聚合氯化鋁（Poly Aluminium氯化物，簡稱PAC）是介于AlCl3和Al(OH)3之間的一種水溶性無機高分子聚合物，化學通式為[Al2(OH)nCl6-n]m（m≤10，n=1~5），其中m代表聚合程度，n表示中性程度，n=1~5為具有Keggin結構的高電荷聚合環鏈體，對水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯作用。
聚合氯化鋁有液體和固體兩種，液體聚合氯化鋁是淡黃色或無色透明液，但實際色澤因含雜質及鹽基度大小不同而異，有黃褐色、灰黑色、灰白色多種。固體聚合氯化鋁色澤與液體類似，其形狀隨鹽基度而變，鹽基度在30%以下時為晶體；在60%以上逐漸變為玻璃體或樹脂狀。聚合氯化鋁的類型分為飲用水用和工業水用兩種，分別執行不同的相關標準。
聚合氯化鋁主要作為絮凝劑適用于較復雜的江河水、水庫水、工業循環水及污水的凈化處理等，同時也適用于造紙、印染、水泥速凝劑、醫藥用品、化妝品等其他行業的生產過程。
發展過程
聚合氯化鋁作為一種高效的無機聚合物絮凝劑，早在20世紀30年代就被德、日、美等國科學家發現。60年代末期，日本確立了工業氫氧化鋁溶于鹽酸的生產工藝，使得聚合氯化鋁實現了工業化生產，并將生產技術輸出給英、法、德等國家。1969～1979年，日本聚合氯化氯化鋁產量增加11倍，因此，被稱為70年代劃時代的絮凝劑。
中國聚合氯化鋁的研制始于20世紀60年代末。結合中國的原料特點，充分利用工業廢料，相繼開發了“酸溶一步法”和“兩步酸溶法”生產工藝，以及利用廢堿氫氧化鈉溶鋁灰法和煤矸石制備聚合氯化鋁等生產工藝。這些研究成果極大地推動了中國聚合氯化鋁藥劑生產的進步。80年代，生產聚合氯化鋁轉向國際流行工藝，即以工業氫氧化鋁凝膠為原料制備高品質聚合氯化鋁絮凝劑，使中國聚合氯化鋁生產及品質在90年代初達到國際水平。隨后，聚合氯化鋁研究發展的主要方向是開發無機-無機和無機-有機復合高分子凝聚劑以及復配應用技術。
理化性質
聚合氯化鋁又稱堿式氯化鋁、羥基氯化鋁，是介于AICI3和AI(OH)3之間的水解產物，是具有Keggin結構（多陰離子族合物）的高電荷聚合環鏈體，對水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯作用，可強力去除微有毒物及重金屬離子。聚合氯化鋁是一種配位化合物，鋁是中心離子，氫氧根及氯是配位體，分子中所帶的羥基數量不等，分子相對質量最大達數千，密度則與產品氧化鋁含量、鹽基度及溫度有關。如在20 ℃時三氧化二鋁含量在10%-15%、鹽基度為60%時，密度在1.175-1.228g/cm3間變動。
聚合氯化鋁味酸澀，易溶于水并發生水解，同時伴隨著發生電化學、凝聚、吸附和沉淀等物理化學過程。聚合氯化鋁穩定性差，有腐蝕性，如不慎濺到皮膚上要立即用水沖洗干凈。聚合氯化鋁加熱110℃以上時會發生分解放出氯化氫，并分解為氧化鋁。聚合氯化鋁與酸作用發生解聚反應，使聚合度和堿度降低，最終變為正鋁鹽；與堿反應使聚合度和鹽基度提高，可生成氫氧化鋁沉淀或鋁酸鹽；與硫酸鋁或其他多價酸混合時易生成沉淀，一般會降低或完全失去混凝性能。
