite).

Al (OH)_Due⁺ → Al_Due(OH)_Due⁴⁺ → Al₃(OH)₅⁴⁺ → Al₆(OH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺

Questo tipo di specie è legato da ponti OH tra loro e con Al (H._DueO)₆³⁺ formando insiemi di molecole che sono chiamati complessi idrossi o policationi o idrossipolimeri.

La formula generale di questi polimeri cationici è Al_X(OH)_Y(H._DueO)_n^(3x-y)+ o anche Al_XO_z(OH)_Y(H._DueO)_n^(3x-y-2z)+.

Polimero di importanza

Si pensa che il più utile di questi polimeri sia chiamato Al₁₃ la cui formula è AlO₄Al₁₂(OH)₂₄(H._DueO)₁₂⁷⁺, ed è anche conosciuto come Keggin-Al13.

È una specie con 7 cariche positive (cioè un catione eptavalente) con 13 atomi di alluminio, 24 unità OH, 4 atomi di ossigeno e 12 unità di acqua H._DueO.

Applicazioni

- Nel trattamento dell'acqua

PACl è un prodotto commerciale per trattare l'acqua e renderla potabile (pulita e potabile). Permette anche il trattamento dei rifiuti e delle acque industriali.

È usato come agente di coagulazione nei processi di miglioramento dell'acqua. È più efficace del solfato di alluminio. La sua prestazione o comportamento dipende dalla specie presente, che dipende dal pH.

Come funziona

PACl consente la coagulazione di materiale organico e particelle minerali. Coagulare significa che i composti da eliminare passano dall'essere disciolti all'essere solidi. Ciò si ottiene attraverso le interazioni delle sue cariche positive con quelle negative dei materiali da coagulare..

La specie Al₁₃, poiché ha tante cariche positive (+7), è il più efficace nel neutralizzare le cariche. Poi c'è la formazione di ponti tra le particelle che si agglomerano e formano fiocchi.

Questi fiocchi, essendo molto pesanti, tendono a precipitare oa depositarsi, cioè ad andare sul fondo del contenitore che contiene l'acqua che si sta trattando. In questo modo possono essere rimossi mediante filtrazione.

Vantaggio

Il PAC è migliore del solfato di alluminio perché ha migliori prestazioni a bassa temperatura, lascia meno residui di alluminio, produce meno volume di fanghi, meno effetto sul pH dell'acqua e si formano fiocchi più grandi e più veloci. Tutto ciò facilita la sedimentazione per la successiva filtrazione..

-Nell'industria della cellulosa e della carta

Il PAC è particolarmente efficace nel modificare i riempitivi colloidali nella fabbricazione della carta. Le cariche colloidali sono le cariche dei solidi sospesi nelle miscele per produrre pasta di carta..

Permette di accelerare la velocità di drenaggio (eliminazione dell'acqua) soprattutto in condizioni neutre e alcaline, e aiuta nella ritenzione dei solidi. I solidi sono quelli che successivamente, asciugandosi, formano la carta.

In questa applicazione vengono utilizzati PAC con basicità bassa (0-17%) e media (17-50%).

- Per migliorare il cemento

Recentemente (2019) è stata testata l'aggiunta di PACl al cemento Portland. È stato determinato che la presenza di ioni cloruro Cl^- e dei gruppi polimerici di alluminio cambia la struttura del cemento. Si stima che si formino sali complessi di formula 3CaO._DueO₃.CaCl_Due.10H_DueO.

I risultati indicano che il PACl migliora le proprietà del cemento, diminuisce il numero di micropori (fori molto piccoli) e la matrice diventa più densa e compatta, quindi aumenta la resistenza alla compressione..

L'effetto aumenta con l'aumentare del contenuto di PACl. Lo studio conferma che aggiungendo PACl al cemento Portland si ottiene una miscela con proprietà meccaniche e microstrutturali superiori..

Riferimenti

1. Kim, T. et al. (2019). Studio degli effetti del cloruro di polialluminio sulle proprietà del cemento Portland ordinario. Materiali 2019, 12, 3290. Recupero da mdpi.com.
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