Алюмінію сульфат. Застосування у рослинництві та водоочистці

Алюмінію сульфат - сіль білого кольору, дрібний порошок, існує у вигляді кристалогідрату. Добре розчиняється у воді. Використовують для синтезу багатьох важливих алюмінієвих сполук, як затверджувач, фіксатор фарби, бактерицид та коагулянт.

Як використовувати сульфат алюмінію для підживлення та підкислення ґрунту для зміни кольору квітів гортензії?

Для зміни забарвлень суцвіття на блакитний, а також для здорового росту і розвитку гортензій рекомендують підливати розчином алюмінію сульфату. На 10 літрів води - 25 г добрива. Ретельно перемішуємо до повного розчинення та рівномірної концентрації речовини у розчині. Поливати розчином сульфату алюмінію гортензії раз у 2-4 тижні. Це потрібно робити для підтривання кислотності ґрунту нижче 7.

До речі, відмінною альтернативою сульфату алюмінію є алюмокалієві галуни.

Також можна вносити добрива для підкислення у сухому вигляді у ґрунт тричі впродовж сезону: навесні на початку інтенсивного росту пагонів, у період формування бутонів, під час цвітіння (але не пізніше середини вересня). Для цього можна використати: калію сульфат, сірку, амонію сульфат.

Алюміній сульфат для очищення води від каламуті у басейні 

Сульфат алюмінію використовується для освітлення та очищення води у басейні. Сіль має коагулюючі властивості, що допомагає системі фільтрації вловлювати частинки забруднювачів різного розміру та будови. Завдяки використанню сульфату алюмінію вода у басейні стає прозорою.

Для очищення води від каламуті треба взяти 25-50 г сульфату алюмінію на 10 м³  води, що обробляється. Готуємо розчин, повністю розчиняючи в посудині розраховану кількість сульфату алюмінію, далі виливаємо рівномірно по всьому периметру басейну.  Вмикаємо фільтрацію на 2 - 4 години. Після завершення роботи фільтру, даємо воді відстоятися, щоб осад повністю осів на дно, який потім можна легко прибрати водним пилосом чи іншими способами.

Для профілактики  можна використовувати раз на тиждень.

Як це працює?

Коагуляція — це процес злипання часточок у колоїдних системах з утворенням більш чи менш крупних агрегатів, що призводить до порушення агрегативної стійкості поля. При введені у воду солей алюмінію та заліза в результаті гідролізу утворюються малорозчинні у водному середовищі гідроксиди. В процесі гідролізу відбувається зниження агрегативної стійкості системи під дією електроліту (введеної солі), сорбція іонів на поверхні часток та утворення в результаті хімічної реакції нових сполук, що мають гідрофобні властивості. Фізико-хімічна теорія коагуляційного очищення води дає змогу сформулювати науково обґрунтовані рекомендації щодо оптимізації технологічного процесу підготовки якісної питної води з природних вод. Розрізняють коагуляцію нейтралізаційну, концентраційну і специфічну (під дією різних фізичних факторів — механічних, випромінювань, дії електричного поля тощо). Найбільшого розповсюдження в технології очищення питної води отримали сульфат алюмінію та хлорид заліза (ІІІ). Зазначені реагенти мають достатньо велику ефективність, проте вони не позбавлені ряду суттєвих недоліків. Сульфат алюмінію є недостатньо ефективним при зниженні температури води в зимовий період або при зниженні рН < 6 очищуваної води. При значеннях рН > 8,0 спостерігається утворення розчинних комплексів алюмінію, що впливає на зниження ефекту очищення та збільшення вмісту залишкового алюмінію у питній воді.

Гідроліз сульфату алюмінію можна представити у вигляді сумарних реакцій:
Al2(SO4)3+6HOH↔2Al(OH)3+3H2SO4
2Al3++6HOH↔2Al(OH)3+6H+
Al3+:H+=1:3

