穩定的無鹽聚氯硫酸鋁的制作方法
【專利說明】穩定的無鹽聚氯硫酸鋁發明領域
[0001]本發明涉及聚氯硫酸鋁(PACS)以及制備和使用它們的方法。
[0002]發明背景
[0003]聚氯化鋁(PACl)和聚氯硫酸鋁(PACS)被用于水處理和紙、止汗劑、食品和藥品的生產中。在污水處理過程中，它們用作絮凝劑和凝聚劑。具有利于水處理特點的聚氯化鋁和聚氯硫酸鋁的生產工藝已記載于一些以前的出版物中，包括:US5246686;US4981673;US5076940;US3929666;US5348721;US6548037;US5603912和US5985234。
[0004]低堿度PACl(0-45%堿度)在溶液中非常穩定，但也可以是非常腐蝕的。它們往往會形成小的絮凝物，降低PH和要求相對于水處理中使用的其他產品而言的高濃度。高堿度PACl(45-75%堿度)在水處理中作為凝聚劑更好一些，但是制備的花費更多，并且具有有限的保存期。高堿性水合氯化鋁(83%堿度)解決了其低堿度對應的大多數問題，但在冷水或高濁度水中作為凝聚劑并非是有效的。
[0005]與此相反，PACS是高效的凝聚劑且在冷水或高濁度水中都適用。這些化合物的主要問題是，它們具有有限的保存期并在高溫下迅速降解。PACS可以通過剪切鋁酸鈉成為堿性氯化硫酸鋁溶液來制備。然而，這將產生高達5-10%的副產物氯化鈉和硫酸鈉，其在水處理運行中變成雜質并導致已處理水的氯和鈉含量升高。該副產物鹽也降低了 PACS的濃度并縮短了這些產品的保存期。
[0006]作為替代，PACS可通過將石灰與氯化鋁和硫酸鋁溶液的混合物相混合來制備。在這種情況下，產生的副產物硫酸鈣或石膏需要加以處置。使用這種技術也很難產生大于50%的堿度。
[0007]如前所述，PACl或PACS的溶液通常用于水處理工藝。但是，具有高氯化物與硫酸鹽的質量比(CSMR)的水能引起焊料的電偶腐蝕，從而在飲用水中引起更高鉛含量(Edwards等，JAWWA 99(7):96-109(2007年7月))。所有氯化物PACl和低硫酸鹽PACS的使用可以使這個問題變得更糟，包含副產品氯化鈉的PACS也是如此。
[0008]發明概述
[0009]本發明涉及高堿度的并具有高重量百分比的硫酸鹽的聚氯硫酸鋁(PACS)。該PACS是通過將固體羥基氯化鋁添加至硫酸鋁水溶液或通過用水稀釋固體、干硫酸鋁與羥基氯化鋁的混合物而制得。本發明包括形成于水處理中步驟中的PACS的使用方法及含作為單獨組分或作為混合物的干羥基氯化鋁和硫酸鋁的包裝。
[0010]本發明是基于制備聚氯硫酸鋁(PACS)的方法的研制，該PACS具有高重量百分比的硫酸鹽，高堿度和低水平的氯化鈉和硫酸鈉。重要的是，這些方法涉及兩種成分，硫酸鋁和羥基氯化鋁的使用，其可以維持于干燥，固體狀態直到即將將它們用于制備PACS之前。其結果是，這些組分可以不用輸送水而被干運(以混合的或非混合的形式)，并且對熱降解較不敏感。包含本發明的PACS的水處理組合物在冷或渾濁的水中有效地工作且在廣泛的pH范圍內是有效的。最后，因為本發明的PACS具有高的硫酸鹽質量比，它們不太可能比具有低比率的PACS有助于飲用水中的高鉛含量。
[0011]在第一方面，本發明涉及包含PACS的組合物，所述PACS包含相對于溶液中的產品的0.5-13重量％或更高，或相對于干燥產品2-30重量％的硫酸鹽含量，及第一實施方案中65%-70%的堿度或第二實施方案中58%-62%的堿度。這些組合物的特征還在于具有小于1.0重量%，優選小于0.5重量%或小于0.2重量%，和最優選小于0.1重量％的氯化鈉和小于1.0重量％，優選小于0.5重量％或小于0.2重量％和最優選小于0.1重量％的硫酸鈉。本發明的 PACS 具有下式:A1(0H)XC1(3—x—2y)(S04)y，(式I)，其中:
[0012]X是1.78至2.02;
[0013]y是0.03至0.45;
[0014]x+y/2是1.8至2.1;
[0015]Al與S04的比率是2至34 ； Al與Cl的比率是0.9至3.0 ； Al與OH的比率是0.5至0.6 ；
[0016]堿度是55%至70%;以及
[0017]平均分子量大于或等于95且小于或等于111。
[0018]式I中優選的PACS可以是如下特征:
[0019]PACS 1: X= I.78至I.82 ； 3_x_2y = 0.35至I.I;y = 0.065至0.45 ；且x+y/2 = I.83至2.02；
