بولي كلوريد الألومنيوم: الهيكل ، الخصائص ، الحصول ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

يطلق على فئة من منتجات الألمنيوم غير العضوية القابلة للذوبان في الماء اسم بولي كلوريد الألومنيوم ، ويتكون من تفاعل جزئي لكلوريد الألومنيوم AlCl ₃ مع قاعدة. وهي مادة صلبة بيضاء إلى صفراء. غالبًا ما يتم التعبير عن صيغته العامة كـ Al _n (OH) _m Cl _(3n-m). تُعرف أيضًا باسم PAC أو أيضًا PACl (PolyAluminum Chloride).

تمت صياغة PACs لاحتواء بوليمرات عالية الموجبة (مجموعات من عدة جزيئات مع العديد من الشحنات الموجبة) تتكون من أيونات الألومنيوم (Al ³⁺) وأيونات الكلوريد (Cl ^-) وأيونات الهيدروكسيل (OH) ^- وجزيئات الماء (H ₂ س).

يستخدم Poly Aluminium Chloride (PAC) لإزالة المواد العضوية وغير العضوية من الماء في الندفات في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. المؤلف: Kubinger. المصدر: Pixabay.

يُطلق على البوليمر الأكثر أهمية من هذه الأنواع Al ₁₃ أو Keggin-Al13 وهو فعال للغاية في معالجة المياه وفي صناعة اللب والورق.

في هذه التطبيقات ، تلتصق PACs بسطح الجسيمات مما يجعلها مرتبطة ببعضها البعض ويمكن أن تستقر ، أي تسقط في القاع ويمكن ترشيحها.

كما تم اختباره بنجاح لتحسين خواص الأسمنت البورتلاندي ، حيث يقوم بتعديل أو تغيير هيكله على المستوى الجزئي وهذا يجعل الأسمنت أكثر مقاومة.

بناء

يتكون PAC أو PACl من سلسلة من الأنواع تتراوح من المونومرات (جزيء واحد) ، الثنائيات (جزيئين مرتبطين معًا) ، أوليغومرات (ثلاثة إلى خمسة جزيئات مرتبطة ببعضها البعض) إلى البوليمرات (العديد من الجزيئات مرتبطة ببعضها البعض).

صيغته العامة هي Al _n (OH) _m Cl _(3n-m). عندما تحتوي هذه الأنواع على الأيونات A الذائبة في الماء ³⁺ ، أيونات الهيدروكسيل OH ^- وأيونات الكلوريد Cl ^- وجزيئات الماء H ₂ O.

الصيغة العامة في المحلول المائي هي Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} أو أيضًا Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +}.

أكثر هذه البوليمرات فائدة هي تلك التي تسمى Al ₁₃ أو Keggin-Al13 والتي تكون صيغتها AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺. الأنواع Al ₁₃ لها شكل ثلاثي الأبعاد.

تشير التقديرات إلى أن سلف هذا التعددية هو Al (OH) ₄ ^- ، الذي له شكل رباعي السطوح ويوجد في وسط الهيكل.

التسمية

- بولي كلوريد الألومنيوم

- باك (بولي كلوريد الألومنيوم)

- PACl (بولي كلوريد الألومنيوم)

- كلوريد متعدد الالومنيوم

- بولي هيدروكسي كلوريد الألومنيوم

- هيدروكلوريد الألومنيوم أو ACH (كلوريد الألومنيوم).

الخصائص

الحالة الفيزيائية

مادة صلبة من الأبيض إلى الأصفر (مسحوق) يتم الحصول عليها أيضًا في شكل محاليل مائية بتركيزات مختلفة.

الذوبان

يذوب في الماء.

خصائص PACs التجارية

تختلف PACs المختلفة عن بعضها البعض بشكل أساسي من خلال شيئين:

- قوتها معبراً عنها بنسبة مئوية من الألومينا Al ₂ O _3.

- قاعدتها ، والتي تشير إلى كمية المادة البوليمرية في PAC ، ويمكن أن تتراوح بين 10٪ (قاعدية منخفضة) ، و 50٪ (قاعدية متوسطة) ، و 70٪ (قاعدية عالية) ، و 83٪ (قاعدية أعلى ، والتي يتوافق مع هيدروكلوريد الألومنيوم أو ACH).

