СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХЛОРИДОВ АЛЮМИНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК C01F7/56 

Изобретение относится к способам получения основных хлоридов алюминия, которые могут быть использованы в очистке природных и сточных вод, содержащих жидкие и твердые диспергированные вещества, в частности воды при подготовке питьевой воды.

Известен способ получения трихлоридалюминия путем обработки металлического алюминия растворами соляной кислоты /1/.

Однако в этом случае требуется наличие катализатора в виде соли ртути, что не допустимо на стадии водоочистки, кроме того, после начала реакции для продолжения процесса необходимо подводить тепло от внешнего источника. Недостатком этого процесса также является его длительность (16 ч). При использовании 3 5%-ной соляной кислоты время растворения составляет более 24 ч.

Без катализатора и нагрева эта реакция идет очень долго, хотя для соляной кислоты концентрации 10 15% после бурного начала ее скорость постепенно замедляется при повышении плотности раствора и pH реагирующей смеси.

Известен способ получения основных хлоридов алюминия путем растворения металлического алюминия в 5 15% растворе соляной кислоты с образованием трихлорида алюминия с последующим гидролизом до оксихлоридов алюминия в электролизере /2/. Этот способ получения требует длительного времени (до 43 ч) и большой затраты электроэнергии.

В качестве прототипа выбран способ получения основных хлоридов алюминия путем обработки алюминийсодержащих сплавов, включающих, Al 78 98; Sn 0,1- 20; Cu 0,1- 10; Mg 0,1- 13; Mn 0,1- 2; Si 05 22; Ti 0,1 6,0; Cr 0,1 2; Zn 0,5 12; 3 15%-ной соляной кислотой /3/.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относятся следующие:
во-первых, для проведения процесса требуется подвод энергии от вешнего источника тепла;
во-вторых, в сплавы, применяемые для получения оксихлорида алюминия, входят в больших количествах элементы меди, хрома, марганца, кремния и т.д. содержание которых на стадии очистки воды недопустимо, особенно при водоподготовке питьевой воды (ГОСТ 2874-82),
в третьих, после растворения алюминий с сплавах образуется большой нерастворимый осадок, содержащий вредные элементы, которые при неконтролируемом процессе могут попадать в готовый коагулянт. Кроме того, этот участок необходимо удалять из реакционной зоны, что значительно удлиняет процесс получения коагулянта,
в четвертых, осадок, содержащий соли хрома и меди, трудно подвергаются утилизации.

В изобретении решается важная задача разработки экономии выгодных способов получения основных хлоридов алюминия, применяемых в качестве коагулянтов, служащих для очистки сточных вод от жидких и твердых диспергированных веществ.

При реализации предлагаемого способа получения основных хлоридов алюминия получают следующий технический результат:
во-первых, протекание процесса получения основных хлоридов алюминия происходит за счет выделяемого тепла реакции растворения алюминия в соляной кислоте;
во-вторых, содержание гидроксихлорида в коагулянте в пересчете на триоксид алюминия значительно больше, чем по прототипу,
в третьих, pH основных хлоридов алюминия, которые могут быть использованы в качестве коагулянтов, составляет 5 6, т.е. он обладает малой коррозионной активностью, таким образом он может при транспортировке упаковываться в коррозионно не стойкую тару.

в четверых, полученный продукт дешевле, чем полученный по прототипу и по известным методам, так как процесс идет без затраты энергии от внешнего источника тепла за счет уменьшения транспортных расходов при доставке к месту применения из-за более высокой концентрации в продукте основных хлоридов алюминия.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается по первому варианту тем, что в способе получения основных хлоридов алюминия алюминийсодержащие сплавы, содержащие 0,25 10,1% железа, обрабатывают 5 15% соляной кислотой.

По второму варианту алюминийсодержащие сплавы, содержащие 0,25 10,1% железа, обрабатывают раствором, содержащим природный бишофит и соляную кислоту при массовом соотношении (0,1 0,7) (0,3 0,9).

