Estrutura do policloreto de alumínio, propriedades, obtenção, usos

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Basil Manning

Se chama policloreto de alumínio a uma classe de produtos de alumínio inorgânico solúveis em água, formados pela reação parcial de cloreto de alumínio AlCl3 com uma base. É um sólido branco a amarelo. Sua fórmula geral é frequentemente expressa como Aln(OH)mCl(3n-m). Eles também são conhecidos como PAC ou também PACl (sigla em inglês Cloreto de Poli Alumínio).

Os PACs são formulados de modo que contenham polímeros altamente catiônicos (conjuntos de várias moléculas com muitas cargas positivas) feitos de íons de alumínio (Al3+), íons cloreto (Cl-), íons hidroxila (OH)- e moléculas de água (HdoisOU).

O Policloreto de Alumínio (PAC) é usado para remover matéria orgânica e inorgânica da água em floculadores de estações de tratamento de águas residuais. Autor: Kubinger. Fonte: Pixabay.

O polímero catiônico mais importante dessas espécies é chamado de Al13 o Keggin-Al13 que é muito eficaz no tratamento de água e na indústria de fabricação de papel e celulose.

Nessas aplicações, os PACs aderem à superfície das partículas fazendo com que elas se liguem e possam sedimentar, ou seja, cair para o fundo e ser filtradas..

Também foi testado com sucesso para melhorar as propriedades do cimento Portland, pois modifica ou altera sua estrutura em um nível micro e isso torna o cimento mais resistente.

Índice do artigo

  • 1 Estrutura
  • 2 Nomenclatura
  • 3 propriedades
    • 3.1 Estado físico
    • 3.2 Solubilidade
    • 3.3 Características dos PACs comerciais
    • 3.4 Propriedades químicas
    • 3.5 Comportamento do PAC na água
    • 3.6 Papel do PAC como um floculante
  • 4 Obtendo
    • 4.1 Hidrólise
    • 4.2 Polimerização
    • 4.3 Polímero de importância
  • 5 usos
    • 5.1 - No tratamento de água
    • 5.2 - Na indústria de fabricação de celulose e papel
    • 5.3 - Para melhorar o cimento
  • 6 referências

Estrutura

PAC ou PACl é composto por uma série de espécies que variam de monômeros (uma única molécula), dímeros (duas moléculas unidas), oligômeros (três a cinco moléculas unidas) a polímeros (muitas moléculas unidas).

Sua fórmula geral é Aln(OH)mCl(3n-m). Quando dissolvidas em água, essas espécies contêm íons de Al3+, íons hidroxila OH-, íon cloreto Cl- e moléculas de água HdoisOU.

Em solução aquosa sua fórmula geral é Alx(OH)Y(HdoisOU)n(3x-y)+ ou também AlxOUz(OH)Y(HdoisOU)n(3x-y-2z)+.

O mais útil desses polímeros é chamado de Al13 ou Keggin-Al13 cuja fórmula é AlO4Para o12(OH)24(HdoisOU)127+. A espécie Al13 tem uma forma tridimensional.

Estima-se que o precursor deste policatião seja Al (OH)4-, que apresenta uma conformação tetraédrica e está localizada no centro da estrutura.

Nomenclatura

- Policloreto de alumínio

- PAC (acrônimo do inglês Cloreto de Poli Alumínio)

- PACl (acrônimo do inglês Cloreto de Poli Alumínio)

- Cloreto de polialumínio

- Polihidroxicloreto de alumínio

- Cloridrato de alumínio ou ACH (acrônimo do inglês Cloridrato de Alumínio).

Propriedades

Estado físico

Sólido (pó) branco a amarelo que também é obtido na forma de soluções aquosas de diferentes concentrações.

Solubilidade

Solúvel em água.

Características de PACs comerciais

Os vários PACs diferem uns dos outros principalmente por duas coisas:

- Sua força, expressa como% alumina AldoisOU3.

- Sua basicidade, que indica a quantidade de material polimérico no PAC, pode variar entre 10% (basicidade baixa), 50% (basicidade média), 70% (basicidade alta) e 83% (basicidade máxima, que corresponde ao cloridrato de alumínio ou ACH).

Propriedades quimicas

PAC é um tipo de produto de alumínio solúvel em água. Sua fórmula geral é frequentemente expressa como Aln(OH)mCl(3n-m).

Uma vez que são produzidos pela reação de cloreto de alumínio (AlCl3) com uma base, a basicidade deste tipo de produto depende da quantidade relativa de íons OH- em comparação com a quantidade de alumínio (Al).

De acordo com a fórmula Aln(OH)mCl(3n-m), basicidade é definida como m / 3n.

É um floculante. Possui propriedades como facilidade de adsorção em outras partículas de carga oposta (adere à superfície destas), coagulação (união de várias partículas nas quais foi adsorvido) e precipitação desses grupos de partículas unidas.

