稳定的无盐聚氯硫酸铝的制作方法
【专利说明】稳定的无盐聚氯硫酸铝发明领域
[0001]本发明涉及聚氯硫酸铝(PACS)以及制备和使用它们的方法。
[0002]发明背景
[0003]聚氯化铝(PACl)和聚氯硫酸铝(PACS)被用于水处理和纸、止汗剂、食品和药品的生产中。在污水处理过程中，它们用作絮凝剂和凝聚剂。具有利于水处理特点的聚氯化铝和聚氯硫酸铝的生产工艺已记载于一些以前的出版物中，包括:US5246686;US4981673;US5076940;US3929666;US5348721;US6548037;US5603912和US5985234。
[0004]低碱度PACl(0-45%碱度)在溶液中非常稳定，但也可以是非常腐蚀的。它们往往会形成小的絮凝物，降低PH和要求相对于水处理中使用的其他产品而言的高浓度。高碱度PACl(45-75%碱度)在水处理中作为凝聚剂更好一些，但是制备的花费更多，并且具有有限的保存期。高碱性水合氯化铝(83%碱度)解决了其低碱度对应的大多数问题，但在冷水或高浊度水中作为凝聚剂并非是有效的。
[0005]与此相反，PACS是高效的凝聚剂且在冷水或高浊度水中都适用。这些化合物的主要问题是，它们具有有限的保存期并在高温下迅速降解。PACS可以通过剪切铝酸钠成为碱性氯化硫酸铝溶液来制备。然而，这将产生高达5-10%的副产物氯化钠和硫酸钠，其在水处理运行中变成杂质并导致已处理水的氯和钠含量升高。该副产物盐也降低了 PACS的浓度并缩短了这些产品的保存期。
[0006]作为替代，PACS可通过将石灰与氯化铝和硫酸铝溶液的混合物相混合来制备。在这种情况下，产生的副产物硫酸钙或石膏需要加以处置。使用这种技术也很难产生大于50%的碱度。
[0007]如前所述，PACl或PACS的溶液通常用于水处理工艺。但是，具有高氯化物与硫酸盐的质量比(CSMR)的水能引起焊料的电偶腐蚀，从而在饮用水中引起更高铅含量(Edwards等，JAWWA 99(7):96-109(2007年7月))。所有氯化物PACl和低硫酸盐PACS的使用可以使这个问题变得更糟，包含副产品氯化钠的PACS也是如此。
[0008]发明概述
[0009]本发明涉及高碱度的并具有高重量百分比的硫酸盐的聚氯硫酸铝(PACS)。该PACS是通过将固体羟基氯化铝添加至硫酸铝水溶液或通过用水稀释固体、干硫酸铝与羟基氯化铝的混合物而制得。本发明包括形成于水处理中步骤中的PACS的使用方法及含作为单独组分或作为混合物的干羟基氯化铝和硫酸铝的包装。
[0010]本发明是基于制备聚氯硫酸铝(PACS)的方法的研制，该PACS具有高重量百分比的硫酸盐，高碱度和低水平的氯化钠和硫酸钠。重要的是，这些方法涉及两种成分，硫酸铝和羟基氯化铝的使用，其可以维持于干燥，固体状态直到即将将它们用于制备PACS之前。其结果是，这些组分可以不用输送水而被干运(以混合的或非混合的形式)，并且对热降解较不敏感。包含本发明的PACS的水处理组合物在冷或浑浊的水中有效地工作且在广泛的pH范围内是有效的。最后，因为本发明的PACS具有高的硫酸盐质量比，它们不太可能比具有低比率的PACS有助于饮用水中的高铅含量。
[0011]在第一方面，本发明涉及包含PACS的组合物，所述PACS包含相对于溶液中的产品的0.5-13重量％或更高，或相对于干燥产品2-30重量％的硫酸盐含量，及第一实施方案中65%-70%的碱度或第二实施方案中58%-62%的碱度。这些组合物的特征还在于具有小于1.0重量%，优选小于0.5重量%或小于0.2重量%，和最优选小于0.1重量％的氯化钠和小于1.0重量％，优选小于0.5重量％或小于0.2重量％和最优选小于0.1重量％的硫酸钠。本发明的 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与S04的比率是2至34 ； Al与Cl的比率是0.9至3.0 ； Al与OH的比率是0.5至0.6 ；