形成過程
形成條件
聚合氯化鋁屬于水溶性無機高分子物質，是鋁鹽水解過程的中間產物，因此選用不同的鋁鹽，不同的堿類，制成不同堿化度γ（OH/Al摩爾比），以不同方法制得的聚合氯化鋁，其絮凝效果差異很大，這與溶液中鋁的存在形態有密切關系。關于聚合氯化鋁溶液中鋁存在形態有兩種觀點：一是隨著堿化度增加，水解程度加深，溶液中AI(H2O)63+八面體通過基架橋（Al-O(H)-Al）聚合成線性多聚體；二是聚合氯化鋁溶液中存在著有平衡關系的四種陽離子，分別為單體、二聚體、體型十三聚體和三維團粒，其中體型十三聚體是起絮凝作用的主要活性物質。
影響因素
影響聚合氯化鋁溶液中鋁存在形態的因素有很多，除主要因素溶液中Al(Ⅲ)的總濃度和溶液的pH值外，還包括其它影響因素：陰離子組成、離子強度堿化劑種類、投加方式及速度、混合強度、溫度、熟化條件與反應時間等，現分述如下：
主要因素
聚合氯化鋁的生成過程是十分緩慢的動力學過程，聚合反應進行的程度主要取決于總鋁濃度和γ值。在稀溶液中聚合反應速度十分緩慢，而在濃溶液中則進行較快，但增大鋁離子濃度到一定程度后會使聚合態鋁離子的比例劇烈下降，不會再生成聚合態鋁離子，只能得到結構不明的溶膠物。
鋁離子濃度一定時，鋁的存在形態主要受γ值的影響，γ<1.5時，鋁主要以單體或低聚體形態存在；2.0<γ<2.5，水中優勢形態是體型十三聚體；γ>2.6時，生成氨氧化鋁凝膠，進而轉化為不定形氫氧化鋁沉淀以至晶體狀的[Al2(OH)6]n。
其它因素
當總鋁濃度和γ值一定時，鋁鹽原料及聚鋁制備過程中帶入的某些陰離子，在很大度上影響鋁的形態及生成機理，主要表現在：與鋁離子配位形成配位化合物，從而增加溶解態鋁的濃度；與聚合態鋁形成有多種陰離子參加的復雜陽離子，改變其凈水性能。此外，離子強度對聚合氯化鋁的存在形態也有影響。
作用機理
研究表明聚合氯化鋁不是單一的形態組成，而是包含了單體和聚合體在內的各種形態，按一定比例組成的復雜的化合物。聚合氯化鋁實際上是在一定條件下鋁鹽在水解-聚合-沉淀反應動力學過程的中間產物，其化學形態屬于多核羥基配合物或無機高分子化合物。其中，聚十三鋁（Al12A1O4(OH)247+，或Al13）是聚合氯化鋁中的最佳凝聚絮凝成分，其含量可以反映產品的有效性。
聚合氯化鋁加入水中水解后，絮凝體形成速度快，懸浮于水中，能吸附水中其它雜質顆粒于其表面，使自己的體積不斷增大，當增大到一定程度時，就沉積于容器底部，從而達到凈化水的目的。聚合氯化鋁絮凝效果優于硫酸鋁等一般的鋁鹽，適宜的pH值范圍較寬，在5~9之間，且投藥量比一般的鋁鹽低。聚合氯化鋁還可以根據所處理的水質來控制制造過程中的反應條件，制取所需要的最適宜的聚合物，達到優異的絮凝效果。
聚合氯化鋁的聚合過程是逐步進行的，一般經過2-3天穩定下來。由于橋連接轉化為氧橋連接，放出氫離子，溶液pH值也相應有微小降低。
制備方法
聚合氯化鋁的制備方法主要包括：氯化鋁溶液加堿、金屬鋁或鋁屑溶于鹽酸或堿溶液、氫氧化鋁凝膠溶于鹽酸、含鋁礦石和煉鋁中間液以鹽酸處理、廢鋁灰或煤矸石以鹽酸或堿液處理等。
