Журналы →  Цветные металлы →  2017 →  №3 →  Назад

Легкие металлы, углеродные материалы
Название Математическое моделирование и оптимизация процесса получения гидроксохлорида алюминия
DOI 10.17580/tsm.2017.03.09
Автор Балмаев Б. Г., Тужилин А. С., Киров С. С., Шебалкова А. Ю.
Информация об авторе

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва, Россия:

Б. Г. Балмаев, ведущий науч. сотр., лаборатория «Физикохимия и технологии алюминия», эл. почта: 3.boris@gmail.com
А. С. Тужилин, исп. обяз. вед. науч. сотр., лаборатория «Физикохимия и технологии алюминия», эл. почта: dkdm@mail.ru
А. Ю. Шебалкова, инженер, лаборатория «Физикохимия и технологии алюминия»


Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

С. С. Киров, доцент кафедры цветных металлов и золота, эл. почта: kirovss@list.ru

Реферат

Исследован процесс взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой с применением вероятностно-детерминированного планирования эксперимента. Этот метод, основанный на латинских квадратах и уравнении Протодьяконова, позволяет учитывать физический смысл процесса растворения в частных зависимостях и адекватно прогнозировать процесс за пределами изменения аргументов. Изучено влияние температуры и продолжительности выщелачивания, избытка гидроксида алюминия к стехиометрии образования гидроксохлорида алюминия Al(OH)Cl2. Эксперименты проведены в ампульных автоклавах. Перемешивание осуществлялось вращением самих автоклавов в вертикальной плоскости. В результате аппроксимации экспериментальных данных получены частные зависимости атомного отношения алюминия к хлору в гидроксохлориде алюминия от различных факторов. Установлено, что на процесс получения гидроксохлоридов алюминия самое большое влияние оказывает температура процесса. Так, при температуре 160 оС получена смесь хлорида алюминия и гидроксохлорида алюминия, а при 180 оС получен продукт без хлорида алюминия с атомным отношением алюминия к хлору 0,5. При увеличении продолжительности процесса с 3 до 5 ч атомное отношение алюминия к хлору меняется с 0,41 до 0,50. При объединении частных зависимостей в уравнение Протодьяконова получена обобщающая зависимость процесса получения гидроксохлорида алюминия от изучаемых факторов. Для проверки адекватности данной зависимости использован коэффициент нелинейной множест венной корреляции и его значимость. Полученная математическая модель использована для оптимизации и прогно зирования процесса. Меняя исходные условия процесса выщелачивания гидроксида алюминия соляной кислотой по модели, можно прогнозировать состав получаемого продукта в области значений, где экспериментальная проверка является экономически нецелесообразной. В оптимальных условиях взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой в одну стадию получен низкоосновный гидроксохлорид алюминия Al(OH)Cl2 с атомным отношением Al:Cl = 0,504.

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения обязательств по Соглашению о предоставлении субсидии от «02» ноября 2015 г. № 14.581.21.0019 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI58115X0019).

Ключевые слова Гидроксид алюминия, алюминиевые комплексы, основность, гидроксохлорид алюминия, частные зависимости, математическая модель, адекватность модели, параметры растворения
Библиографический список

