СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ХЛОРАЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩЕГО КОАГУЛЯНТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК C01F7/00 C01F7/56 

Изобретение относится к способам получения основных хлоридов алюминия, которые могут быть использованы для очистки сточных и природных вод от взвесей и растворенных органических и неорганических веществ, а также для получения питьевой воды в экстремальных условиях при индивидуальном применении.

Известен способ получения гидроксихлорида алюминия путем обработки металлического алюминия соляной кислотой различной концентрации /а.с. СССР, N 618343, кл. C 01 F 7/56, опублик. 05.08.78/
Однако в этом случае получается жидкий гидроксихлорид алюминия (ГОХА), который обладает повышенной коррозионной активностью за счет свободной соляной кислоты, образующейся вследствие гидролиза ГОХА в воде. Это требует применения специальной упаковочной тары и вызывает неудобства при использовании жидкого ГОХА в качестве коагулянта в экстремальных условиях.

Для устранения этих недостатков необходимо перевести коагулянт в более удобную твердую форму.

Известен способ получения твердого ГОХА путем периодического нагревания и охлаждения водного раствора AlCl₃. При охлаждении раствора до 70^oC отделяют избыток средней соли, а при 0^oC образуются затравочные кристаллы, на которых далее при 30 - 40^oC выделяется твердый полигидроксихлорид алюминия. Затем процесс повторяют /Пат. N 49-43478 Япония, опублик. 21.11.74/
Недостатком этого метода является большой температурный интервал проведения процесса, при этом необходим как нагрев, так и охлаждение реакционной массы, что связано с большими энергетическими затратами. Кроме того, резко возрастает время получения твердого продукта.

Известен также способ получения твердого ГОХА путем кипячения растворов хлорида алюминия в течение 2 - 4 часов с последующей сушкой распылением. Недостатком этого метода является применение специального оборудования для сушки жидкого продукта, высокие энергетические затраты и длительное время получения твердого продукта. /Пат. N 3904741 (США), опуб. 09.09.70./
В качестве прототипа выбран способ получения твердого гидроксихлорида путем нагревания хлористого алюминия с последующей сушкой распылением /Пат. N 3904741 (США), опуб. 09.09.79./
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относятся следующие:
во-первых, для проведения процесса необходимы высокие энергетические затраты для удаления большого количества воды из коагулянта;
во-вторых, из-за высокой коррозионной активности гидроксихлорида алюминия, в котором присутствует большое количество свободной соляной кислоты, а также из-за высокой температуры процесса сушку коагулянта необходимо проводить в дорогих аппаратах из спецсталей;
в-третьих, поскольку сушка проводится при высокой температуре (120 - 150^oC), то возможно протекание частичного гидролиза гидроксихлорида алюминия с образованием Al(OH)₃, что резко снижает коагуляционную активность его при очистке воды.

В предлагаемом изобретении решается важная задача разработки экономически выгодных способов получения твердых основных хлоридов алюминия, применяемых в качестве коагулянтов и служащих для индивидуальной очистки природной воды при получении питьевой воды из природных загрязненных источников в экстремальных условиях.

При реализации предлагаемого способа получения твердых основных хлоридов алюминия получают следующий технический результат:
во-первых, процесс получения твердого продукта протекает при комнатной температуре, что не требует дополнительных энергетических затрат;
во-вторых, уменьшается продолжительность получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта, так как за счет образования пространственных структур типа твердых гелей, заключающих в свои внутренние объемы воду и связывающих ее, процесс, как и любой коагуляционный, заканчивается в течение 0,5 - 1,0 мин;
в-третьих, процесс смешения реагентов можно проводить в любой емкости, поскольку продукт не коррозионноактивен из-за низкой температуры реакции, что приводит к упрощению процесса,
в-четвертых, из полученного продукта легко получить таблетки без связующего, что важно для его индивидуального использования при получении питьевой воды в полевых условиях;
в-пятых, полученный коагулянт обладает большей коагуляционной активностью из-за синергизма ГОХА с сульфатом алюминия и хлоридом железа, поскольку каждый из них обладает рядом своих специфических свойств как коагулянт, что приводит к увеличению степени очистки природной воды.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе получения твердых хлоралюминийсодержащих коагулянтов используют гидроксихлорид алюминия в виде коллоидного раствора с характеристической вязкостью 0,03 - 0,10 см³/г с последующим добавлением в них сульфатов или хлоридов различных металлов в массовом соотношении (1 : 0,01 - 0,70) или природный бишофит (ПБ) в массовом соотношении (1 : 0,01 - 1,0).

