Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСНОВНОГО ХЛОРИДА АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к способам получения основного хлорида алюминия, используемого преимущественно в качестве коагулирующего реагента в процессах водоочистки и водоподготовки.

Большинство существующих способов получения основного хлорида алюминия заключается в растворении металлического алюминия в соляной кислоте при заданном соотношении реагентов и концентрировании полученного раствора, обычно упариванием. Главным недостатком этих способов является использование дорогостоящего и дефицитного металлического алюминия. Более предпочтительно получение основного хлорида алюминия с использованием вместо металлического алюминия более дешевого гидроксида алюминия. Однако известные способы не позволяют обеспечить достаточно высокую основность получаемого хлорида алюминия, являются энергоемкими и многостадийными. Кроме того, эти способы связаны с образованием жидких или твердых отходов, что снижает их экологичность.

Известен способ получения основного хлорида алюминия (см. патент РФ 2237021, МПК⁷ C01F 7/60, C02F 1/52, 2004) из отходов электролитического травления алюминиевых изделий в среде хлорида натрия, содержащих 26-30% Al(OH)₃, включающий растворение отходов в соляной кислоте при массовом соотношении Al(OH)₃:HCl=1:0,8-1,2 и температуре кипения раствора (102-105°C) в течение 3 часов. Введение отходов в соляную кислоту ведут порционно в 2-4 приема. Получают раствор основного хлорида алюминия общей формулы Al(OH)_3-nCl_n, где n=2,26-2,85, что соответствует молярному отношению Al:Cl, равному 0,35-0,44:1. Степень извлечения алюминия в раствор основного хлорида составляет при этом 58-89%.

Данный способ характеризуется относительно низкой основностью получаемого хлорида алюминия, так как молярное отношение Al:Cl не превышает 0,44:1 при узком диапазоне основности (0,35-0,44:1). Способ отличается высокой энергоемкостью, поскольку растворение ведется при температуре кипения раствора в течение длительного времени, и многостадийностью. Все это снижает эффективность получения основного хлорида алюминия. Кроме того, с учетом неполноты извлечения алюминия образуются твердые отходы, требующие утилизации.

Известен также принятый в качестве прототипа способ получения основного хлорида алюминия (см. патент Украины 59047, МПК⁷ C01F 7/56, 7/60, 2003), включающий смешение аморфного технического гидроксида алюминия с концентрированной (33%) соляной кислотой при молярном отношении гидроксида алюминия и соляной кислоты 1:2,0-3,3, нагревание полученной смеси до 90-100°C и выдержку при этой температуре в течение 4 часов при перемешивании. После отделения фильтрацией нерастворимых твердых примесей и непрореагировавшего гидроксида алюминия, масса которого составляет 10-25% от исходной массы гидроксида алюминия, фильтрат упаривают при температуре 80-140°C и остаточном давлении 1,33·10³-2,0·10³ Па с отгонкой воды и остаточной соляной кислоты. Получают хорошо растворимый в воде сухой основный хлорид алюминия состава Al(OH)_3-nCl_n, где n=0,5-1,0, что соответствует молярному отношению Al:Cl, равному 1-2:1.

Известный способ характеризуется недостаточно высокой основностью получаемого хлорида алюминия, так как молярное отношение Al:Cl не превышает 2:1 и имеет относительно узкий диапазон основности (1-2:1). Способ является высокоэнергоемким и многостадийным. Все это снижает эффективность получения основного хлорида алюминия. Кроме того, с учетом образующихся твердых отходов и жидких отходов в виде конденсата разбавленной соляной кислоты, требующих утилизации, способ недостаточно экологичен.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности получения основного хлорида алюминия за счет расширения диапазона основности в сторону более высоких ее значений и снижения энергоемкости способа при одновременном сокращении числа операций. Кроме того, техническим результатом является повышение экологичности способа.

Технический результат достигается тем, что в способе получения основного хлорида алюминия, включающем солянокислотную обработку активного гидроксида алюминия, согласно изобретению, используют активный гидроксид алюминия с удельным объемом пор не менее 0,2 см³/г и средним диаметром пор не менее 2,5 нм, обработку гидроксида алюминия ведут газообразной соляной кислотой при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 1-15:1 до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1-4,5:1.

Технический результат достигается также тем, что используют газообразную соляную кислоту, полученную путем обработки хлорида натрия 90-94% серной кислотой.

Технический результат достигается и тем, что используют газообразную соляную кислоту, полученную путем продувки воздухом раствора 30-37% соляной кислоты.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор не менее 0,2 см³/г и средним диаметром пор не менее 2,5 нм обусловлено тем, что помимо высокой химической активности такой гидроксид алюминия имеет высокую сорбционную способность по отношению к молекулам газообразных веществ, в частности газообразной соляной кислоты. В процессе обработки газообразной соляной кислотой активного гидроксида алюминия, имеющего вышеуказанные характеристики, обеспечивается свободное проникновение молекул газообразной соляной кислоты в поры гидроксида алюминия, достаточно равномерно распределенные по всему объему, в результате чего химическая реакция с образованием основного хлорида алюминия протекает в каждой точке объема реакционной массы.

