Structure en polychlorure d'aluminium, propriétés, obtention, utilisations

Il s'appelle polychlorure d'aluminium à une classe de produits en aluminium inorganique hydrosolubles, formés par la réaction partielle du chlorure d'aluminium AlCl₃ avec une base. C'est un solide blanc à jaune. Sa formule générale est souvent exprimée en Al_n(OH)_mCl_{(3 nm-m)}. Ils sont également connus sous le nom de PAC ou aussi PACl (acronyme de l'anglais Chlorure de polyaluminium).

Les PAC sont formulés de manière à contenir des polymères hautement cationiques (assemblages de plusieurs molécules avec de nombreuses charges positives) constitués d'ions aluminium (Al³⁺), ions chlorure (Cl^-), ions hydroxyles (OH)^- et les molécules d'eau (H_deuxOU ALORS).

Le polymère cationique le plus important de ces espèces est appelé Al₁₃ o Keggin-Al13 qui est très efficace dans le traitement de l'eau et dans l'industrie de la fabrication de pâtes et papiers.

Dans ces applications, les PAC adhèrent à la surface des particules en les faisant se lier et peuvent se déposer, c'est-à-dire tomber vers le bas et être filtrés..

Il a également été testé avec succès pour améliorer les propriétés du ciment Portland, car il modifie ou change sa structure à un niveau micro, ce qui rend le ciment plus résistant..

Index des articles

• 1 Structure
• 2 Nomenclature
• 3 propriétés
  • 3.1 État physique
  • 3.2 Solubilité
  • 3.3 Caractéristiques des PAC commerciaux
  • 3.4 Propriétés chimiques
  • 3.5 Comportement du PAC dans l'eau
  • 3.6 Rôle du PAC en tant que floculant
• 4 Obtention
  • 4.1 Hydrolyse
  • 4.2 Polymérisation
  • 4.3 Importance du polymère
• 5 utilisations
  • 5.1 - Dans le traitement de l'eau
  • 5.2 -Dans l'industrie de la fabrication des pâtes et papiers
  • 5.3 - Pour améliorer le ciment
• 6 Références

Structure

PAC ou PACl est constitué d'une série d'espèces allant des monomères (une seule molécule), des dimères (deux molécules réunies), des oligomères (trois à cinq molécules réunies) aux polymères (de nombreuses molécules réunies).

Sa formule générale est Al_n(OH)_mCl_{(3 nm-m)}. Lorsqu'elles sont dissoutes dans l'eau, ces espèces contiennent des ions Al³⁺, ions hydroxyles OH^-, ion chlorure Cl^- et molécules d'eau H_deuxOU ALORS.

En solution aqueuse, sa formule générale est Al_X(OH)_Oui(H_deuxOU ALORS)_n^(3x-y)+ ou aussi Al_XOU ALORS_z(OH)_Oui(H_deuxOU ALORS)_n^(3x-y-2z)+.

Le plus utile de ces polymères est appelé Al₁₃ ou Keggin-Al13 dont la formule est AlO₄Au₁₂(OH)₂₄(H_deuxOU ALORS)₁₂⁷⁺. L'espèce Al₁₃ a une forme tridimensionnelle.

On estime que le précurseur de ce polycation est Al (OH)₄^-, qui présente une conformation tétraédrique et est situé au centre de la structure.

Nomenclature

- Polychlorure d'aluminium

- PAC (acronyme de l'anglais Chlorure d'aluminium poly)

- PACl (acronyme de l'anglais Chlorure d'aluminium poly)

- Chlorure de polyaluminium

- Polyhydroxychlorure d'aluminium

- Chlorhydrate d'aluminium ou ACH (acronyme de l'anglais Chlorure d'aluminium hydraté).

Propriétés

État physique

Solide (poudre) blanc à jaune également obtenu sous forme de solutions aqueuses de différentes concentrations.

Solubilité

Soluble dans l'eau.

Caractéristiques des PAC commerciaux

Les différents PAC diffèrent les uns des autres principalement par deux choses:

- Sa force, exprimée en% d'alumine Al_deuxOU ALORS_3.