Процес коагуляції та очищення води залежить від наступних факторів: природи та дози коагулянту, складу та рН води, температури, іонного складу води. При оптимальній дозі коагулянту досягається максимальне видалення з води забруднюючих речовин і практично повна відсутність залишкової кількості алюмінію і заліза у воді. Існує кілька визначень оптимальної дози коагулянту. За ГОСТ 2874-54 оптимальною дозою До називається мінімальна доза, яка забезпечує прозорість очищеної води 30 см “за шрифтом”. Як видно з рівняння, в процесі гідролізу утворюються іони водню Н+ (іони гідроксонію Н3О+ або протони) і середовище підкислюється. Для того, щоб забезпечити повний гідроліз коагулянту, необхідно зрушити рівновагу праворуч речовинами, які мають лужний характер NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2 або іонами СО32- та НСО3-, які у природних водах виконують роль буферної системи, що дає можливість підтримувати у воді певний інтервал рН. При цьому протони зв’язуються в малодисоційовану воду або малостійкі сполуки вугільної кислоти.
Н++ОН-=Н2О
Н++НСО3- =Н2СО3= Н2О+ СО2
Представимо гідроліз лужних коагулянтів в природній воді рівняннями:
Al2(SO4)3+3Са(НСО3)=2Al(OH)3+СаSO4+ СО2
342 6 мг-екв НСО3- 1 мг 0,0052

Таким чином, при гідролізі 1 мг сульфату алюмінію на зв’язування Н+ витрачається 0,0052 мг-екв іонів НСО3- або мг-екв лужності. Тому для практичних цілей при очищенні природних вод лужність води визначається за формулою: Сульфат алюмінію: Л=0,0052·Д+1, де
Д – доза коагулянту, мг/дм3; Л – лужність води, мг-екв/ дм3; 1 – резервна лужність, мг-екв/ дм3.

При недостатній лужності природної води та її високій каламутності неможливо підібрати оптимальну дозу коагулянту. Тому, щоб підвищити лужність води, проводять її підлужування. Можна використовувати різні лужні реагенти, але частіше всього це суспензія вапна завдяки його широкій розповсюдженості та низької вартості. При використанні сульфату алюмінію вапно зручно ще й тим, що іони кальцію утворюють малорозчинний сульфат. В даному випадку солевміст та жорсткість води не збільшуються:
H++SO42-+Ca2++2OH--=CaSO4+2H2O
При коагуляційному очищенні води сполуки алюмінію слід особливу уваги приділяти рН середовища, так як Al(OH)3 має амфотерний характер, і в кислому середовищі розчиняється з видаленням Al3+, у лужному середовищі – алюмінат-аніону. І в тому, і в іншому випадку відбувається неповний гідроліз коагулянту і залишається високий вміст алюмінію в очищеній воді.

Ізоелектрична точка коагуляції хімічно чистого Al(OH)3 у дистильованій воді відповідає рН ≈ 5,5 (при цьому розчинність мінімальна і складає ≈ 0,3 мг/дм3). рН ізоелектричної точки підвищується в природній воді і значно більше залежить від аніонного складу, ніж від катіонного. Так, в природних водах коагуляція колоїду Al(OH)3, який утворюється у результаті гідролізу Al2(SO4)3, відбувається досить добре при рН 5,7-7,8; у м’яких водах при рН 5,7-6,6; у водах середньої жорсткості (12-17 °С) – при рН 6,6-7,2; у водах з високою жорсткістю – при рН 7,3-7,8. Тому перед проведенням коагуляції необхідно знати склад води для кореляції лужності.

Процес гідролізу багатозарядних катіонів алюмінію та заліза є зворотньою реакцією, для якої застосовується емпіричне правило Вант-Гоффа: підвищення температури на кожні 10 °С збільшує її швидкість приблизно в 2-4 рази:
Vt=V0·γΔt/10,
γ – температурний коефіцієнт швидкості реакції.

При підвищенні температури знижується ступінь гідратації золю Al(OH)3, його стійкість та розчинність, що збільшує швидкість утворення та осадження пластівців, покращує якість очищення. Зниження температури призводить до уповільнення коагуляції внаслідок зниження кінетичної рухливості часток і числа активних зіткнень, а також збільшення в’язкості води. Остання пов’язана з рН рівнянням:
- рН = 0,5·lgKв – lgГв,
Кв – іонний добуток води, 1·10-14;
Гв – густина води.
Тому при низьких температурах підвищується в’язкість і збільшується витрата лужного реагенту у зв’язку з ростом оптимального рН коагуляції. Так, зниження температури від 50 до 0 °С підвищує рН від 6,63 до 7,47. Оптимальною температурою для коагуляції при використанні сульфату алюмінію є 25-30 °С; зниження температури збільшує дозу коагулянту.