Os PACs podem ser instáveis, pois dependem do pH. Eles podem ser corrosivos.

Comportamento do PAC na água

Ao dissolver o PAC em água e dependendo do pH, várias espécies de hidroxila de alumínio (Al-OH) são formadas.

Hidrolisa ou reage com água para formar monômeros (moléculas unitárias), oligômeros (ligação de 3 a 6 moléculas) e polímeros (mais de 6 moléculas de ligação).

A espécie mais importante é um polímero com 13 átomos de alumínio, que é denominado Keggin-Al13.

O papel do PAC como floculante

O polímero Keggin-Al13 se adsorve nas partículas presentes na água, ou seja, adere na superfície destas, e faz com que elas se juntem formando flocos.

Flocos são grupos de partículas muito pequenas aglutinadas ou unidas para formar estruturas maiores que podem sedimentar, ou seja, ir para o fundo da solução aquosa..

Depois de formar flocos, quando são grandes o suficiente vão para o fundo e a solução aquosa é limpa.

Floculação e tanques de sedimentação de uma estação de tratamento de água onde pode ser usado poli cloreto de alumínio (PAC). Qualit-E na Wikipedia em inglês [domínio público]. Fonte: Wikimedia Commons.

Obtendo

As soluções de PAC ou PACl são geralmente obtidas pela adição de uma solução básica ou alcalina a uma solução de cloreto de alumínio (AlCl3).

Para obter uma grande quantidade de polímeros de Al13 a base ou álcali adicionado não deve fornecer íons OH- muito rápido não muito lento.

Estudos indicam que é difícil produzir uma alta concentração estável de Al13 usando NaOH porque libera íons OH- muito rápido na água.

Por esse motivo, os compostos básicos de cálcio (Ca) são preferidos, os quais apresentam baixa solubilidade em água e, portanto, liberam íons OH.- devagar. Um desses compostos básicos de cálcio é o óxido de cálcio CaO.

Aqui estão as etapas que ocorrem para a formação do PAC.

Hidrólise

Quando os sais de alumínio (iii) se dissolvem em água, uma reação de hidrólise ocorre espontaneamente na qual o cátion alumínio Al3+ leva íons hidroxila OH- de água e se liga a eles, deixando prótons H+ gratuitamente:

Para o3+ + HdoisO → Al (OH)dois+ + H+

Para o3+ + 2 hdoisO → Al (OH)dois+ + 2 h+

Isso é favorecido pela adição de um álcali, ou seja, íons OH.-. Íon Al Alumínio3+ cada vez mais se liga a ânions OH-:

Para o3+ → Al (OH)dois+ → Al (OH)dois+ → Al (OH)30 → Al (OH)4-

Além disso, espécies como Al (HdoisOU)63+, ou seja, um íon de alumínio ligado ou coordenado com seis moléculas de água.

Polimerização

Em seguida, ligações são formadas entre essas espécies, formando dímeros (conjuntos de 2 moléculas) e trímeros (conjuntos de 3 moléculas) que são transformados em oligômeros (conjuntos de 3 a 5 moléculas) e polímeros (conjuntos de muitas moléculas unidas).

Al (OH)dois+ → Aldois(OH)dois4+ → Al3(OH)54+ → Al6(OH)126+ → Al13(OH)327+

Este tipo de espécie está ligado por pontes OH entre si e com o Al (HdoisOU)63+ formando conjuntos de moléculas que são chamadas de complexos de hidroxi ou policatiões ou hidroxipolímeros.

A fórmula geral desses polímeros catiônicos é Alx(OH)Y(HdoisOU)n(3x-y)+ ou também AlxOUz(OH)Y(HdoisOU)n(3x-y-2z)+.

Polímero de importância

Acredita-se que o mais útil desses polímeros seja chamado de Al13 cuja fórmula é AlO4Para o12(OH)24(HdoisOU)127+, e também é conhecido como Keggin-Al13.

É uma espécie com 7 cargas positivas (ou seja, um cátion heptavalente) com 13 átomos de alumínio, 24 unidades OH, 4 átomos de oxigênio e 12 H unidades de água.doisOU.

Formulários

- No tratamento de água

PACl é um produto comercial para tratar água e torná-la potável (limpa e potável). Também permite o tratamento de efluentes e água industrial.

A água pode ser tornada potável se for tratada com cloreto de polialumínio (PAC). Autor: ExplorerBob. Fonte: Pixabay.

É usado como agente de coagulação em processos de melhoria de água. É mais eficaz do que o sulfato de alumínio. Seu desempenho ou comportamento depende da espécie presente, que depende do pH.

Como funciona

O PACl permite a coagulação de material orgânico e partículas minerais. Coagular significa que os compostos a serem eliminados passam de dissolvidos a sólidos. Isso é obtido por meio das interações de suas cargas positivas com as negativas dos materiais a serem coagulados..