金屬鋁直接溶解法
金屬態鋁直接與鹽酸或氯化鋁反應，參加反應的鋁的總當量數應大于鹽酸或Cl-的總當量數。根據反應時投料的鋁氯當量比值，能一次得到所要求的鹽基度的聚合氯化鋁。主要反應式如下：
由于原料昂貴，此方法除實驗室制造外，工業生產價值不大。
以結晶氫氧化鋁為原料
凝膠法
凝膠法是將結晶氫氧化鋁變為無定形態的凝膠狀氫氧化鋁，再和鹽酸反應生成聚合氯化鋁。此方法是日本大名化學工業公司的專利生產方法。主要反應如下：
（結晶氫氧化鋁） （四羥基合鋁酸鈉）
（凝膠氫氧化鋁）
（凝膠氫氧化鋁）
此方法的優點是生產條件好和產品品質高，缺點是流程長和成本高。
氣流活化法
氣流活化法是在凝膠法基礎上改進得到的。原理為結晶氫氧化鋁在熱氣流中部分脫水，得到比表面積較大的活性氧化鋁球，再與鹽酸反應、聚合，得到液體聚合氯化鋁產品。
加壓溶出法
此法的原理為通過加壓使鹽酸與結晶氫氧化鋁的反應溫度提高，從而增加氫氧化鋁的溶解，可以直接生產出鹽基度低于30%的高濃度聚合氯化鋁產品。為了進一步提高產品的鹽基度，通常采用鋁酸鈣礦粉進行中和聚合。這一工藝可以制備出高濃度及高質量的聚合氯化鋁產品。
以三氯化鋁為原料
中和法
在三氯化鋁溶液中加入氫氧化鈉、石灰、石灰石和碳酸鈉等堿性物質，提高氫氧根濃度，以促進三氯化鋁的不斷水解。不同的加堿量可得到不同鹽基度的聚合氯化鋁溶液。以投加氫氧化鈉和石灰石為例，化學反應式如下：
另外，采用四羥基合鋁酸鈉代替其他堿性物質可以降低原料的消耗，化學反應如下：
電滲析法
用電滲析法制備聚合氯化鋁是在離子交換樹脂法的基礎上發展起來的。以氯化鋁（或低鹽基度的聚合氯化鋁）為原料，利用離子交換樹脂的選擇性和水的電解原理來制備產品。
熱分解法
三氯化鋁在加熱條件下發生分解反應，生成氧化鋁和氯化氫氣體。如果控制熱分解的進程，便能得到介于三氯化鋁和氧化鋁之間的一系列中間產物，即不同鹽基度的聚合氯化鋁。熱分解反應如下：
以黏土礦或鋁土礦為原料
以黏土礦(或煤矸石)或鋁土礦為原料制造聚合氯化鋁，制備工藝較復雜，因為這些礦物中的鋁一般不能直接在酸中溶出，必須經過一系列加熱過程，使鋁溶出，再將雜質進行分離。此后的工藝過程則可以用上述方法制備。按鋁的溶出方式可分為以下兩種：
酸法是選用黏土礦、煤矸石、白陶土、一水軟鋁石礦、三水鋁石礦等礦物作為原料；堿法是用一水硬鋁石礦或其他含鋁礦物為原料，用碳酸鈉、生石灰與礦粉固相燒結反應，或用氫氧化鈉與礦粉液相反應，制得偏鋁酸鈉，再分解制得凝膠氫氧化鋁，用凝膠法制得聚合氯化鋁。
以鋁酸鈣粉為原料
鋁酸鈣粉是高鋁水泥礦的衍生物，在酸溶條件下，氧化鋁溶出率可達80％以上。可單獨使用鋁酸鈣粉作為聚合氯化鋁生產原料。中國生產廠家將鋁酸鈣粉在二次堿調增鋁工藝步驟上使用，既得到了高堿化度的聚合氯化鋁產品，又可增加聚合氯化鋁的氧化鋁含量。
質量指標