Сплавы алюминия, включающие следующие элементы: Al 80 97% Fe 0,25 - 10,1% Zn 0,04 0,5% Mg 0,01 0,5% Si 0,01 0,6%
При содержании в алюминии железа более 0,01% вызывает выделение соединений типа FeAl₃ в виде кристаллов, что способствует образованию гальванической пары Fe-Al. При этом электродный потенциал алюминия отрицательней как железа, так и соединения Fe-Al₃, т.е. в этих парах алюминий является анодом и как следствие при добавлении соляной кислоты наблюдается интенсивное его растворение с большим выделением тепла, которое и поддерживает температуру, необходимую для растворения алюминия и для гидролиза полученного трихлорида алюминия и гидроксихлориды алюминия.

Эффект улучшения технико-экономических показателей способов получения хлоралюминийсодержащих коагулянтов происходит за счет использования тепла реакции растворения алюминиевого сплава, содержащего железо, при этом не подводится энергия от постороннего источника для завершения реакции. Процесс получения коагулянта осуществляется в одну стадию, при этом получаемый продукт содержит больше активного начала (в счете на триоксид алюминия, чем по прототипу, что позволяет выпускать меньше его по массе вследствие чего резко сокращаются транспортные расходы.

Применение бишофита на стадии растворения позволяет увеличить скорость растворения сплавов алюминия. Кроме того, в случае этого способа получения гидроксихлорида алюминия получается коагулянт более широкого спектра действия.

Простота получения позволяет организовать производство непосредственно на узлах очистки воды. Кроме того, стоимость коагулянта значительно уменьшается за счет дешевого компонента природного бишофита.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованиям "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Выбранные условия получения коагулянтов определяются его качеством при очистке сточных и природных вод.

Пример 1. В этом примере обусловлено применение для получения основных хлоридов алюминия алюминиевого сплава, содержащего в своем составе 0,25 мас. железа.

В колбу емкостью 2 с обратным холодильником заливают 1,0 л 5,0%-ного раствора соляной кислоты. Затем порциями по 10 15 г добавляют гранулированный сплав алюминия следующего состава, мас. алюминий 98; железо 0,25; магний 1,2; цинк 0,1; кремний 0,45. Начальная скорость растворения алюминия 0,169 г/см²ч. Процесс растворения начинается бурно, однако через 1,5 ч для продолжения реакции необходимо дозировать новые (избыток) порции алюминиевого сплава чтобы поддерживать температуру на уровне 90 95C". В результате растворения алюминиевого сплава в течение 4 ч образуются основные хлориды алюминия с содержанием Al₂O₃ 74,7 г/л. Полученный продукт имеет вязкую консистенцию с удельным весом 1,21 г/см. куб. При этом pH полученного продукта 5,5.

Пример 2. В этом примере обусловлено применение для получения основных хлоридов алюминия алюминиевого сплава, содержащего в своем составе 4,0% железа.

В колбу емкостью 2 с обратным холодильником заливают 1,0 л 10%-ного раствора соляной кислоты. Затем порциями 10 15 г добавляют гранулированный сплав алюминия следующего состава, мас. алюминий 95,0; железо 4,0; кремний 0,2; магний 0,5; цинк 0,3. Начальная скорость растворения алюминия 0,513 г/см²ч. При этом через 5 мин достигается нужная температура процесса 90 95C", которую поддерживают в течение всего времени получения основных хлоридов алюминия путем добавления новых порций алюминиевого сплава до достижения необходимой концентрации получаемого коагулянта. В результате растворения сплава в течение 3,5 ч образуется основной хлорид алюминия с содержанием Al₂O₃ 308,1 г/л. Полученный продукт имеет очень вязкую консистенцию с удельным весом 1,363 г/см³. При этом pH полученного продукта составляет 6.

Пример 3. В этом примере обусловлено применение для получения основных хлоридов алюминия алюминиевого сплава, содержащего в своем составе 10,1 мас. железа.