- Sa basicité, qui indique la quantité de matière polymère dans le PAC, et peut varier entre 10% (basique faible), 50% (basicité moyenne), 70% (basicité élevée) et 83% (basicité la plus élevée, ce qui correspond au chlorhydrate d'aluminium ou ACH).

Propriétés chimiques

PAC est une sorte de produits en aluminium solubles dans l'eau. Sa formule générale est souvent exprimée en Al_n(OH)_mCl_{(3 nm-m)}.

Puisqu'ils sont produits en faisant réagir du chlorure d'aluminium (AlCl₃) avec une base, la basicité de ce type de produit dépend de la quantité relative d'ions OH^- par rapport à la quantité d'aluminium (Al).

Selon la formule Al_n(OH)_mCl_{(3 nm-m)}, la basicité est définie comme m / 3n.

C'est un floculant. Il a des propriétés telles que la facilité d'adsorption sur d'autres particules de charge opposée (il adhère à la surface de celles-ci), la coagulation (union de plusieurs particules sur lesquelles il a été adsorbé) et la précipitation de ces groupes de particules unies.

Les PAC peuvent être instables car ils dépendent du pH. Ils peuvent être corrosifs.

Comportement des PAC dans l'eau

Lors de la dissolution du PAC dans l'eau et en fonction du pH, diverses espèces d'aluminium-hydroxyle (Al-OH) se forment.

Hydrolyse ou réagit avec l'eau pour former des monomères (molécules unitaires), des oligomères (3 à 6 molécules de liaison) et des polymères (plus de 6 molécules de liaison).

L'espèce la plus importante est un polymère à 13 atomes d'aluminium, appelé Keggin-Al13.

Le rôle du PAC en tant que floculant

Le polymère Keggin-Al13 s'adsorbe sur les particules présentes dans l'eau, c'est-à-dire qu'il colle à la surface de celles-ci et les amène à s'additionner en formant des flocs..

Les flocs sont des groupes de très petites particules agglutinées ou unies pour former des structures plus grandes qui peuvent sédimenter, c'est-à-dire aller au fond de la solution aqueuse..

Après avoir formé des flocs, lorsqu'ils sont suffisamment gros, ils vont au fond et la solution aqueuse est propre.

Obtention

Les solutions de PAC ou PACl sont généralement obtenues en ajoutant une solution basique ou alcaline à une solution de chlorure d'aluminium (AlCl₃).

Pour obtenir une grande quantité de polymères Al₁₃ la base ou l'alcali ajouté ne doit pas fournir d'ions OH^- trop vite pas trop lent.

Des études indiquent qu'il est difficile de produire une concentration élevée et stable d'Al₁₃ utilisant NaOH car il libère des ions OH^- trop vite dans l'eau.

Pour cette raison, les composés basiques de calcium (Ca) sont préférés, qui ont une faible solubilité dans l'eau et libèrent ainsi des ions OH.^- lentement. L'un de ces composés basiques de calcium est l'oxyde de calcium CaO.

Voici les étapes à suivre pour la formation du PAC.

Hydrolyse

Lorsque les sels d'aluminium (iii) se dissolvent dans l'eau, une réaction d'hydrolyse se produit spontanément dans laquelle le cation aluminium Al³⁺ prend des ions hydroxyles OH^- d'eau et se lie à eux, laissant les protons H⁺ libre:

Au³⁺ + H_deuxO → Al (OH)^deux+ + H⁺

Au³⁺ + 2 heures_deuxO → Al (OH)_deux⁺ + 2 heures⁺

Ceci est favorisé en ajoutant un alcali, c'est-à-dire des ions OH.^-. Aluminium Al ion³⁺ se lie de plus en plus aux anions OH^-:

Au³⁺ → Al (OH)^deux+ → Al (OH)_deux⁺ → Al (OH)₃⁰ → Al (OH)₄^-

De plus, des espèces telles que Al (H_deuxOU ALORS)₆³⁺, c'est-à-dire un ion aluminium lié ou coordonné avec six molécules d'eau.