A espécie Al13, como tem tantas cargas positivas (+7), é o mais eficaz na neutralização de cargas. Em seguida, ocorre a formação de pontes entre as partículas que se aglomeram e formam flocos.

Esses flocos, por serem muito pesados, tendem a precipitar ou sedimentar, ou seja, ir para o fundo do recipiente que contém a água que está sendo tratada. Desta forma, eles podem ser removidos por filtração.

Policloreto de alumínio (PAC) é usado para sedimentar matéria orgânica e inorgânica em estações de tratamento de águas residuais. NÓS. Foto do Corpo de Engenheiros do Exército [domínio público]. Fonte: Wikimedia Commons.

Vantagem

O PAC é melhor do que o sulfato de alumínio porque tem melhor desempenho em baixas temperaturas, deixa menos resíduos de alumínio, produz menos volume de lodo, menos efeito no pH da água e flocos maiores e mais rápidos são formados. Tudo isso facilita a sedimentação para filtração posterior..

A água da piscina pode ser purificada com poli (cloreto de alumínio) (PAC). Autor: Kalhh. Fonte: Pixabay.

-Na indústria de celulose e papel

O PAC é especialmente eficaz na modificação de cargas coloidais na fabricação de papel. Cargas coloidais são as cargas dos sólidos suspensos nas misturas para fazer a polpa de papel..

Permite acelerar a velocidade de drenagem (eliminação de água) principalmente em condições neutras e alcalinas, e auxilia na retenção de sólidos. Os sólidos são aqueles que posteriormente, ao secar, formam o papel.

Nesta aplicação, são usados ​​PAC com basicidades baixa (0-17%) e média (17-50%).

Nas fábricas de celulose e papel, o poli cloreto de alumínio (PAC) é utilizado para auxiliar no processo de sedimentação. Autor: 151390. Fonte: Pixabay.

- Para melhorar o cimento

Recentemente (2019) a adição de PACl ao cimento Portland foi testada. Foi determinado que a presença de íons cloreto Cl- e dos grupos poliméricos de alumínio altera a estrutura do cimento. Estima-se que sejam formados sais complexos de fórmula 3CaO.doisOU3.CaCldois.10hdoisOU.

O cimento de construção pode ser reforçado com poli cloreto de alumínio (PAC). Skeeze [CC0]. Fonte: Wikimedia Commons.

Os resultados indicam que o PACl melhora as propriedades do cimento, diminui o número de microporos (orifícios muito pequenos) e a matriz torna-se mais densa e compacta, portanto a resistência à compressão aumenta..

O efeito aumenta com o aumento do conteúdo de PACI. O estudo confirma que adicionando PACl ao cimento Portland, uma mistura com propriedades mecânicas e microestruturais superiores é obtida..

Com o policloreto de alumínio, a porosidade do cimento diminui e ele se torna mais resistente. Blackblack111 [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]. Fonte: Wikimedia Commons.

Referências

  1. Kim, T. et al. (2019). Investigando os efeitos do cloreto de polialumínio nas propriedades do cimento Portland comum. Materiais 2019, 12, 3290. Recuperado de mdpi.com.
  2. Li, Y. et al. (2019). Otimização do floculante de cloreto de polialumínio-quitosana para o tratamento de dejetos de biogás de suínos usando o método de superfície de resposta Box-Behnken. Int. J. Environ. Res. Public Health 2019, 16, 996. Recuperado de mdpi.com.
  3. Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Recuperado de projects.ncsu.edu.
  4. Tang, H. et al. (2015). Mecanismos de especiação, estabilidade e coagulação de aglomerados de hidroxilalumínio formados por PACl e alúmen: uma revisão crítica. Adv Colloid Interface Sci 2015; 226 (Pt A): 78-85. Recuperado de ncbi.nlm.nih.gov.
  5. Bottero, J.Y. et al. (1980). Estudos de soluções de cloreto de alumínio hidrolisado. 1. Natureza das espécies de alumínio e composição das soluções aquosas. The Journal of Physical Chemistry, Vol. 84, No. 22, 1980. Retirado de pubs.acs.org.
  6. Zhao, H.-Z. et al. (2009). Cloreto de polialumínio de alta concentração: Preparação e efeitos da concentração de Al na distribuição e transformação de espécies de Al. Chemical Engineering Journal 155 (2009) 528-533. Recuperado de sciencedirect.com.
  7. Jia, Z. et al. (2004). Síntese de cloreto de polialumínio com um reator de membrana: efeitos de parâmetros operacionais e vias de reação. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 12-17. Recuperado de pubs.acs.org.
  8. GEO Speciality Chemicals. Cloreto de polialumínio (PAC). Recuperado de geosc.com.

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