聚铝的结构及其絮凝性

聚铝的结构及其絮凝性

聚铝是指Al3+盐到Al(OH)3(固)之间的一系列亚稳态物(wù)，一般是三铝到十三铝的羟基络合物(wù)，其中可(kě)能(néng)出现共享羟基或共享氧配位的结构特征，由于聚铝是一系列的亚稳态物(wù)，环境条件稍有(yǒu)变化就会出现脱稳现象，这种脱稳是絮凝。

一种优良的聚铝水处理(lǐ)剂需要具有(yǒu)适宜的储存性和适宜的脱稳性，这在结构上是通过控制适宜的碱化度和聚合度来实现，由于碱化度和聚合度是个宏观概念，因此絮凝性能(néng)并非是碱化度和聚合度的線(xiàn)性表征。

長(cháng)期以来，科(kē)學(xué)工作者对聚铝水解产物(wù)的结构和特征作了大量的研究，但至今对其水解聚合形态分(fēn)布尚不十分(fēn)清楚。

目前存在着两种不同的见解，線(xiàn)性聚合物(wù)观点认為(wèi)，随着碱化度增加程度加深，氯化铝溶液中的水合三价铝离子Al(H2O)63+八面體(tǐ)通过羟桥(Al-O-Al)聚合成線(xiàn)型多(duō)聚體(tǐ)。我國(guó)较早发表的论著多(duō)数引用(yòng)这种观点。

體(tǐ)型聚合物(wù)观点认為(wèi)，聚合氯化铝溶液起码存在着有(yǒu)平衡关系的四种阳离子：单體(tǐ)、二聚體(tǐ)、體(tǐ)型十三聚體(tǐ)和结构尚未确定的三维团粒。

體(tǐ)型十三聚铝的代表式為(wèi)[AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+，它是周围有(yǒu)十二个(AlO6)，中点包围着一个四配位铝(AlO4)“球形簇”(Spherical cluster) 状的络合离子，是起絮凝作用(yòng)的主要活性物(wù)质。

文(wén)献报道，Al水解产生单铝羟基络合物(wù)，根据Al3+与O2-的离子半径比0.14，可(kě)形成四配位體(tǐ)Al(OH)4-，这是一种单铝多(duō)羟基络合物(wù)，单铝多(duō)羟基络合物(wù)间比较邻近的羟基靠氢键集合在一起，即OH...HO键型，这种键型在酸性环境中失水，使两个单铝羟基络合物(wù)共享一个羟基，形成了双铝多(duō)羟基络合物(wù)，继续发展下去形成多(duō)铝多(duō)羟基络合物(wù)。通过羟基配位叫做羟基式桥联反应。

单铝多(duō)羟基络合物(wù)间的氢键相连的羟基在碱性环境中脱水形成Al-O-Al键：共享氧配位的氧式桥联反应。处于稳态的聚铝在不同稀释比下两类桥联反应都会发生。通常能(néng)得到的多(duō)铝多(duō)羟基络合物(wù)有(yǒu)：Al2(OH)24+、Al3(OH)45+、Al6(OH)153+、Al7(OH)174+、Al13(OH)327+，聚合度再发展下去就产生溶胶氢氧化铝。

另外，在水解聚合铝溶液中较稳定的化學(xué)形态分(fēn)為(wèi)三类主要形态，单铝形态[Ala]，即Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2 +，聚合形态[Alb]，即Al2(OH)24+、Al7(OH)174+和Al13O4(OH)24+n(7-n)+(n=0，1，2)以及一种溶胶或凝胶形态[Alc」，即Al(OH)3。这些化學(xué)形态的分(fēn)布和转化不仅取决于溶液的化學(xué)特征，而且也取决于制备的方法。

例如，Al13(OH)345+，碱化度87%，它在相图上恰恰是溶胶形Al(OH)3的外延，储存性较差，不能(néng)成為(wèi)聚铝的有(yǒu)效成分(fēn)；Al7(OH)174+碱化度81%，它随pH变化的分(fēn)布區(qū)域紧靠Al(OH)3區(qū)，准稳性也差。较有(yǒu)价值的是Al13O4(OH)247+，碱化度82%，在相图上遠(yuǎn)离Al(OH)3(固)區(qū)，准稳性好，脱稳趋势大，是聚铝的活性成分(fēn)，在水中呈簇团的胶粒，FX90O核磁共振仪测定在聚铝中通常有(yǒu)这种成分(fēn)，由此可(kě)见准稳性是取决于结构而不是宏观的碱化度的表现。因此碱化度的大小(xiǎo)不能(néng)准确衡量聚铝的絮凝性能(néng)，因為(wèi)有(yǒu)更深层次上的结构因素。

聚铝的形成大致可(kě)分(fēn)為(wèi)三个阶段：单铝多(duō)羟基络合物(wù)间的氢键集合體(tǐ)；集合體(tǐ)中氢键羟基的桥联反应；桥联反应之后多(duō)铝多(duō)羟基离子的立體(tǐ)构型。这三个阶段均受到pH值的制约，也受到阴离子，如Cl-、HSO4-、SO4 2-、H2PO4-、SiO32-的影响，氢键的形成是至关重要的阶段，它是导致聚铝离子形成的起点，控制氢键数和方向常能(néng)控制有(yǒu)效成分(fēn)的形成，从而控制其絮凝性能(néng)。