專利名稱：低溫膜蒸餾技術制備高濃度高純納米型聚合氯化鋁的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開一種新型高濃納米型聚合氯化鋁溶液的制備方法與裝置，具體地說涉及一種采用新型膜蒸餾濃縮技術制備高濃高純納米聚合氯化鋁溶液的方法及其實現該法的裝置。
背景技術：
在水處理混凝技術領域中，無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁是在傳統(tǒng)的鋁鹽混凝劑基礎上發(fā)展起來的新型高效絮凝劑，是目前應用范圍最廣、產量最大的一種水處理主流藥劑。聚合氯化鋁絮凝劑實際是在人工強制水解條件下，鋁離子水解-聚合-沉淀反應過程的動力學中間產物。大量的研究結果表明，聚合氯化鋁絮凝劑中存在多種相互轉化的水解聚合形態(tài)，其中，具有納米粒徑的Al13(Alb)形態(tài)一直被認為是聚合氯化鋁中的優(yōu)勢絮凝形態(tài)，其含量直接反映了產品的絮凝效能。因此高濃納米(Al13(Alb)＞70％)型聚合氯化鋁溶液一直是PAC生產工藝和品質追求的最高目標。
高濃納米型聚合氯化鋁溶液不僅具有優(yōu)異的絮凝效能，而且還是中性造紙施膠劑、煉油催化劑和醫(yī)藥、化妝品的重要添加原料，市場需求量大，應用前景廣泛，但只有總鋁濃度在2mol/l以上(Al2O3＞10％)的高濃納米型聚合氯化鋁溶液，才具有工業(yè)商品化生產意義并具有實際應用價值。然而，目前已商品化生產的聚合氯化鋁絮凝劑主要采用化學合成工藝，高溫低壓或常壓條件下生產制備，產品質量參差不齊，以粗制品為主。即使是精制品，液體制品的Al2O3濃度高達18％(相當于總鋁3.5mol/L)，但堿化度一般較低(45-50％)，而且制品中的鋁形態(tài)主要以Ala和Alc為主，Alb(Al13)則相對較低(＜30％)。而在實驗室通過微量加堿合成制備的PAC溶液，其Al13含量可達到較高的水平(80％以上)，但存在濃度低這一致命弱點(小于0.1-0.2mol/L，相當于Al2O3含量為0.5-1％)，因此無法實施工業(yè)商品化生產。近年，一種采用電解法制備聚合氯化鋁水處理藥劑的生產工藝(專利號ZL02156733.6)，采用電化學原理制備一種高堿化度、高Alb(Al13)含量的聚合鋁合成方法及產品，但由于陽極鋁板消耗量大，價格高昂，也很難實施工業(yè)商品化生產。
研究已表明(趙華章，欒兆坤等，高濃度聚合氯化鋁的合成及其形態(tài)分布與轉化規(guī)律，環(huán)境科學，2004，25(5)，80-83；陳朝陽，欒兆坤等，總鋁濃度對納米Al13向Al30形態(tài)轉化的影響，科學通報，2005，50(14)，1445-1449)，高含量的納米聚Al13形態(tài)(70％以上)只用在高堿度(B＞2.3)，低濃度(總鋁濃度＜0.5mol/L)，且在低溫(＜85℃)的條件下生成，提高溫度(＞95℃)，納米Al13轉化成Al30形態(tài)；提高總鋁濃度，納米Al13發(fā)生歧化反應，轉化成溶膠Alc形態(tài)。
綜上所述，目前的化學合成工藝和其它方法都很難生產制備出具有工業(yè)商品化的高濃納米型聚合氯化鋁溶液。
膜蒸餾濃縮方法是一種利用疏水性微孔膜將兩種不同溫度的溶液分開，并以膜孔兩側氣相中組分的分壓差為傳質驅動力，從而完成傳質的一種新型膜分離技術。膜蒸餾的基本過程為在料液側得到非揮發(fā)性物質的濃縮液，同時在餾出液側得到高純度的揮發(fā)性物質。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高濃納米型聚合氯化鋁溶液的膜蒸餾濃縮制備方法，該方法可在較溫和的實驗條件下，將低濃度高堿度的聚合氯化鋁溶液濃縮成高濃納米型聚合氯化鋁溶液。
本發(fā)明的主要技術特點在于在常壓條件下，將濃度為0.2～0.5mol/L，Alb(Al13)50％～75％，堿化度2.3～2.4的高堿度低濃度的聚合氯化鋁溶液在40～85℃條件下通過一直新型疏水性微孔膜蒸餾濃縮裝置進行連續(xù)循環(huán)濃縮，最終得到總鋁濃度大于2.0mol/L，Alb(Al13)含量大于70％的高濃納米型聚合氯化鋁溶液。
本發(fā)明制備高濃納米型聚合氯化鋁溶液的方法包括下列兩步驟(1)反應釜內定量加入氯化鋁溶液，升溫控制在70～85℃，然后定量投加NaOH溶液，加堿速度大于2.5mL/min，進行堿化聚合，最終制備成堿化度B在2.3～2.5，總鋁濃度在0.2-0.5mol/L的高堿度低濃度聚合氯化鋁溶液。
(2)一種新型疏水性微孔膜蒸餾濃縮裝置，熱側為料液系統(tǒng)，料液為步驟(1)制備的高堿度低濃度的聚合氯化鋁溶液，恒溫水浴加熱，溫度保持在40～85℃；冷側為純水收集系統(tǒng)，純水系統(tǒng)采用自來水循環(huán)冷卻。熱側料液中蒸發(fā)的水蒸氣不斷通過疏水性微孔膜，料液逐步得到濃縮，料液中的Alb(Al13)含量不斷提高并保持化學穩(wěn)定性，最終得到總鋁濃度大于2.0mol/L，Alb(Al13)含量高于70％的高濃度納米型聚合氯化鋁溶液。