В качестве хлоридов металлов используются хлорид натрия, хлорид кальция и трихлорид железа, а в качестве сульфатов - сульфат алюминия и сульфат натрия.

При добавлении к коллоидному раствору гидроксихлорида алюминия кристаллических сульфатов, хлоридов различных солей или природного бишофита наблюдается гелеобразование с резким увеличением вязкости вследствие коагуляции коллоидного раствора ГОХА. Добавление оптимального содержания соли или ПБ приводит к образованию продукта, состоящего из твердого геля. Выделение дисперсионной среды (воды) при этом не наблюдается. Благодаря явлению синерезиса гидроксихлорида алюминия с сульфатами и хлоридами металлов наблюдается увеличение степени очистки природной воды.

Процесс образования твердого алюминийсодержащего коагулянта из коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия объясняется тем, что при добавлении солей металлов (электролитов) из-за большой концентрации дисперсной фазы происходит структурирование по типу гелей. Тот же самый процесс наблюдается и при добавлении природного бишофита.

Эффект улучшения технико-экономических показателей способа получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта происходит за счет использования солей на основе сульфатов и хлоридов или ПБ, которые используются в пищевой промышленности или для очистки природной воды. Процесс получения твердого коагулянта протекает при комнатной температуре без затраты энергии и в течение короткого времени. Кроме того, для проведения процесса не требуется применение аппаратуры из коррозионностойких материалов, а готовый продукт можно выпускать в виде таблеток или порошка, что удобно для индивидуального использования в полевых условиях.

Простота получения позволяет организовать производство твердого гидроксихлорида алюминия непосредственно на месте его расфасовки. Выбранные соотношения компонентов объясняются тем, что, как и для любой коллоидной системы, при коагуляции электролитами хлопьеобразование наступает только при достижении определенной концентрации вводимого электролита (так называемый порог коагуляции).

Выбранные условия получения коагулянта определяются его качеством при индивидуальной очистке природной воды в полевых условиях для получения питьевой воды, соответствующей ГОСТ 2874-82.

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

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

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

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Коллоидный раствор гидроксихлорида алюминия получают следующим образом: гидроксихлорид алюминия высокой основности нагревают в присутствии десятикратного избытка металлического алюминия в течение 5 - 10 часов при температуре 90 - 100^oC до достижения необходимой характеристической вязкости.

Пример 1. В этом примере обусловлено применение хлористого натрия для получения твердого гидроксихлорида алюминия. В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,10 см³/г, после чего при перемешивании порциями добавляют кристаллический безводный хлористый натрий в количестве, указанном в табл. 1.

Как видно из табл. 1, оптимальным соотношением ГОХА : NaCl является 1 : 0,11, при этом время перехода гидроксихлорида алюминия в твердое состояние составляет всего 10 сек. Небольшая доза хлористого натрия для образования твердообразного геля из ГОХА объяснятся тем, что NaCl не содержит кристаллизационной воды. Полученный продукт хорошо растворяется в воде без остатка.

Пример 2. В этом примере обусловлено применение сульфата алюминия для получения твердого гидроксихлорида алюминия. В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,03 см³/г, после чего при перемешивании порциями добавляют кристаллогидрат сульфата алюминия общей формулы Al₂(SO₄)₃•18H₂O в количестве, указанном в табл. 2.

Как видно из табл. 2, оптимальное соотношение компонентов в этом случае составляет 1 : 0,40, что значительно больше, чем для хлористого натрия, что, по-видимому, связано с большим количеством кристаллизационной воды в сульфате алюминия. Полученный продукт хорошо растворяется в воде без остатка.

Пример 3. В этом примере обусловлено применение трихлорида железа для получения твердого гидроксихлорида алюминия. В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,06 см³/г, после чего при перемешивании порциями добавляют твердый кристаллогидрат трихлорида железа общей формулы FeCl₃•6H₂O в количестве, указанном в табл. 3. Полученный твердый продукт хорошо растворяется в воде без остатка.

Пример 4. В этом примере обусловлено применение хлорида CaCl₂•6H₂O для получения твердого гидроксихлорида алюминия. В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,05 см³/г, после чего при перемешивании порциями добавляют твердый кристаллогидрат хлорида кальция общей формулы CaCl₂•6H₂O в количестве, указанном в табл. 4. Полученный твердый продукт хорошо растворим в воде без остатка.