1. Hendricks D. Fundamentals of Water Treatment Unit Processes: Physical, Chemical, and Biological. — Boca Raton (USA): CRC Press, Taylor and Francis Group, 2010. — 927 p.
2. Angel B. M., Apte S. C., Batley G. E., Golding L. A. Geochemical controls on aluminium concentrations in coastal waters // Environ. Chem. 2015. Vol. 13, No. 1. P. 111–118. DOI: 10.1071/EN15029
3. Hui Xu, Ruyuan Jiao, Feng Xiao, Dong Sheng Wang. Relative importance of hydrolyzed Al species (Ala, Alb, Alc) on residual Al and effects of nano-particles (Fe-surface modified TiO2 and Al2O3) on coagulation process // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2014. No. 446. P. 139–150.
4. Singhal A., Keefer K. D. A study of aluminum speciation in aluminum chloride solutions by small angle x-ray scattering and 27A1 NMR // J. Mater. Res. 1994. Vol. 9, No. 8. P. 1973–1983.
5. Sarpola A., Hietapelto V., Jalonen J., Jokela J., Laitinen R. S. Identification of the hydrolysis products of AlCl3·6H2O by electrospray ionization mass spectrometry // J. Mass Spectrom. 2004. Vol. 39, No. 4. P. 423–430.
6. Cvijovic M., Kilibard V., Jelikic-Stankov M., Lazarevic I., Jakovljevic I., Joksovic L., Durdevic P. ESI-MS study of speciation in hydrolyzed aluminum chloride solutions // Journal of the Brazilian Chemical Society. 2012. Vol. 23, No. 6. P. 1087–1097.
7. Zhao Z., Liu H., Qu J. Effect of pH on the aluminum salts hydrolysis during coagulation process: Formation and decomposition of polymeric aluminum species // J. Colloid Interface Sci. 2009. Vol. 330, No. 1. P. 105–112.
8. Новаков И. А., Радченко Ф. С. Наноразмерные алюмоксановые частицы — прекурсоры органо-неорганических гибридных полимерных композиций // Известия ВолгГТУ. Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов. 2013. Вып. 10, № 4. С. 107–122.
9. Xiao F., Zhang B., Lee Ch. Effects of low temperature on aluminium (III) hydrolysis: Theoretical and experimental studies // Journal of Environmental Sciences. 2008. Vol. 20, No. 8. P. 907–914.
10. Sarpola A. T., Hietapelto V. K., Jalonen J. E., Jokela J., Rämö J. H. Comparison of hydrolysis products of AlCl3·6H2O in different concentrations by electrospray ionization time of flight mass spectrometer (ESI TOF MS) // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2006. Vol. 86, No. 13. P. 1007–1018.
11. Wesolowski D. J., Palmer D. A. Aluminum Speciation and Equilibria in Aqueous Solutions: V. Gibbsite Solubility at 50 oC and pH 3–9 in 0,1 Molal NaCl Solutions (A General Model for Aluminum Speciation; Analytical Methods) // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994. Vol. 58. P. 2947–2969.
12. Shuchismita D. Synthesis and Application of γ-Alumina Nanopowders: A Dissertation. — Rourkela, India: Academic Autonomy National Institute of Technology, 2014. — 17 p.
13. Ivanov V. V., Kirik S. D., Shubin A. А., Blokhina I. A., Denisov V. M., Irtugo L. А. Thermolysis of acidic aluminum chloride solution and its products // Ceramics International. 2013. Vol. 39, No. 4. P. 3843–3848.
14. Запольский А. К., Баран А. А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. — Л. : Химия, 1987. — 208 с.
15. Тужилин А. С., Лайнер Ю. А., Сурова Л. М. Синтез и исследование различных форм гидроксохлорида алюминия, полученного из алюминийсодержащих отходов // Химическая технология. 2006. №. 9. С. 2–6.
16. Петросянц С. П., Буслаев Ю. А. Комплексообразование алюминия в растворах // Журнал неорганической химии. 1999. Т. 44, № 11. С. 1766–1776.
17. Тужилин А. С., Лайнер Ю. А., Сурова Л. М. Физико-химические свойства гидроксохлоридов алюминия различной основности // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2007. № 2. С. 18–23.
18. Воробьев И. Б., Николаев И. В., Киров С. С. и др. Определение условий кристаллизации основных фаз гидроксида алюминия при карбонизации алюминатных растворов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2006. № 6. C. 17–21.
19. Малышев В. П. Вероятностно-детерминированное отображение. — Караганда : Гылым, 1994. — 370 с.
20. Протодьяконов М. М., Тедер Р. И. Методика рационального планирования эксперимента. — М. : Наука, 1970. — 74 с.

Полный текст статьи Получить
Назад