[0016]碱度是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中优选的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]在另一个实施方案中，本发明涉及一种上述组合物的制备方法且包括以下步骤:a)将55-83%碱性的固体羟基氯化铝添加至硫酸铝水溶液以形成乳状悬浮液;和b)保持乳状悬浮液足够长的时间(通常2-16小时，优选3至6小时)以形成澄清液。该方法应在低于500C的温度下(例如，在5-50 0C )，优选在10-40 0C，并且最优选约20-25 °C实施。在这个方法中使用的硫酸铝水溶液也可以在加入碱性固体羟基氯化铝后通过将固体硫酸铝溶解于水中而制成。以干重计，羟基氯化铝与硫酸铝的比率通常应为0.75-20份羟基氯化铝比I份硫酸铝。例如，每一份干硫酸铝可以加入0.75-20份干羟基氯化铝。其它的范围包括每一份干硫酸铝加5.0-10.0份干羟基氯化铝以及每一份干硫酸铝加10.0-20份干羟基氯化铝。所产生的澄清液是任选通过混合乳状悬浮液，同时逐渐增加它的温度而形成的。
[0022]组合物也可以通过以下制得:a)将固体硫酸铝和固体羟基氯化铝的混合物溶解于水中以形成乳状悬浮液;然后b)保持乳状悬浮液足够长的时间以允许该悬浮液形成澄清液。该方法应优选在上面指出的温度下实施以及在添加固体羟基氯化铝之前将固体硫酸铝溶解于水中。可以使用上面所讨论的羟基氯化铝与硫酸铝相同的比率。
[0023]另一方面，本发明涉及一种包装，例如袋或鼓，其包括两种组分，固体干硫酸铝和固体干羟基氯化铝，其可以被用于形成用于废水处理的凝聚剂PACS。该包装可采用单个容器的形式，容器具有干混合物形式(如，固体羟基氯化铝有小于3个水合水)的固体硫酸铝和固体羟基氯化铝。在混合物中，固体硫酸铝与固体羟基氯化铝的比率使得通过添加水，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与S04的比率是2至34;A1与Cl的比率是0.9至3.0;以及Al与OH的比率是0.5至0.6；
[0029]碱度是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％的氯化钠和小于0.1重量％的硫酸钠。
[0032]存在于包装中的干混合物中的固体硫酸铝和固体羟基氯化铝以干重计，可以使用0.75-20份干羟基氯化铝比I份干硫酸铝的比率。范围的实例包括:0.75-5.0份干羟基氯化铝比I份干硫酸铝;5.0-10.0份干羟基氯化铝比I份干硫酸铝;和10.0-20.0份干羟基氯化铝比I份干硫酸铝。
[0033]在优选的实施方案中，形成的溶液含有PACSI，或2，其中式(I)的参数如下:
[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，本发明包括处理水以除去杂质的方法，其通过将足够量的上述PACS加入到水中从而凝聚和絮凝杂质并随后将水与凝聚或絮凝的物质中分离。需要的PACS的量可以使用本领域熟知的方法来确定，且分离可以通过标准程序来实现，诸如允许凝聚或絮凝物质沉降和/或采用过滤方法。
[0037]以固体、干燥组分开始，整体过程包括从固体硫酸铝和固体羟基氯化铝形成水溶液(如上所述)，然后将其加入废水以凝聚杂质。例如，在优选的实施方案中，该方法包括:a)将固体硫酸铝溶解于水中以形成溶液;b)将固体62-83%碱性的羟基氯化铝混入在步骤a)形成的硫酸铝溶液以形成含有PACS的乳状悬浮液;c)保持乳状悬浮液足够长的时间以允许该悬浮液形成澄清液;及d)将步骤c)的澄清液加入废水中以凝聚或絮凝杂质。
[0038]在水处理过程中使用的PACS应该具有上述的特性。具体而言，PACS应当具有式:Al(0H)XC1(3—x—2y)(S04)y，(I)，其中:x大于或等于1.7