Іноді для визначення оптимальної дози коагулянту використовують емпіричну формулу, в якій враховуються кілька параметрів води: колірність (К), лужність (Л), температура (Т) та залишковий вміст хлору після хлорування:
ДК=0,9·К + 13,6·Л + 0,4·Т + 0,9[Cl-] + 4

Приготування розчинів сульфату алюмінію

Приготування 1 %-го розчину сульфату алюмінію з чистого продукту (реактиву)

1 г зневодненого сульфату алюмінію Al2(SO4)3 або 1,95 г кристалогідрату Al2(SO4)3·18H2O розміщують в мірній колбі 100 см3, розчиняють при нагріванні в 30-50 мл дистильованої води, охолоджують і доводять до мітки дистильованою водою. Встановлювати концентрацію свіжого розчину не потрібно. При тривалому зберіганні його концентрацію перевіряють перед проведенням дослідів.

Приготування 1 %-го розчину сульфату алюмінію з технічного продукту (коагулянту)

Для коагулювання у водопідготовці використовують глинозем – алюміній сульфат технічний очищений. У залежності від ступеню очищення алюмомісткий коагулянт може містити від 30 до 40 % сульфату алюмінію. Тому після приготування розчину коагулянту з технічного продукту необхідно встановити його концентрацію. 5 г коагулянту розчинюють в 100 мл підігрітої води. При злежуванні коагулянту (утворення твердих грудок) його перед зважуванням розтирають у порцеляновій ступці. Після повного розчинення концентрацію розчину, що утворився, визначають об’ємним титруванням або по густині розчину.

Реакції катіонів алюмінію

Гідроліз

Розчинні солі алюмінію, а також алюмінати у водних розчинах піддаються гідролізу. Алюміній гідроксид Аl(ОН)3 є дуже слабкою основою, а метаалюмінатна кислота НАlО2 – дуже слабкою кислотою. Тому при взаємодії з водою йони Аl3+ утворюють Аl(ОН)3, а йони АlО2- – відповідно НАlО2, яка вже потім переходить у Аl(ОН)3.

Дія NaOH i КОН

Дія надлишку 6 моль/дм3 розчину NaOH у присутності Н2О2 при нагріванні:

Алюміній гідроксид відноситься до амфотерних електролітів, які проявляють одночасно кислотні й основні властивості:
Аl(ОН)3 + 3НСl = АlСl3 + 3Н2О
Аl(ОН)3 + NaOH = NaAlO2 + 2Н2О.
З розчину натрій метаалюмінату можна знову виділити алюміній гідроксид, додавши твердого NH4Cl (рН розчину ≈ 10).
NaAlО2 + NH4Cl + Н2О = Аl(ОН)3↓ + NaCl + NH3↑.
Механізм реакції полягає в тому, що у водному розчині NaAlО2 піддається гідролізу й натрій гідроксид, який при цьому утворюється, реагує з NH4Cl з виділенням газоподібного NH3. Нагрівання сприяє вилученню амоніаку із розчину й тим самим зміщує рівновагу вправо. Так відділяють алюміній від цинку.

Дія NН4ОН

При взаємодії амоній гідроксиду з розчинами солей алюмінію утворюється білий драглистий осад Аl(ОН)3 частково розчинний у великому надвишку реактиву. Кип’ятінням розчину до зникнення запаху амоніаку можна досягнути повного осадження алюмінію.
При невеликих концентраціях алюмінію гідроксид утворює колоїдні розчини й осад не випадає, але при кип’ятінні, особливо в присутності амонійної солі, з розчину виділяються характерні драглисті пластівці Аl(ОН)3. При відкритті «слідів» алюмінію осадженням його за допомогою NH4OH до розчину додають солі Феруму. Ферум гідроксид, що утворюється, виконує роль колектора й захоплює в осад алюміній гідроксид.

Дія Na2CO3 і K2CO3

Карбонати лужних металів утворюють з розчинними солями алюмінію драглистий осад алюміній гідроксиду, який малорозчинний у надвишку реагенту.

Дія (NH4)2S

Сульфід амонію в нейтральних розчинах солей алюмінію утворює не сульфід, а менш розчинний гідроксид алюмінію – аморфний осад білого кольору:
2Аl3+ + 3S2- + 6Н2О = 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑.