聚合氯化鋁有三個主要指標：三氧化二鋁含量、鹽基度、水不溶物。三氧化二鋁的含量要求均勻、穩定，以實現對膠體顆粒良好的吸附凝聚。鹽基度是羥基與鋁的比值，即鹽基度B=[OH]/3[Al]。作為聚合氯化鋁最重要的指標之一，鹽基度的高低對混凝效果有重要的影響。提高聚氯化鋁產品的鹽基度，可大幅提高生產和使用的經濟效益。鹽基度從65%提高到92%，生產原料成本可降低20%，使用成本可降低40%。水質不同，其適用的鹽基度不同。因此，必須根據水質篩選最佳范圍的鹽基度。水不溶物影響加藥裝置能否運轉正常，水不溶物過高會造成加藥管道的堵塞，造成維護困難，最終影響凝聚效果。
中華人民共和國國家標準GB 15892-2020中規定：固體三氧化二鋁（Al2O3）含量低于29.0%、鹽基度45.0%~90.0%、不溶物含量不高于0.1%；液體三氧化二鋁（Al2O3）含量不低于10.0%、鹽基度45.0%~90.0%、不溶物含量不高于0.1%。
應用領域
水處理劑
聚合氯化鋁廣泛用于生活飲用水、工業用水和工業廢水處理。在水解過程中，聚合氯化鋁伴隨發生凝聚、吸附和沉淀等物理化學過程，具有除臭脫色、除濁、殺菌、除鋁、除鉻、除油、除重金屬鹽、除放射性污染物及染料、其他有機污染物等功能，在水處理領域中，已被廣泛使用，具有以下優點：
聚合氯化鋁不僅具有好的凝聚除濁效果，而且也具有明顯的脫色及去除腐植酸效果。在相同的處理條件下達到最佳凝聚絮凝作用，聚合氯化鋁所需劑量比傳統鋁鹽要減少2/3；而在相同劑量條件下，使用聚合氯化鋁混凝除濁能夠獲得比傳統鋁鹽更低的殘余濁度，且最佳凝聚絮凝除濁區域較寬，同時過量也不易產生明顯的再穩定現象，因而易于操作控制。此外，聚合氯化鋁的適用pH值范圍比傳統鋁鹽要寬得多。
聚合氯化鋁具有良好的低溫混凝處理效能及沉降效能。一般在低溫水時，傳統混凝劑的混凝除濁效能會明顯降低并導致出水水質惡化，而使用聚合氯化鋁，無論是低溫還是常溫水，都能獲得較好的混凝除濁效果。此外，聚合氯化鋁能夠明顯提高固液分離效率，改善沉降過程及污泥脫水性能，縮短在沉淀池中的停留時間，增加水量。另外，由于所生成絮凝體顆粒大而緊密，因此易于進行過濾和污泥脫水。
聚合氯化鋁具有較低殘留鋁含量，處理后的水中殘留鋁含量十分低，傳統硫酸鋁處理水中的殘留鋁含量一般為150～255 μg/L，而聚合鋁處理水質中的殘留鋁含量只有40-55 μg/L。
其它用途
聚合氯化鋁還可用作現代精細化工黏結劑的原料、中性造紙施膠劑、國藥現代和化妝品的添加劑、化工生產偶聯劑和催化劑、抗汗劑添加劑等。
安全防護
毒理
聚合氯化鋁大鼠經口半數致死劑量（LD50）：3730 mg/kg。
儲存防護
液體聚合氯化鋁產品可用清潔、耐酸堿的專用儲罐（槽車）或聚乙烯塑料桶包裝、運輸。固體產品配用內襯聚乙烯塑料袋的塑料包裝袋包裝。聚合氯化鋁應儲存在陰涼、通風、干燥、清潔的庫房中，庫溫不宜超過37°C。運輸過程中，要防雨淋和烈日爆曬，應防止潮解。裝卸時要小心輕放，防止包裝破損。失火時，可用沙土、二氧化碳滅火器撲救。聚合氯化鋁有腐蝕性，如不慎濺到皮膚上，要立即用水沖洗干凈。生產和使用聚合氯化鋁的人員要穿工作服、戴口罩、手套、穿長筒膠靴。生產設備要密封，車間通風應良好。聚合氯化鋁無燃燒和爆炸危險。
使用注意事項
本產品必須溶解才能使用，溶解設備和加藥設施應采用耐腐蝕材料。
參考資料 >
中華人民共和國國家標準.中華人民共和國國家標準GB 15892-2020.2023-09-21