[0020]PACS 2: X= 1.95至2.02; 3-x-2y = 0.6至1.0 ;y = 0.03至0.20;且x+y/2 = 1.95至2.1。
[0021]在另一個實施方案中，本發明涉及一種上述組合物的制備方法且包括以下步驟:a)將55-83%堿性的固體羥基氯化鋁添加至硫酸鋁水溶液以形成乳狀懸浮液;和b)保持乳狀懸浮液足夠長的時間(通常2-16小時，優選3至6小時)以形成澄清液。該方法應在低于500C的溫度下(例如，在5-50 0C )，優選在10-40 0C，并且最優選約20-25 °C實施。在這個方法中使用的硫酸鋁水溶液也可以在加入堿性固體羥基氯化鋁后通過將固體硫酸鋁溶解于水中而制成。以干重計，羥基氯化鋁與硫酸鋁的比率通常應為0.75-20份羥基氯化鋁比I份硫酸鋁。例如，每一份干硫酸鋁可以加入0.75-20份干羥基氯化鋁。其它的范圍包括每一份干硫酸鋁加5.0-10.0份干羥基氯化鋁以及每一份干硫酸鋁加10.0-20份干羥基氯化鋁。所產生的澄清液是任選通過混合乳狀懸浮液，同時逐漸增加它的溫度而形成的。
[0022]組合物也可以通過以下制得:a)將固體硫酸鋁和固體羥基氯化鋁的混合物溶解于水中以形成乳狀懸浮液;然后b)保持乳狀懸浮液足夠長的時間以允許該懸浮液形成澄清液。該方法應優選在上面指出的溫度下實施以及在添加固體羥基氯化鋁之前將固體硫酸鋁溶解于水中。可以使用上面所討論的羥基氯化鋁與硫酸鋁相同的比率。
[0023]另一方面，本發明涉及一種包裝，例如袋或鼓，其包括兩種組分，固體干硫酸鋁和固體干羥基氯化鋁，其可以被用于形成用于廢水處理的凝聚劑PACS。該包裝可采用單個容器的形式，容器具有干混合物形式(如，固體羥基氯化鋁有小于3個水合水)的固體硫酸鋁和固體羥基氯化鋁。在混合物中，固體硫酸鋁與固體羥基氯化鋁的比率使得通過添加水，可以形成包含式(I)的PACS的溶液:
[0024]Al (OH)xCl (3-x-2y) (SO4)y (I)，其中:
[0025]X是1.78至2.02;
[0026]y是0.03至0.45;
[0027]x+y/2是1.8至2.1;
[0028]Al與S04的比率是2至34;A1與Cl的比率是0.9至3.0;以及Al與OH的比率是0.5至0.6；
[0029]堿度是55%至70%;以及
[0030]平均分子量是大于或等于95且小于或等于111;以及
[0031 ]溶液包含小于0.1重量％的氯化鈉和小于0.1重量％的硫酸鈉。
[0032]存在于包裝中的干混合物中的固體硫酸鋁和固體羥基氯化鋁以干重計，可以使用0.75-20份干羥基氯化鋁比I份干硫酸鋁的比率。范圍的實例包括:0.75-5.0份干羥基氯化鋁比I份干硫酸鋁;5.0-10.0份干羥基氯化鋁比I份干硫酸鋁;和10.0-20.0份干羥基氯化鋁比I份干硫酸鋁。
[0033]在優選的實施方案中，形成的溶液含有PACSI，或2，其中式(I)的參數如下:
[0034]PACS 1: X= I.8至I.9; 3_x_2y = 0.72至0.78 ; y = 0.18至0.22 ；且x+y/2 = I.9至2.0；
[0035]PACS 2:χ = 2.0至2.3;3-x-2y = 0.6至 1.0;y = 0.01 至0.10;并且x+y/2 = 2.0至2.4。
[0036]另一方面，本發明包括處理水以除去雜質的方法，其通過將足夠量的上述PACS加入到水中從而凝聚和絮凝雜質并隨后將水與凝聚或絮凝的物質中分離。需要的PACS的量可以使用本領域熟知的方法來確定，且分離可以通過標準程序來實現，諸如允許凝聚或絮凝物質沉降和/或采用過濾方法。
[0037]以固體、干燥組分開始，整體過程包括從固體硫酸鋁和固體羥基氯化鋁形成水溶液(如上所述)，然后將其加入廢水以凝聚雜質。例如，在優選的實施方案中，該方法包括:a)將固體硫酸鋁溶解于水中以形成溶液;b)將固體62-83%堿性的羥基氯化鋁混入在步驟a)形成的硫酸鋁溶液以形成含有PACS的乳狀懸浮液;c)保持乳狀懸浮液足夠長的時間以允許該懸浮液形成澄清液;及d)將步驟c)的澄清液加入廢水中以凝聚或絮凝雜質。
[0038]在水處理過程中使用的PACS應該具有上述的特性。具體而言，PACS應當具有式:Al(0H)XC1(3—x—2y)(S04)y，(I)，其中:x大于或等于1.7