В колбу емкостью 2 с обратным холодильником заливают 1,0 л 10%-ного раствора соляной кислоты. Затем порциями 10 15 г добавляют гранулированный сплав алюминия следующего состава, мас. алюминий 88,0; железо 10,1; кремний 0,6; магний 0,8; цинк 0,5. Начальная скорость растворения алюминиевого сплава 0,685 г/см²ч. При этом через 3 мин достигается нужная температура процесса 90 95C", которую поддерживают в течение всего времени получения основных хлоридов алюминия путем добавления новых порций алюминиевого сплава до достижения необходимой концентрации получаемого коагулянта. В результате растворения сплава в течение 3 ч образуется основной хлорид алюминия с содержанием Al₂O₃ 432,1 г/л. Полученный продукт имеет очень высоковязкую консистенцию с удельным весом 1,42 г/см³, который на воздухе застывает в прозрачную стеклообразную массу, хорошо растворимую в воде. При этом pH полученного продукта 6,0 6,5. Хотя железо и не переходит практически в раствор до полного растворения алюминия, однако применение сплава алюминия с большим содержанием железа не желательно при использовании полученного коагулянта в водоподготовке питьевой воды, где жестко нормируется содержанием железа (ГОСТ 2874-82). Второй причиной, препятствующей использованию алюминиевого сплава с большим содержанием железа (10,1%), является большой нерастворимый остаток, который необходимо частично удалять из реактора. Однако при использовании полученного коагулянта для очистки сточных вод остаток, состоящий в основном из железа, можно растворить и получить железоалюминийсодержащий коагулянт, который хорошо очищает воду в широком интервале значений pH.

Пример 4. В этом примере обусловлено применение для получения алюминийсодержащего коагулянта природного бишофита и соляной кислоты в различных соотношениях и алюминиевого сплава, содержащего 4,0% железа.

В колбу емкостью 2 л с обратным холодильником заливают смесь соляной кислоты и природного бишофита ГОСТ 7759-73 в соотношении согласно табл. 1, после чего вносят дозами по 10 15 г гранулированный сплав алюминия следующего состава, мас. алюминий 95,0; железо 4,0; кремний 0,2; магний 0,5; цинк 0,3. Время реакции 4 ч. Реакция поддерживается до окончания процесса за счет собственного выделения тепла, при этом скорость растворения возрастает в среднем на 60 70%
Пример 5. В этом примере обосновывается применение полученных гидроксихлоридов алюминия в качестве коагулянтов для очистки речной воды в водоподготовке питьевой воды.

В сосуды емкостью 1,5 л заливают по 1 л речной воды, содержащей в качестве дисперсной фазы (твердой) природные взвеси. При перемешивании добавляют коагулянт в количестве 0,2 0,4 мл/л. Происходит интенсивное образование хлопьев в очищаемой воде, которые хорошо оседают и отделяются. Через 1 ч отстоя очищенную воду подвергают анализу по ГОСТ 2874-82 на питьевую воду. В табл.2 приведены эти результаты анализа в сравнении с прототипом.

Таким образом, испытания показали, что применение новых коагулянтов по сравнению с прототипом позволяет получать более высокое качество очищаемой воды как по показателям ее химического состава, так и по осветлению (т.е. освобождению воды от частиц взвеси).

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
1) средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в очистке природных и сточных вод, содержащих жидкие и твердые диспергированные вещества, в частности речной воды при водоподготовке питьевой воды;
2) для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
3) средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение требуемого технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: получение основных хлоридов алюминия. Сущность изобретения: алюминийсодержащие сплавы растворяют в 5 - 15%-ном растворе соляной кислоты или в смеси соляной кислоты и природного бишофита, взятых в соотношении 80,3 - 0,9): (0,1 - 0,7). Растворение и гидролиз протекают при 90 - 95^oC за счет теплоты растворения алюминия без подвода тепла от внешнего источника. Алюминийсодержащие сплавы включают 0,25 - 10,1 % мас. железа, что способствует значительному увеличению скорости растворения алюминия за счет возникновения гальванической пары железо-алюминий. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения основных хлоридов алюминия путем обработки алюминийсодержащих сплавов 5 15%-ным раствором соляной кислоты, отличающийся тем, что алюминийсодержащие сплавы включают 0,25 10,1 мас. железа. 2. Способ получения основных хлоридов алюминия путем обработки алюминийсодержащих сплавов 5 15%-ным раствором соляной кислоты, отличающийся тем, что обработку ведут смесью раствора соляной кислоты и природного бишофита, взятых в массовом соотношении 0,3 0,9 0,1 0,7, причем алюминийсодержащие сплавы включают 0,25 10,1 мас. железа.