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PAC中铝元素的水解形态特征及其转化规律

  铝的水解形态特征及其转化规律

  铝在元素周期表中位于第三周期IIIA主族,铝原子的价电子层结构较易失去电子表现出+3氧化数,是一种较活泼的金属。+3这一较高氧化数,使铝形成化合物时显共价。由于价电子层有4个原子轨道却只有3个价电子,所以铝+3氧化态化合物是缺电子化合物,接受电子的能力很强,易于形成聚合分子或稳定的配位化合物,其配位数可以是6或4。铝还与碳、氮、氧、氢、卤素等键合形成多种化合物,尤其是对氧具有特殊亲和性。铝元素的化学特性,决定了水溶液中铝的水化学反应及其水解形态转化的复杂多变性。

  铝的水化学反应主要涉及高价金属离子在水中发生的一系列水解反应,生成各种铝羟基络合离子,最终生成氢氧化铝沉淀AI(OH)3,但由于其两性化学特征和强烈的水解聚合趋势,它的水解反应与其它金属离子具有明显的不同之处。铝离子在水溶液一般是以水合络离子形式存在,当pH<3时,铝与6个水分子配位结合而生成水合络离子,[al(h20)6]+,ph>4时,水合络离子将随之发生一系列的逐级水解反应,释放H+离子并导致水溶液pH值降低。

  聚合氯化铝.jpg铝水解反应过程大致分为三个阶段:

  a)初始阶段,B<0.5,滴加OH一与A1)+迅速络合生成单核羟基络离子,溶液pH逐渐升高;

  b)聚合阶段,O.5

  c)凝胶.沉淀生成阶段,在AI(III)>1 0"2mol/L、B>2,5的条件下,生成的高聚形态逐渐向凝胶.沉淀方向转变,聚合形态对OH一的结合渐趋饱和,此时继续滴加OH~,将生成局部沉淀而导致pH值迅速升高。当B=3.0时,水解形态全部转化成AI(OH)3凝胶沉淀,导致PH上升至8.5以上。

  铝的水解形态分布取决于多种因素。其中最主要是溶液pH,或OH/AI。根据Al—Ferron逐时络合比色法测定结果,铝的水解形态大致可分三类:即Al。单体形态;AIb,二维片状聚合形态;AI。,三维体面凝胶形态。在不同pH或OH/AI的水解铝溶液中,可同时存在多种不同类型的水解聚合形态。一般在低铝浓度(AI<10-4mol/L)的酸性(pH<4)或碱性(ph>8)溶液中,铝的水解形态以单体羟基络离子为主;在pH=4~8之间或OH/AI>1.0,铝的水解形态以聚合形态为主。因此,在特定铝浓度及OH/A1时,三类形态具有不同分布比例。

  由于铝水解聚合反应过程及形态分布极其复杂,加上以往对铝形态的研究所用测定方法不同,因此所得结果也不尽相同。水溶液中究竟存在哪些形态,其生成机理及结构特征如何,至今仍是众说纷纭。综合前人大量研究成果,铝的化学形态可确切的、但不是唯一的说明是:存在五种单体形态,A13+,AI(OH)2+,AI(OH)2+,AI(OH)3(aq)和AI(OH)4;三种聚合形态,[A1 2(OH)2]4+,[A13(OH)4]5+和[1[Al]3(OH)32];一种固体形态,AI(OH)3(s)。

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