الخواص الكيميائية

PAC هو نوع من منتجات الألمنيوم القابلة للذوبان في الماء. غالبًا ما يتم التعبير عن صيغته العامة كـ Al _n (OH) _m Cl _(3n-m).

منذ يتم إنتاجها عن طريق تفاعل كلوريد الألومنيوم (AlCl ₃) مع وجود قاعدة وقاعدية من هذه الأنواع من المنتجات يعتمد على مقدار النسبي للOH ^- أيونات مقابل مبلغ من الألومنيوم (آل).

وفقًا للصيغة Al _n (OH) _m Cl _(3n-m) ، يتم تعريف القاعدية على أنها m / 3n.

إنه ندف. لها خصائص مثل سهولة الامتزاز على جزيئات أخرى ذات شحنة معاكسة (تلتصق بسطح هذه الجسيمات) ، والتخثر (اتحاد العديد من الجسيمات التي تم امتصاصها عليها) وترسيب هذه المجموعات من الجسيمات المتحدة.

يمكن أن تكون PACs غير مستقرة لأنها تعتمد على الرقم الهيدروجيني. يمكن أن تكون أكالة.

سلوك PAC في الماء

عن طريق إذابة PAC في الماء واعتمادًا على الرقم الهيدروجيني ، يتم تكوين أنواع مختلفة من الألومنيوم - هيدروكسيل (Al-OH).

يتحلل أو يتفاعل مع الماء لتكوين مونومرات (جزيئات أحادية) ، أوليغومرات (3 إلى 6 جزيئات مرتبطة) وبوليمرات (أكثر من 6 جزيئات مرتبطة).

أهم الأنواع هو البوليمر الذي يحتوي على 13 ذرة ألومنيوم ، ويسمى Keggin-Al13.

وظيفة PAC كمندب

يمتص البوليمر Keggin-Al13 على الجسيمات الموجودة في الماء ، أي أنه يلتصق على سطح هذه الجسيمات ، ويؤدي إلى إضافتها إلى بعضها البعض ، وتشكيل كتل.

الكتل عبارة عن مجموعات من الجزيئات الصغيرة جدًا المتراصة أو المتحدة لتشكيل هياكل أكبر يمكن أن تترسب ، أي تذهب إلى قاع المحلول المائي.

بعد تشكيل الكتل ، عندما تكون كبيرة بما يكفي ، فإنها تذهب إلى القاع ويكون المحلول المائي نظيفًا.

خزانات التلبد والترسيب لمحطة معالجة المياه حيث يمكن استخدام بولي كلوريد الألومنيوم (PAC). Qualit-E في ويكيبيديا الإنجليزية. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

الحصول

يتم الحصول على محاليل PAC أو PACl عمومًا عن طريق إضافة محلول قاعدي أو قلوي إلى محلول من كلوريد الألومنيوم (AlCl ₃).

للحصول على كمية كبيرة من بوليمرات Al ₁₃ ، يجب ألا توفر القاعدة أو القلويات المضافة أيونات OH ^- سريعة جدًا وليست بطيئة جدًا.

تشير بعض الدراسات إلى أنه من الصعب إنتاج تركيز عالٍ ثابت من Al ₁₃ باستخدام NaOH لأنه يطلق أيونات OH ^- بسرعة كبيرة في الماء.

لهذا السبب يفضل استخدام مركبات الكالسيوم (Ca) الأساسية ، والتي لها قابلية منخفضة للذوبان في الماء وبالتالي تطلق أيونات OH ^- ببطء. أحد مركبات الكالسيوم الأساسية هذه هو أكسيد الكالسيوم CaO.

فيما يلي الخطوات التي تحدث لتشكيل PAC.

التحلل المائي

عندما تذوب أملاح الألومنيوم (3) في الماء ، يحدث تفاعل تحلل مائي تلقائي حيث يأخذ الألمنيوم Al ³⁺ أيونات الهيدروكسيل OH ^- من الماء ويرتبط بها ، تاركًا H ⁺ البروتونات الحرة:

Al ³⁺ + H ₂ O → Al (OH) ²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → Al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

يتم المساعدة عن طريق إضافة قلوي ، أي OH ^- أيونات. ينضم أيون الألومنيوم Al ³⁺ بشكل متزايد إلى OH ^- الأنيونات:

Al ³⁺ → Al (OH) ²⁺ → Al (OH) ₂ ⁺ → Al (OH) ₃ ⁰ → Al (OH) ₄ ^-

بالإضافة إلى ذلك ، ^{يتم تشكيل} أنواع مثل Al (H ₂ O) ₆ ³⁺ ، أي أيون الألومنيوم مرتبط أو منسق مع ستة جزيئات ماء.

