专利名称：低温膜蒸馏技术制备高浓度高纯纳米型聚合氯化铝的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明公开一种新型高浓纳米型聚合氯化铝溶液的制备方法与装置，具体地说涉及一种采用新型膜蒸馏浓缩技术制备高浓高纯纳米聚合氯化铝溶液的方法及其实现该法的装置。
背景技术：
在水处理混凝技术领域中，无机高分子絮凝剂聚合氯化铝是在传统的铝盐混凝剂基础上发展起来的新型高效絮凝剂，是目前应用范围最广、产量最大的一种水处理主流药剂。聚合氯化铝絮凝剂实际是在人工强制水解条件下，铝离子水解-聚合-沉淀反应过程的动力学中间产物。大量的研究结果表明，聚合氯化铝絮凝剂中存在多种相互转化的水解聚合形态，其中，具有纳米粒径的Al13(Alb)形态一直被认为是聚合氯化铝中的优势絮凝形态，其含量直接反映了产品的絮凝效能。因此高浓纳米(Al13(Alb)＞70％)型聚合氯化铝溶液一直是PAC生产工艺和品质追求的最高目标。
高浓纳米型聚合氯化铝溶液不仅具有优异的絮凝效能，而且还是中性造纸施胶剂、炼油催化剂和医药、化妆品的重要添加原料，市场需求量大，应用前景广泛，但只有总铝浓度在2mol/l以上(Al2O3＞10％)的高浓纳米型聚合氯化铝溶液，才具有工业商品化生产意义并具有实际应用价值。然而，目前已商品化生产的聚合氯化铝絮凝剂主要采用化学合成工艺，高温低压或常压条件下生产制备，产品质量参差不齐，以粗制品为主。即使是精制品，液体制品的Al2O3浓度高达18％(相当于总铝3.5mol/L)，但碱化度一般较低(45-50％)，而且制品中的铝形态主要以Ala和Alc为主，Alb(Al13)则相对较低(＜30％)。而在实验室通过微量加碱合成制备的PAC溶液，其Al13含量可达到较高的水平(80％以上)，但存在浓度低这一致命弱点(小于0.1-0.2mol/L，相当于Al2O3含量为0.5-1％)，因此无法实施工业商品化生产。近年，一种采用电解法制备聚合氯化铝水处理药剂的生产工艺(专利号ZL02156733.6)，采用电化学原理制备一种高碱化度、高Alb(Al13)含量的聚合铝合成方法及产品，但由于阳极铝板消耗量大，价格高昂，也很难实施工业商品化生产。
研究已表明(赵华章，栾兆坤等，高浓度聚合氯化铝的合成及其形态分布与转化规律，环境科学，2004，25(5)，80-83；陈朝阳，栾兆坤等，总铝浓度对纳米Al13向Al30形态转化的影响，科学通报，2005，50(14)，1445-1449)，高含量的纳米聚Al13形态(70％以上)只用在高碱度(B＞2.3)，低浓度(总铝浓度＜0.5mol/L)，且在低温(＜85℃)的条件下生成，提高温度(＞95℃)，纳米Al13转化成Al30形态；提高总铝浓度，纳米Al13发生歧化反应，转化成溶胶Alc形态。
综上所述，目前的化学合成工艺和其它方法都很难生产制备出具有工业商品化的高浓纳米型聚合氯化铝溶液。
膜蒸馏浓缩方法是一种利用疏水性微孔膜将两种不同温度的溶液分开，并以膜孔两侧气相中组分的分压差为传质驱动力，从而完成传质的一种新型膜分离技术。膜蒸馏的基本过程为在料液侧得到非挥发性物质的浓缩液，同时在馏出液侧得到高纯度的挥发性物质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高浓纳米型聚合氯化铝溶液的膜蒸馏浓缩制备方法，该方法可在较温和的实验条件下，将低浓度高碱度的聚合氯化铝溶液浓缩成高浓纳米型聚合氯化铝溶液。
本发明的主要技术特点在于在常压条件下，将浓度为0.2～0.5mol/L，Alb(Al13)50％～75％，碱化度2.3～2.4的高碱度低浓度的聚合氯化铝溶液在40～85℃条件下通过一直新型疏水性微孔膜蒸馏浓缩装置进行连续循环浓缩，最终得到总铝浓度大于2.0mol/L，Alb(Al13)含量大于70％的高浓纳米型聚合氯化铝溶液。
本发明制备高浓纳米型聚合氯化铝溶液的方法包括下列两步骤(1)反应釜内定量加入氯化铝溶液，升温控制在70～85℃，然后定量投加NaOH溶液，加碱速度大于2.5mL/min，进行碱化聚合，最终制备成碱化度B在2.3～2.5，总铝浓度在0.2-0.5mol/L的高碱度低浓度聚合氯化铝溶液。
(2)一种新型疏水性微孔膜蒸馏浓缩装置，热侧为料液系统，料液为步骤(1)制备的高碱度低浓度的聚合氯化铝溶液，恒温水浴加热，温度保持在40～85℃；冷侧为纯水收集系统，纯水系统采用自来水循环冷却。热侧料液中蒸发的水蒸气不断通过疏水性微孔膜，料液逐步得到浓缩，料液中的Alb(Al13)含量不断提高并保持化学稳定性，最终得到总铝浓度大于2.0mol/L，Alb(Al13)含量高于70％的高浓度纳米型聚合氯化铝溶液。
