ポリ塩化アルミニウム：構造、特性、入手、用途 - 化学 - 2025

あるクラスの水溶性無機アルミニウム製品は、ポリ塩化アルミニウムと呼ばれ、塩化アルミニウムAlCl ₃と塩基の部分反応によって形成されます。それは白から黄色の固体です。その一般式は、しばしばAl _n（OH）_m Cl _（3n-m）として表されます。それらはPACまたはPACl（PolyAluminum Chloride）としても知られています。

PACは、それらが高度にカチオン性ポリマー（多くの正電荷を有するいくつかの分子のセット）を含むように処方されるアルミニウムイオン（Alから作ら³⁺）、塩化物イオン（Clで^- ）、ヒドロキシルイオン（OH）^-と水分子（H ₂ O）。

ポリ塩化アルミニウム（PAC）は、廃水処理プラントの凝集装置内の水から有機物および無機物を除去するために使用されます。著者：クビンガー。出典：Pixabay。

これらの種の最も重要なカチオン性ポリマーは、Al ₁₃またはKeggin-Al13 と呼ばれ、水処理やパルプおよび製紙業界で非常に効果的です。

これらの用途では、PACは粒子の表面に付着して粒子を結合させ、沈降させる、つまり底に落下させて濾過することができます。

ミクロレベルで構造を変更または変更するため、ポルトランドセメントの特性を改善するためのテストにも成功しており、これによりセメントの耐性が向上します。

構造

PACまたはPAClは、モノマー（単一分子）、ダイマー（2つの分子が結合）、オリゴマー（3〜5分子が結合）、ポリマー（多くの分子が結合）までの一連の種で構成されています。

その一般式はAl _n（OH）_m Cl _（3n-m）です。これらの種は、水に溶解させたイオンのAが含まれている場合³⁺、ヒドロキシルイオンはOH ^{- 、}塩化物イオンのCl ^-と水分子H ₂ Oを

水溶液では、その一般式はAl _x（OH）_y（H ₂ O）_n ^（3x-y）+またはAl _x O _z（OH）_y（H ₂ O）_n ^{（3x-y-2z）+}です。

これらのポリマーの中で最も有用なものは、式がAlO ₄ Al ₁₂（OH）₂₄（H ₂ O）₁₂ ^7+である Al ₁₃またはKeggin-Al13 と呼ばれるものです。種Ａｌ₁₃は三次元形状を有する。

なお、このポリカチオンの前駆体は、Al（OH）であると推定された₄ ^-四面体配座を有しており、構造の中心に見出されます。

命名法

-ポリ塩化アルミニウム

-PAC（ポリ塩化アルミニウム）

-PACl（ポリ塩化アルミニウム）

-ポリ塩化アルミニウム

-ポリヒドロキシ塩化アルミニウム

-塩酸アルミニウムまたはACH（塩化アルミニウム水和物）。

プロパティ

体調

異なる濃度の水溶液の形でも得られる白色から黄色の固体（粉末）。

溶解度

水に溶ける。

商用PACの特徴

さまざまなPACは、主に次の2つの点で互いに異なります。

-その強度_。アルミナAl ₂ O _3の％として表され_ます。

-PAC内の高分子材料の量を示すその塩基性度は、10％（低塩基性度）、50％（中塩基度度）、70％（高塩基度度）および83％（最高塩基度度）塩酸アルミニウムまたはACHに対応）。

化学的特性

PACは一種の水溶性アルミニウムプロダクトです。その一般式は、しばしばAl _n（OH）_m Cl _（3n-m）として表されます。

それらは、塩化アルミニウム（のAlCl反応させることによって製造されるので、₃塩基で）、製品のこれらのタイプの塩基性度は、OHの相対量に依存する^-イオンがアルミニウム（Al）の量と比較します。

式Al _n（OH）_m Cl _（3n-m）によれば、塩基度はm / 3nと定義されます。

凝集剤です。反対の電荷を持つ他の粒子への吸着のしやすさ（これらの粒子の表面に付着します）、凝固（吸着した複数の粒子の結合）、およびこれらの結合した粒子のグループの沈殿などの特性があります。

PACはpHに依存するため、不安定になる可能性があります。それらは腐食性である場合があります。

水中でのPACの挙動

PACを水に溶解すると、pHに応じて、さまざまなアルミニウムヒドロキシル（Al-OH）種が形成されます。

加水分解または水と反応して、モノマー（単一分子）、オリゴマー（3〜6分子が連結）、およびポリマー（6つを超える連結分子）を形成します。

最も重要な種は、13個のアルミニウム原子を持つポリマーで、これはKeggin-Al13と呼ばれます。

凝集剤としてのPACの機能

Keggin-Al13ポリマーは、水中に存在する粒子に吸着します。つまり、Keggin-Al13ポリマーはこれらの表面に付着し、それらを互いに追加してフロックを形成します。

フロックは、凝集または結合して非常に小さな粒子のグループであり、沈殿する、つまり水溶液の底に移動する大きな構造を形成します。

フロックを形成した後、それらが十分に大きい場合、それらは底に行き、水溶液はきれいです。

ポリ塩化アルミニウム（PAC）を使用できる水処理プラントの凝集および沈殿タンク。英語版ウィキペディアのQualit-E。出典：ウィキメディア・コモンズ。

入手

PACまたはPACl溶液は、通常、塩化アルミニウム（AlCl ₃）の溶液に塩基性溶液またはアルカリ性溶液を加えることによって得られます。

大量のAl ₁₃ポリマーを得るには、添加する塩基またはアルカリがOHイオンを提供してはいけません^-速すぎても遅すぎてもいけません。

いくつかの研究は、Alの安定した高濃度製造することが困難であることを示している₁₃がOHイオンを放出するためのNaOHを使用して^-水の中にあまりにも速く。

この理由のために基本的なカルシウム（Ca）の化合物が好ましく、水に低い溶解性を有するので、OHイオンを放出^-ゆっくり。これらの基本的なカルシウム化合物の1つは、酸化カルシウムCaOです。