本發(fā)明的兩步驟，步驟(1)制備低濃度高含量Alb的聚合氯化鋁溶液是成功制備高濃納米型聚合氯化鋁溶液的先驅條件，而步驟(2)通過疏水性微孔膜蒸餾濃縮裝置的低溫濃縮則是獲得高濃納米型聚合氯化鋁溶液的關鍵。下面參照附圖和實施例進一步敘述本發(fā)明技術特點


附圖1是本發(fā)明所述裝置的流程示意圖。
圖中1-聚合氯化鋁溶液貯槽，2-低壓泵，3-恒溫水浴槽，4-換熱盤管，5-膜組件，6-純水貯槽，7-低溫水浴槽。
附圖2為實施例2所制備的聚合氯化鋁溶液的27AlNMR譜圖。
圖中80ppm、62.5ppm、10ppm(寬峰)和0ppm處的峰分別代表內標物鋁酸鈉、Al13中鋁氧四面體、低聚體和鋁單體(Alm)的共振峰。
如附圖1所示，流程分為兩個部分。首先，高堿度低濃度的聚合氯化鋁溶液從貯槽1中由低壓泵2進入恒溫水浴槽，經換熱盤管加熱至40～85℃，流入膜蒸餾組件5的料液側，然后再回流進入貯槽1中，如此繼續(xù)循環(huán)濃縮，直至溶液濃度達到2.0mol/L以上。同時，純水從貯槽6中由低壓泵2進入低溫水浴槽，經換熱盤管4冷卻至自來水溫度，流入膜蒸餾組件5的滲透液側，然后攜帶從料液側滲透過來的冷凝水再回流進入貯槽6，繼續(xù)循環(huán)。
在此過程中，高堿度低濃度的聚合氯化鋁溶液和純水中的水蒸氣由于溫差的作用，在膜的兩側形成蒸汽壓差，水蒸氣通過膜孔，源源不斷地從聚合氯化鋁溶液中進入純水中，從而使熱側料液得到連續(xù)濃縮，同時冷側得到純水產品。
以下列舉3個實施例具體說明本發(fā)明的效果，但本發(fā)明的權利要求范圍并非僅限于此。
實施例1制備堿化度B為2.4，總鋁濃度為0.2mol/L的聚合氯化鋁溶液，其中，溶液中Ala、Alb和Alc分別為5.2％、62.8％和32％。經膜蒸餾濃縮后，得到Ala、Alb和Alc分別為5.4％、85％和9.6％，總鋁濃度為2.04mol/L的聚合氯化鋁溶液。
實施例2堿化度B為2.47，總鋁濃度為0.18mol/L的聚合氯化鋁溶液，Ala、Alb和Alc分別為3.8％、74％和22.2％，經膜蒸餾后，得到Ala、Alb和Alc分別為4.3％、86.2％和9.5％，總鋁濃度為2.12mol/L的聚合氯化鋁溶液。27Al核磁共振檢測結果表明，濃縮后的聚合鋁溶液中納米Al13含量高于67％，Ala為6.3％。
實施例3堿化度B為2.4，總鋁濃度為0.42mol/L的聚合氯化鋁溶液，Ala、Alb和Alc分別為3.6％、61％和35.4％，經膜蒸餾后，得到Ala、Alb和Alc分別為4.8％、76.0％和19.2％，總鋁濃度為2.14mol/L的聚合氯化鋁溶液。
權利要求
1.一種制備高濃度高純納米型聚合氯化鋁的生產方法及裝置。其特征在于采用低溫膜蒸餾濃縮技術濃縮制備高濃高純納米型聚合氯化鋁產品。
2.如權利要求1所述的低溫膜蒸餾技術濃縮制備高純納米型聚合氯化鋁，其特征在于利用板式或中空卷式微孔膜兩側的溫差，在常壓低溫條件下，使低濃度高堿度的聚合氯化鋁溶液中的水分以水蒸氣的形式透過膜孔，在膜滲透側不斷收集純水，同時在膜濃縮側使聚合氯化鋁溶液濃縮達到高濃度高純納米型聚合氯化鋁溶液。
3.如權利要求1所述高濃高純納米型聚合氯化鋁產品，其特征在于堿化度60～80％，總鋁濃度大于2.0mol/L，Alb含量為70～90％，其中，具有納米Keggin結構的Al13形態(tài)含量大于60％。
4.如權利要求2所述微孔膜，其特征在于采用平板或中孔卷式疏水性微孔膜，膜材質為聚丙烯，聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯，膜孔徑為0.1～1.0μm。
5.如權利要求2所述的低濃度聚合氯化鋁溶液，其特征在于堿化度為2.0～2.4，Alb含量為50～75％，總鋁濃度為0.1～0.5mol/L。
6.如權利要求2所述常壓低溫，其特征在于膜蒸餾濃縮低濃度聚合氯化鋁溶液的操作溫度為40～85℃。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高濃高純納米型聚合氯化鋁的制備方法及工藝，成功地攻克了現有工藝技術無法制備高濃度高純納米形態(tài)的聚合氯化鋁溶液。該方法先采用化學法制備堿化度2.3～2.4，濃度為0.2～0.5mol/L的低濃度高堿度的聚合氯化鋁溶液，然后再通過一種新型膜蒸餾濃縮裝置制備出濃度大于2.0mol/L、最佳絮凝成分Al
文檔編號B01D61/36GK1982216SQ200510134228
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月14日 優(yōu)先權日2005年12月14日
發(fā)明者欒兆坤, 郭宇杰, 范彬, 陳朝陽, 賈智萍 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心