本发明的两步骤，步骤(1)制备低浓度高含量Alb的聚合氯化铝溶液是成功制备高浓纳米型聚合氯化铝溶液的先驱条件，而步骤(2)通过疏水性微孔膜蒸馏浓缩装置的低温浓缩则是获得高浓纳米型聚合氯化铝溶液的关键。下面参照附图和实施例进一步叙述本发明技术特点
附图1是本发明所述装置的流程示意图。
图中1-聚合氯化铝溶液贮槽，2-低压泵，3-恒温水浴槽，4-换热盘管，5-膜组件，6-纯水贮槽，7-低温水浴槽。
附图2为实施例2所制备的聚合氯化铝溶液的27AlNMR谱图。
图中80ppm、62.5ppm、10ppm(宽峰)和0ppm处的峰分别代表内标物铝酸钠、Al13中铝氧四面体、低聚体和铝单体(Alm)的共振峰。
如附图1所示，流程分为两个部分。首先，高碱度低浓度的聚合氯化铝溶液从贮槽1中由低压泵2进入恒温水浴槽，经换热盘管加热至40～85℃，流入膜蒸馏组件5的料液侧，然后再回流进入贮槽1中，如此继续循环浓缩，直至溶液浓度达到2.0mol/L以上。同时，纯水从贮槽6中由低压泵2进入低温水浴槽，经换热盘管4冷却至自来水温度，流入膜蒸馏组件5的渗透液侧，然后携带从料液侧渗透过来的冷凝水再回流进入贮槽6，继续循环。
在此过程中，高碱度低浓度的聚合氯化铝溶液和纯水中的水蒸气由于温差的作用，在膜的两侧形成蒸汽压差，水蒸气通过膜孔，源源不断地从聚合氯化铝溶液中进入纯水中，从而使热侧料液得到连续浓缩，同时冷侧得到纯水产品。
以下列举3个实施例具体说明本发明的效果，但本发明的权利要求范围并非仅限于此。
实施例1制备碱化度B为2.4，总铝浓度为0.2mol/L的聚合氯化铝溶液，其中，溶液中Ala、Alb和Alc分别为5.2％、62.8％和32％。经膜蒸馏浓缩后，得到Ala、Alb和Alc分别为5.4％、85％和9.6％，总铝浓度为2.04mol/L的聚合氯化铝溶液。
实施例2碱化度B为2.47，总铝浓度为0.18mol/L的聚合氯化铝溶液，Ala、Alb和Alc分别为3.8％、74％和22.2％，经膜蒸馏后，得到Ala、Alb和Alc分别为4.3％、86.2％和9.5％，总铝浓度为2.12mol/L的聚合氯化铝溶液。27Al核磁共振检测结果表明，浓缩后的聚合铝溶液中纳米Al13含量高于67％，Ala为6.3％。
实施例3碱化度B为2.4，总铝浓度为0.42mol/L的聚合氯化铝溶液，Ala、Alb和Alc分别为3.6％、61％和35.4％，经膜蒸馏后，得到Ala、Alb和Alc分别为4.8％、76.0％和19.2％，总铝浓度为2.14mol/L的聚合氯化铝溶液。
权利要求
1.一种制备高浓度高纯纳米型聚合氯化铝的生产方法及装置。其特征在于采用低温膜蒸馏浓缩技术浓缩制备高浓高纯纳米型聚合氯化铝产品。
2.如权利要求1所述的低温膜蒸馏技术浓缩制备高纯纳米型聚合氯化铝，其特征在于利用板式或中空卷式微孔膜两侧的温差，在常压低温条件下，使低浓度高碱度的聚合氯化铝溶液中的水分以水蒸气的形式透过膜孔，在膜渗透侧不断收集纯水，同时在膜浓缩侧使聚合氯化铝溶液浓缩达到高浓度高纯纳米型聚合氯化铝溶液。
3.如权利要求1所述高浓高纯纳米型聚合氯化铝产品，其特征在于碱化度60～80％，总铝浓度大于2.0mol/L，Alb含量为70～90％，其中，具有纳米Keggin结构的Al13形态含量大于60％。
4.如权利要求2所述微孔膜，其特征在于采用平板或中孔卷式疏水性微孔膜，膜材质为聚丙烯，聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯，膜孔径为0.1～1.0μm。
5.如权利要求2所述的低浓度聚合氯化铝溶液，其特征在于碱化度为2.0～2.4，Alb含量为50～75％，总铝浓度为0.1～0.5mol/L。
6.如权利要求2所述常压低温，其特征在于膜蒸馏浓缩低浓度聚合氯化铝溶液的操作温度为40～85℃。
全文摘要
本发明公开一种高浓高纯纳米型聚合氯化铝的制备方法及工艺，成功地攻克了现有工艺技术无法制备高浓度高纯纳米形态的聚合氯化铝溶液。该方法先采用化学法制备碱化度2.3～2.4，浓度为0.2～0.5mol/L的低浓度高碱度的聚合氯化铝溶液，然后再通过一种新型膜蒸馏浓缩装置制备出浓度大于2.0mol/L、最佳絮凝成分Al
文档编号B01D61/36GK1982216SQ200510134228
公开日2007年6月20日 申请日期2005年12月14日 优先权日2005年12月14日
发明者栾兆坤, 郭宇杰, 范彬, 陈朝阳, 贾智萍 申请人:中国科学院生态环境研究中心