البلمرة

ثم تتشكل الروابط بين هذه الأنواع ، وتشكل ثنائيات (مجموعات من جزيئين) ومقلدات (مجموعات من 3 جزيئات) تتحول إلى أوليغومرات (مجموعات من 3 إلى 5 جزيئات) وبوليمرات (مجموعات من العديد من الجزيئات المتصلة).

Al (OH) ₂ ⁺ → Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ → Al ₃ (OH) ₅ ⁴⁺ → Al ₆ (OH) ₁₂ ⁶⁺ → Al ₁₃ (OH) ₃₂ ⁷⁺

يتم ربط هذا النوع من الأنواع بواسطة جسور OH مع بعضها البعض ومع Al (H ₂ O) ₆ ^{3+ ،} مما يشكل مجموعات من الجزيئات تسمى معقدات هيدروكسي أو polycations أو hydroxypolymers.

الصيغة العامة لهذه البوليمرات الكاتيونية هي Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} أو أيضًا Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +}.

البوليمر أهمية

يُعتقد أن أكثر هذه البوليمرات فائدة هو ما يسمى بـ Al ₁₃ الذي تكون صيغته AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ⁷⁺ ، ويُعرف أيضًا باسم Keggin-Al13.

إنه نوع له 7 شحنات موجبة (أي ، كاتيون سباعي التكافؤ) مع 13 ذرة ألمنيوم ، 24 وحدة OH ، 4 ذرات أكسجين ، و 12 وحدة ماء H ₂ O.

التطبيقات

- في معالجة المياه

PACl هو منتج تجاري لمعالجة المياه وجعلها صالحة للشرب (نظيفة وصالحة للشرب). كما يسمح بمعالجة النفايات والمياه الصناعية.

يمكن جعل المياه صالحة للشرب إذا تم معالجتها ببولي كلوريد الألومنيوم (PAC). المؤلف: ExplorerBob. المصدر: Pixabay.

يتم استخدامه كعامل تخثر في عمليات تحسين المياه. إنه أكثر فعالية من كبريتات الألومنيوم. يعتمد أداءها أو سلوكها على الأنواع الموجودة ، والتي تعتمد على الرقم الهيدروجيني.

كيف يعمل

يسمح PACl بتخثر المواد العضوية والجزيئات المعدنية. تجلط الدم يعني أن المركبات المراد التخلص منها تتحول من كونها ذائبة إلى صلبة. يتم تحقيق ذلك من خلال تفاعلات شحناته الموجبة مع الشحنات السالبة للمواد المراد تخثرها.

يُعتقد أن أنواع Al ₁₃ ، التي تحتوي على العديد من الشحنات الموجبة (+7) ، هي الأكثر فاعلية في تحييد الشحنات. ثم هناك تكوين الجسور بين الجسيمات التي تتكتل وتشكل الكتل.

تميل هذه الكتل ، لكونها ثقيلة جدًا ، إلى الترسب أو الاستقرار ، أي للذهاب إلى قاع الحاوية التي تحتوي على الماء الذي تتم معالجته. بهذه الطريقة يمكن إزالتها عن طريق الترشيح.

يستخدم بولي كلوريد الألومنيوم (PAC) لترسيب المواد العضوية وغير العضوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. صورة فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

مميزات

يعد PAC أفضل من كبريتات الألومنيوم لأنه يتمتع بأداء أفضل في درجات الحرارة المنخفضة ، ويترك بقايا أقل من الألومنيوم ، وينتج حجمًا أقل من الحمأة ، وتأثيرًا أقل على درجة الحموضة في الماء ، وتتشكل كتل أسرع وأكبر. كل ذلك يسهل الترسيب للترشيح اللاحق.

يمكن تنقية مياه المسبح باستخدام بولي كلوريد الألومنيوم (PAC). المؤلف: كالحة. المصدر: Pixabay.