ここにPACの形成のために発生するステップがあります。

加水分解

アルミニウム塩は、式（III）水に溶解したときに、自発的な加水分解反応は、アルミニウム（Al）ここで発生³⁺カチオンがOH、ヒドロキシルイオンを要する^-残し、水およびそれらに結合から遊離H ⁺プロトン：

Al ³⁺ + H ₂ O→Al（OH）²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O→Al（OH）₂ ⁺ + 2 H ⁺

これはOHであり、アルカリ、追加することによって支援される^-イオンを。アルミニウムイオンのAl ^3+はますますOH接合される^-アニオン：

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

さらに、Al（H ₂ O）₆ ³⁺などの種、つまり、6つの水分子と結合または調整されたアルミニウムイオン^{が形成され}ます。

重合

次に、これらの種の間で結合が形成され、二量体（2分子のセット）と三量体（3分子のセット）が形成され、オリゴマー（3から5分子のセット）とポリマー（多数の結合分子のセット）に変換されます。

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

この種の種は、OHブリッジによって互いに、またAl（H ₂ O）₆ ³⁺と結合して、ヒドロキシ複合体またはポリカチオンまたはヒドロキシポリマーと呼ばれる分子のセットを形成します。

これらのカチオン性ポリマーの一般式は、Al _x（OH）_y（H ₂ O）_n ^（3x-y）+またはAl _x O _z（OH）_y（H ₂ O）_n ^{（3x-y-2z）+}。

重要度ポリマー

これらのポリマーの最も有用なものは、式がAlO ₄ Al ₁₂（OH）₂₄（H ₂ O）₁₂ ⁷⁺であるいわゆるAl ₁₃であると考えられており、Keggin-Al13としても知られています。

これは、13個のアルミニウム原子、24個のOHユニット、4個の酸素原子、および12個の水H ₂ O ユニットを持つ7つの正電荷（つまり、7価のカチオン）を持つ種です。

用途

-水処理中

PAClは、水を処理して飲用（清潔で飲用）にする市販の製品です。また、廃棄物や工業用水の処理も可能です。

ポリ塩化アルミニウム（PAC）で処理すると、水を飲用可能にすることができます。著者：ExplorerBob。出典：Pixabay。

それは水の改善プロセスの凝固剤として使用されます。硫酸アルミニウムよりも効果的です。その性能や挙動は、pHに依存する存在する種に依存します。

どのように機能しますか

PAClを使用すると、有機材料と鉱物粒子を凝固させることができます。凝固とは、除去される化合物が溶解して固体になることを意味します。これは、凝固する材料の正の電荷と負の材料の相互作用によって実現されます。

非常に多くの正電荷（+7）を持つAl ₁₃種は、電荷の中和に最も効果的であると考えられています。次に、粒子間にブリッジが形成され、凝集してフロックを形成します。

これらのフロックは非常に重く、沈殿または沈殿する傾向があります。つまり、処理中の水が入っているコンテナの底に行きます。このようにして、ろ過によりそれらを取り除くことができます。

ポリ塩化アルミニウム（PAC）は、廃水処理プラントの有機物および無機物を沈殿させるために使用されます。米陸軍工兵隊の写真。出典：ウィキメディア・コモンズ。

利点

PACは、硫酸アルミニウムよりも優れています。これは、低温性能が高く、残留アルミニウムが少なく、スラッジ量が少なく、水のpHへの影響が少なく、より速く大きなフロックが形成されるためです。これらはすべて、その後のろ過のための沈殿を促進します。

プール水はポリ塩化アルミニウム（PAC）で浄化できます。作成者：Kalhh。出典：Pixabay。

-紙パルプ業界

PACは製紙のコロイドフィラーを変更するのに特に効果的です。コロイド電荷は、紙パルプを製造するための混合物中の懸濁固体の電荷です。

それは特に中性およびアルカリ性条件で排水（水の除去）の速度を加速することを可能にし、固形物の保持に役立ちます。固形分とは、後で乾燥したときに紙を形成するものです。

このアプリケーションでは、低（0-17％）および中（17-50％）の基本度のPACが使用されます。

パルプおよび製紙工場では、ポリ塩化アルミニウム（PAC）を使用して沈殿プロセスを支援しています。著者：151390。ソース：Pixabay。

-セメントを改善する

最近（2019年）、ポートランドセメントにPAClを追加することがテストされました。これは、塩化物イオンClで存在することを決定した^-と高分子アルミニウムグループのセメントの構造を変化させます。式3CaO.Al ₂ O ₃ .CaCl ₂ .10H ₂ Oの錯塩が形成されると推定される。

建設セメントは、ポリ塩化アルミニウム（PAC）で強化できます。スキーズ。出典：ウィキメディア・コモンズ。

結果は、PACLがセメントの特性を改善し、微細孔（非常に小さな穴）の数を減らし、マトリックスがより高密度でコンパクトになるため、圧縮に対する抵抗が増加することを示しています。

効果はPAClの含有量の増加とともに増加します。この研究では、PAClをポートランドセメントに添加すると、優れた機械的特性と微細構造特性を持つ混合物が生成されることが確認されています。

ポリ塩化アルミニウムを使用すると、セメントの気孔率が低下し、耐性が高まります。Blackblack111。出典：ウィキメディア・コモンズ。

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