При величине удельного объема пор активного гидроксида алюминия менее 0,2 см³/г поры недостаточно равномерно распределены по объему, что приводит к неполноте протекания химической реакции с образованием основного хлорида алюминия. При величине среднего диаметра пор менее 2,5 нм существенно затрудняется проникновение молекул газообразной соляной кислоты в поры гидроксида алюминия, что также приводит к неполноте химической реакции.

Обработка активного гидроксида алюминия, имеющего вышеуказанные характеристики, газообразной соляной кислотой, обладающей исключительно высокой реакционной способностью, позволяет в сочетании с высокой реакционной способностью активного гидроксида алюминия осуществить получение основного хлорида алюминия в условиях твердофазного процесса при температуре окружающей среды в одну стадию без образования жидких и твердых отходов.

Обработка гидроксида алюминия при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе, равном 1-15:1, обеспечивает быстрое протекание химической реакции с образованием хлорида алюминия высокой основности. При массовом соотношении HCl:H₂O менее 1:1, в силу высокого содержания паров воды в газовой фазе, существенно затрудняется проникновение молекул газообразной соляной кислоты в поры гидроксида алюминия, что препятствует протеканию химической реакции. При массовом соотношении HCl:H₂O более 15:1 количества паров воды в газовой фазе недостаточно для полного взаимодействия гидроксида алюминия с газообразной соляной кислотой.

Обработка активного гидроксида алюминия до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1-4,5:1, обеспечивает получение хлорида алюминия достаточно высокой основности при одновременном расширении ее диапазона в сторону более высоких значений. Обработка до молярного отношения Al:Cl менее 1:1 приводит к образованию хлорида алюминия низкой основности при неоправданном увеличении продолжительности процесса и повышении расхода газообразной соляной кислоты. Обработка до молярного отношения Al:Cl более 4,5:1 приводит к образованию основного хлорида алюминия в водонерастворимой форме.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в расширении диапазона основности в сторону более высоких ее значений и снижении энергоемкости способа при одновременном сокращения числа операций. Все это повышает эффективность получения основного хлорида алюминия и экологичность способа.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие конкретные операции и режимные параметры.

Использование газообразной соляной кислоты, полученной путем обработки хлорида натрия 90-94% серной кислотой, предпочтительно с учетом того, что данный процесс получения газообразной соляной кислоты не требует применения дефицитных и дорогостоящих реагентов и специального оборудования, что способствует повышению эффективности способа.

Использование газообразной соляной кислоты, полученной путем продувки воздухом раствора 30-37% соляной кислоты, способствует снижению энергоемкости способа, поскольку по такому варианту осуществления способа кислотный реагент образуется самопроизвольно при температуре окружающей среды и не требует дополнительных энергетических затрат, а также соответствует требуемому массовому соотношению HCl:H₂O в газовой фазе.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения повышения эффективности получения основного хлорида алюминия и улучшения экологичности способа.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,2 см³/г и средним диаметром пор 2,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 1:1. Газообразную соляную кислоту получают путем обработки хлорида натрия 90% серной кислотой. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 1:1. Получают 28,6 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al(OH)₂Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 2. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,35 см³/г и средним диаметром пор 3 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 9:1. Газообразную соляную кислоту получают путем обработки хлорида натрия 94% серной кислотой. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 4:1. Получают 22,8 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₄(ОН)₁₁Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 3. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,44 см³/г и средним диаметром пор 4,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 3:1. Газообразную соляную кислоту получают согласно Примеру 1. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 2:1. Получают 27,0 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₂(OH)₅Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 4. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,52 см³/г и средним диаметром пор 5,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 4:1. Газообразную соляную кислоту получают путем продувки воздухом раствора 30% соляной кислоты. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 3:1. Получают 24 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₃(OH)₈Cl. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Пример 5. Берут 20 г порошкообразного активного гидроксида алюминия с удельным объемом пор 0,62 см³/г и средним диаметром пор 6,5 нм и помещают в лабораторный реактор кипящего слоя. В нижнюю часть реактора через газораспределительную решетку подают под давлением газообразную соляную кислоту при массовом соотношении HCl:H₂O в газовой фазе 15:1. Газообразную соляную кислоту получают путем продувки воздухом раствора 37% соляной кислоты. Обработку гидроксида алюминия ведут при температуре окружающей среды до достижения молярного отношения Al:Cl, равного 4,5:1. Получают 22,3 г основного хлорида алюминия в виде порошка, отвечающего химической формуле Al₉(OH)₂₅Cl₂. Полученный продукт полностью растворяется в воде.

Из приведенных Примеров видно, что заявляемый способ позволяет получить в условиях твердофазного процесса основный хлорид алюминия с молярным отношением Al:Cl, равным 1-4,5:1, что соответствует более широкому диапазону основности по сравнению с прототипом (Al:Cl равно 1-2:1). При этом диапазон основности расширяется в сторону более высоких ее значений. Способ по изобретению является менее энергоемким, так как осуществляется без подогрева реагентов при температуре окружающей среды, и реализуется в одну стадию. Все это повышает эффективность получения основного хлорида алюминия. Кроме того, способ является более экологичным ввиду отсутствия жидких и твердых отходов, он относительно прост и может быть реализован с привлечением стандартного технологического оборудования.