聚鋁的結(jié)構(gòu)及其絮凝性

聚鋁是指Al3+鹽到Al(OH)3(固)之間的一系列亞穩(wěn)態(tài)物，一般是三鋁到十三鋁的羥基絡(luò)合物，其中可能出現(xiàn)共享羥基或共享氧配位的結(jié)構(gòu)特征，由于聚鋁是一系列的亞穩(wěn)態(tài)物，環(huán)境條件稍有變化就會出現(xiàn)脫穩(wěn)現(xiàn)象，這種脫穩(wěn)是絮凝。

一種優(yōu)良的聚鋁水處理劑需要具有適宜的儲存性和適宜的脫穩(wěn)性，這在結(jié)構(gòu)上是通過控制適宜的堿化度和聚合度來實(shí)現(xiàn)，由于堿化度和聚合度是個宏觀概念，因此絮凝性能并非是堿化度和聚合度的線性表征。

長期以來，科學(xué)工作者對聚鋁水解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和特征作了大量的研究，但至今對其水解聚合形態(tài)分布尚不十分清楚。

目前存在著兩種不同的見解，線性聚合物觀點(diǎn)認(rèn)為，隨著堿化度增加程度加深，氯化鋁溶液中的水合三價鋁離子Al(H2O)63+八面體通過羥橋(Al-O-Al)聚合成線型多聚體。我國較早發(fā)表的論著多數(shù)引用這種觀點(diǎn)。

體型聚合物觀點(diǎn)認(rèn)為，聚合氯化鋁溶液起碼存在著有平衡關(guān)系的四種陽離子：單體、二聚體、體型十三聚體和結(jié)構(gòu)尚未確定的三維團(tuán)粒。

體型十三聚鋁的代表式為[AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+，它是周圍有十二個(AlO6)，中點(diǎn)包圍著一個四配位鋁(AlO4)“球形簇”(Spherical cluster) 狀的絡(luò)合離子，是起絮凝作用的主要活性物質(zhì)。

文獻(xiàn)報道，Al水解產(chǎn)生單鋁羥基絡(luò)合物，根據(jù)Al3+與O2-的離子半徑比0.14，可形成四配位體Al(OH)4-，這是一種單鋁多羥基絡(luò)合物，單鋁多羥基絡(luò)合物間比較鄰近的羥基靠氫鍵集合在一起，即OH...HO鍵型，這種鍵型在酸性環(huán)境中失水，使兩個單鋁羥基絡(luò)合物共享一個羥基，形成了雙鋁多羥基絡(luò)合物，繼續(xù)發(fā)展下去形成多鋁多羥基絡(luò)合物。通過羥基配位叫做羥基式橋聯(lián)反應(yīng)。

單鋁多羥基絡(luò)合物間的氫鍵相連的羥基在堿性環(huán)境中脫水形成Al-O-Al鍵：共享氧配位的氧式橋聯(lián)反應(yīng)。處于穩(wěn)態(tài)的聚鋁在不同稀釋比下兩類橋聯(lián)反應(yīng)都會發(fā)生。通常能得到的多鋁多羥基絡(luò)合物有：Al2(OH)24+、Al3(OH)45+、Al6(OH)153+、Al7(OH)174+、Al13(OH)327+，聚合度再發(fā)展下去就產(chǎn)生溶膠氫氧化鋁。

另外，在水解聚合鋁溶液中較穩(wěn)定的化學(xué)形態(tài)分為三類主要形態(tài)，單鋁形態(tài)[Ala]，即Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)2 +，聚合形態(tài)[Alb]，即Al2(OH)24+、Al7(OH)174+和Al13O4(OH)24+n(7-n)+(n=0，1，2)以及一種溶膠或凝膠形態(tài)[Alc」，即Al(OH)3。這些化學(xué)形態(tài)的分布和轉(zhuǎn)化不僅取決于溶液的化學(xué)特征，而且也取決于制備的方法。

例如，Al13(OH)345+，堿化度87%，它在相圖上恰恰是溶膠形Al(OH)3的外延，儲存性較差，不能成為聚鋁的有效成分；Al7(OH)174+堿化度81%，它隨pH變化的分布區(qū)域緊靠Al(OH)3區(qū)，準(zhǔn)穩(wěn)性也差。較有價值的是Al13O4(OH)247+，堿化度82%，在相圖上遠(yuǎn)離Al(OH)3(固)區(qū)，準(zhǔn)穩(wěn)性好，脫穩(wěn)趨勢大，是聚鋁的活性成分，在水中呈簇團(tuán)的膠粒，F(xiàn)X90O核磁共振儀測定在聚鋁中通常有這種成分，由此可見準(zhǔn)穩(wěn)性是取決于結(jié)構(gòu)而不是宏觀的堿化度的表現(xiàn)。因此堿化度的大小不能準(zhǔn)確衡量聚鋁的絮凝性能，因?yàn)橛懈�深層次上的結(jié)構(gòu)因素。

聚鋁的形成大致可分為三個階段：單鋁多羥基絡(luò)合物間的氫鍵集合體；集合體中氫鍵羥基的橋聯(lián)反應(yīng)；橋聯(lián)反應(yīng)之后多鋁多羥基離子的立體構(gòu)型。這三個階段均受到pH值的制約，也受到陰離子，如Cl-、HSO4-、SO4 2-、H2PO4-、SiO32-的影響，氫鍵的形成是至關(guān)重要的階段，它是導(dǎo)致聚鋁離子形成的起點(diǎn)，控制氫鍵數(shù)和方向常能控制有效成分的形成，從而控制其絮凝性能。