- في صناعة اللب والورق

PAC فعال بشكل خاص في تعديل مواد الحشو الغروية في صناعة الورق. الشحنات الغروية هي شحنات المواد الصلبة العالقة في الخلائط لصنع عجينة الورق.

يسمح بتسريع سرعة الصرف (التخلص من الماء) خاصة في الظروف المحايدة والقلوية ، ويساعد في الاحتفاظ بالمواد الصلبة. المواد الصلبة هي تلك التي تشكل الورق لاحقًا عند التجفيف.

في هذا التطبيق يتم استخدام PAC مع أساسيات منخفضة (0-17٪) ومتوسطة (17-50٪).

في مصانع اللب والورق ، يستخدم بولي كلوريد الألومنيوم (PAC) للمساعدة في عملية الترسيب. المؤلف: 151390. المصدر: Pixabay.

- لتحسين الأسمنت

تم مؤخرًا (2019) اختبار إضافة PACl إلى الأسمنت البورتلاندي. تقرر أن وجود الكلور ^- أيونات الكلوريد والجماعات الألومنيوم البوليمرية تغيير هيكل من الاسمنت. ويقدر أن أملاح معقدة من الصيغة 3CaO.Al ₂ O ₃.CaCl ₂.10H ₂ O تتشكل.

يمكن تعزيز الأسمنت الإنشائي باستخدام بولي كلوريد الألومنيوم (PAC). Skeeze. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تشير النتائج إلى أن PACl يحسن خصائص الأسمنت ، ويقلل من عدد المسام الدقيقة (ثقوب صغيرة جدًا) وتصبح المصفوفة أكثر كثافة ومضغوطة ، وبالتالي تزداد مقاومة الضغط.

يزداد التأثير مع زيادة محتوى PACl. تؤكد الدراسة أن إضافة PACl إلى الأسمنت البورتلاندي ينتج عنه خليط ذو خواص ميكانيكية وتركيبية فائقة.

مع بولي كلوريد الألومنيوم ، تقل مسامية الأسمنت وتصبح أكثر مقاومة. بلاك بلاك 111. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

المراجع

1. كيم ، تي وآخرون. (2019). دراسة تأثير عديد كلوريد الألمنيوم على خواص الأسمنت البورتلاندي العادي. المواد 2019 ، 12 ، 3290. تم الاسترجاع من mdpi.com.
2. لي ، واي وآخرون. (2019). تحسين مادة البولي ألومنيوم كلوريد الشيتوزان Flocculant لمعالجة ملاط ​​الغاز الحيوي للخنازير باستخدام طريقة سطح استجابة Box-Behnken. Int. J. البيئة. الدقة.الصحة العامة 2019 ، 16 ، 996. تعافى من mdpi.com.
3. هوب ، م.كلوريد الألمنيوم المتعدد (باك). موسوعة مصغرة لكيمياء صناعة الورق. تعافى من projects.ncsu.edu.
4. تانغ ، هـ وآخرون. (2015). آليات الانتواع والاستقرار والتخثر لمجموعات الألمنيوم الهيدروكسيل المتكونة من PACl والشب: مراجعة نقدية. Adv Colloid Interface Sci 2015 ؛ 226 (نقطة أ): 78-85. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.
5. Bottero ، JY et al. (1980). دراسات لحلول كلوريد الألومنيوم المائي. 1. طبيعة أنواع الألومنيوم وتكوين المحاليل المائية. مجلة الكيمياء الفيزيائية ، المجلد 84 ، العدد 22 ، 1980. تم الاسترجاع من pubs.acs.org.
6. تشاو ، H.-Z. وآخرون. (2009). كلوريد متعدد الألومنيوم عالي التركيز: تحضير وتأثيرات تركيز Al على توزيع وتحويل أنواع Al. مجلة الهندسة الكيميائية 155 (2009) 528-533. تعافى من sciencedirect.com.
7. جيا ، زد وآخرون. (2004). توليف كلوريد البولي ألومنيوم مع مفاعل غشائي: تأثيرات معاملات التشغيل ومسارات التفاعل. المهندس الكيميائي الدقة.2004، 43، 12-17. تعافى من pubs.acs.org.
8. كيماويات جيو المتخصصة. كلوريد البولي ألمنيوم (باك). تعافى من geosc.com.