Polymérisation

Ensuite, des liaisons se forment entre ces espèces, formant des dimères (ensembles de 2 molécules) et des trimères (ensembles de 3 molécules) qui se transforment en oligomères (ensembles de 3 à 5 molécules) et en polymères (ensembles de nombreuses molécules jointes).

Al (OH)_deux⁺ → Al_deux(OH)_deux⁴⁺ → Al₃(OH)₅⁴⁺ → Al₆(OH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺

Ce type d'espèce est lié par des ponts OH entre eux et avec l'Al (H_deuxOU ALORS)₆³⁺ formant des ensembles de molécules appelés complexes hydroxy ou polycations ou hydroxypolymères.

La formule générale de ces polymères cationiques est Al_X(OH)_Oui(H_deuxOU ALORS)_n^(3x-y)+ ou aussi Al_XOU ALORS_z(OH)_Oui(H_deuxOU ALORS)_n^(3x-y-2z)+.

Polymère d'importance

On pense que le plus utile de ces polymères s'appelle Al₁₃ dont la formule est AlO₄Au₁₂(OH)₂₄(H_deuxOU ALORS)₁₂⁷⁺, et il est également connu sous le nom de Keggin-Al13.

C'est une espèce à 7 charges positives (c'est-à-dire un cation heptavalent) avec 13 atomes d'aluminium, 24 unités OH, 4 atomes d'oxygène et 12 unités eau H._deuxOU ALORS.

Applications

- Dans le traitement de l'eau

PACl est un produit commercial pour traiter l'eau et la rendre potable (propre et potable). Il permet également de traiter les déchets et les eaux industrielles.

Il est utilisé comme agent de coagulation dans les processus d'amélioration de l'eau. Il est plus efficace que le sulfate d'aluminium. Sa performance ou son comportement dépend de l'espèce présente, qui dépend du pH.

Comment ça marche

PACl permet la coagulation de la matière organique et des particules minérales. Coaguler signifie que les composés à éliminer passent de la dissolution à l'état solide. Ceci est réalisé grâce aux interactions de ses charges positives avec les charges négatives des matériaux à coaguler..

L'espèce Al₁₃, comme il a autant de charges positives (+7), il est le plus efficace pour neutraliser les charges. Ensuite, il y a la formation de ponts entre les particules qui s'agglomèrent et forment des flocs.

Ces flocs, étant très lourds, ont tendance à précipiter ou à se déposer, c'est-à-dire à aller au fond du récipient contenant l'eau à traiter. De cette façon, ils peuvent être éliminés par filtration.

avantage

Le PAC est meilleur que le sulfate d'aluminium car il a de meilleures performances à basse température, laisse moins de résidus d'aluminium, produit moins de volume de boue, moins d'effet sur le pH de l'eau et des flocs plus rapides et plus gros se forment. Tout cela facilite la sédimentation pour une filtration ultérieure..

-Dans l'industrie des pâtes et papiers

Le PAC est particulièrement efficace pour modifier les charges colloïdales dans la fabrication du papier. Les charges colloïdales sont les charges des solides en suspension dans les mélanges pour fabriquer de la pâte à papier..

Il permet d'accélérer la vitesse de drainage (élimination de l'eau) notamment en conditions neutres et alcalines, et contribue à la rétention des solides. Les solides sont ceux qui plus tard, lors du séchage, forment le papier.

Dans cette application, des PAC avec des basicités faibles (0-17%) et moyennes (17-50%) sont utilisées.

- Pour améliorer le ciment

Récemment (2019) l'ajout de PACl au ciment Portland a été testé. Il a été déterminé que la présence d'ions chlorure Cl^- et des groupes polymères de l'aluminium modifie la structure du ciment. On estime que des sels complexes de formule 3CaO se forment._deuxOU ALORS₃.CaCl_deux.10H_deuxOU ALORS.

Les résultats indiquent que le PACl améliore les propriétés du ciment, diminue le nombre de micropores (très petits trous) et la matrice devient plus dense et compacte, donc la résistance à la compression augmente..

L'effet augmente avec l'augmentation de la teneur en PACl. L'étude confirme qu'en ajoutant du PACl au ciment Portland, on obtient un mélange aux propriétés mécaniques et microstructurales supérieures..

Les références

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