Пример 5. В этом примере обусловлено применение кристаллического безводного сульфата натрия для получения твердого гидроксихлорида алюминия. В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,08 см³/г, после чего при перемешивании порциями добавляют кристаллический безводный сульфат натрия общей формулы Na₂SO₄ в количестве, указанном в табл. 5.

В этом случае наблюдается сильное гелеобразование при значительно меньших соотношениях ГОХА : Na₂SO₄. Возможно, это связано с тем, что сульфат натрия хорошо связывает воду в кристаллогидрат. Полученный продукт хорошо растворим в воде без остатка.

Пример 6. В этом примере обусловлено применение природного бишофита (ПБ) для получения твердого гидроксихлорида алюминия. В стакан емкостью 100 мл вносят 20 г жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,05 см³/г, после чего при перемешивании порциями добавляют жидкий природный бишофит с содержанием сухого вещества 51,2% и соответствующего ГОСТ 7759 - 73 в количестве, указанном в табл. 6.

Как видно из табл. 6, при соотношении ГОХА : ПБ = 1 : 1 твердый гель начинает комковаться, что, по-видимому, связано с образованием избытком ПБ жидких пленок на поверхности частиц твердого геля. Это можно объяснить тем, что полученный продукт не растворяется в избытке природного бишофита. В воде он хорошо растворяется без остатка.

Пример 7. В этом примере обусловлено обоснование применения полученных коагулянтов для получения питьевой воды из природных источников. Полученные гели по примерам 1 - 6 прессуют в таблетки массой 1,5 г из расчета для очистки 10 л воды. В емкость на 20 л вливали 10 л природной воды (из лужи). Таблетку предварительно растворяли в 100 - 200 мл той же воды и вливали в очищаемую воду, после чего перемешивали в течение 10 - 30 с и давали отстояться 1 - 1,5 часа. Результаты анализа очищенной воды приведены в табл. 7.

Исходя из приведенных примеров следует, что способ получения твердых хлоралюминийсодержащих коагулянтов, заключающийся в смешении жидкого коллоидного раствора гидроксихлорида алюминия с хлоридами, сульфатами солей или природным бишофитом, позволяет
во-первых, процесс получения твердого продукта проводить при комнатной температуре;
во-вторых, образование твердого гидроксихлорида алюминия заканчивается в течение 0,5 - 1,0 мин;
в-третьих, процесс смешения реагентов можно проводить в любой емкости, в том числе и в полимерной;
в-четвертых, полученный продукт легко таблетируется, что важно для его индивидуального использования при получении питьевой воды в полевых условиях;
в-пятых, полученный продукт дешевле, чем по прототипу, так как процесс получения твердого гидроксихлорида алюминия идет без затраты энергии от внешнего источника;
в-шестых, очищенная вода имеет лучшие показатели по сравнению с прототипом.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
1) средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в получении коагулянтов для очистки сточных вод, содержащих твердые и жидкие диспергированные вещества;
2) для заявленного 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 заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение требуемого технического результата.

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

Изобретение предназначено для получения основных хлоридов алюминия, которые могут быть использованы для очистки сточных и природных вод от взвесей. В одном варианте исполнения способа берут жидкий коллоидный раствор гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,03-0,10 см/г и подвергают взаимодействию с сульфатами или хлоридами металлов в массовом соотношении 1: 0,01-0,7 соответственно. В другом варианте исполнения способа берут жидкий коллоидный раствор гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,03-0,1 см/г и подвергают взаимодействию с природным бишофитом в массовом соотношении 1:0,01-1,0 соответственно. Изобретение позволяет улучшить техноэкономические показатели способа. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 7 табл.

1. Способ получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта из жидкого путем превращения его в твердое состояние, отличающийся тем, что берут жидкий коллоидный раствор гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,03 - 0,10 см³/г и подвергают взаимодействию с сульфатами или хлоридами металлов в массовом соотношении 1 : 0,01 - 0,7 соответственно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сульфатов металлов используют сульфат алюминия, сульфат натрия, а в качестве хлоридов - хлорид натрия, хлорид кальция и трихлорид железа. 3. Способ получения твердого хлоралюминийсодержащего коагулянта из жидкого путем превращения его в твердое состояние, отличающийся тем, что берут жидкий коллоидный раствор гидроксихлорида алюминия с характеристической вязкостью 0,03 - 0,1 см³/г и подвергают взаимодействию с природным бишофитом в массовом соотношении 1 : 0,01 - 1,0 соответственно.