Виявлення Al3+-катіона дією алізарину або натрій ацетату

Алізарин з йонами алюмінію в лужному розчині утворює адсорбційну сполуку червоного кольору – алюмінієвий лак. Реакцію проводять і крапельним методом. На шматочок фільтрувального паперу поміщають краплю розчину солі алюмінію і тримають його над концентрованим розчином амоніаку 1–2 хвилин, щоб утворився алюміній гідроксид. В центр плями наносять краплю спиртового розчину алізарину і повторюють дію газоподібним амоніаком. Потім фільтрувальний папір злегка підсушують над полум’ям пальника для вилучення амоніаку, який утворює з алізарином сполуку червоно-фіолетового кольору і маскує червоне забарвлення алюмінієвого лаку.

Дія Co(NO3)2

Кобальт нітрат утворює з солями алюмінію кобальт алюмінат Со(AlO2)2 синього кольору, який називається тинаровою синню. Реакцію проводять крапельним методом.
На смужку фільтрувального паперу наносять краплю розчину солі алюмінію, потім на це ж місце – краплю сильно розведеного розчину солі кобальту. Вологий фільтрувальний папір підсушують над полум’ям газового пальника й кінець його вносять у полум’я. Поява синього забарвлення на межі обвугленої частини паперу вказує на утворення кобальт алюмінату:
2Al2(SO4)3 + 2Co(NO3)2 = 2Co(AlO2)2 + 6SO3 + 4NO2 + О2

Одержання сульфату алюмінію

Сульфат алюмінію з каолінів отримують двох видів – очищений і неочищений. Останній відрізняється тим, що при обробці каоліну сульфатною кислотою нерозчинний  кремнеземистий залишок не відділяється від сульфату алюмінію і входить до складу готового продукту. Неочищений сульфат алюмінію отримують шляхом обробки сирого чи обпаленого каоліну сульфатної кислоти в реакторах, автоклавах чи спіканням каоліну з сульфатною кислотою в печі, що обертається. Відомий метод, згідно якого сульфат алюмінію отримують шляхом обробки сульфатною кислотою попередньо висушеного при 300 – 400 °С і потім охолодженого до 70 – 80 °С каоліну. Останній обробляють 65 – 67% сульфатною кислотою при 102 – 110 °С впродовж  6–8 год. Суспензію, яка містить 6 – 8% вільної сульфатної кислоти, переливають в ємності, де відбувається визрівання. Масу, що визріла, кристалізують при природному охолодженні на кристалізаційних столах. Готовий продукт вивантажують вручну у вигляді шматків 15 – 20 кг. Невелика кількість технологічних операцій і порівняно низька температура обпалювання сировини є перевагами цього способу. В той же час способу притаманні вагомі недоліки: дуже низький вміст основного компоненту в готовому продукті (лише 9% Al2O3) і велика доля ручної праці. Випуск продукту в вигляді шматків великої маси затрудняє механізацію вантажних робіт і його дозування в процесі водопідготовки. Каолін, обпалений при 700 – 800 °С, розкладається сульфатною кислотою практично повністю, що виключає операцію дозрівання маси. Кристалізацію продукту можна здійснювати різними способами, наприклад, розпилювання маси до її застигання, кристалізацією на водоохолоджувальних  барабанах, що обертаються, або шнеках та в вагонетках з відкидними стінками, що охолоджуються водою та ін. Найбільш вдалим способом видалення коагулянту, що закристалізувався, є пошарове зрізання застиглого продукту машиною.

З метою виключення обпалювання каоліну запропонований спосіб виробництва коагулянту з каолінів та нефелінів. Необпалений каолін розкладають надлишковою кількістю 75 – 76% сульфатною кислотою при безперервному перемішуванні на протязі 15 – 35 хв. Масу, що отримали, містить 20 – 25% вільної Н2SO4, її розбавляють водою і нейтралізують окремими порціями (10–15 кг) нефеліну, перемішують на протязі 2-3 хв і швидко зливають на кристалізаційний стіл. Застосування нефелінів не дозволяє підвищити вміст оксиду алюмінію в продукті та знизити вміст нерозчинного осаду. Крім того, в цьому випадку частина сульфатної кислоти витрачається на утворення сульфатів натрію і калію, які не приймають  участі в очищенні води.
Розроблено також спосіб виробництва гранульованого неочищеного сульфату алюмінію з каолінів. До переваг способу слід віднести те, що коагулянт отримують в гранульованому вигляді за підвищеного вмісту водорозчинного оксиду алюмінію (до 20%). Основний  недолік способу – підвищений вміст нерозчинного осаду. Загальним недоліком способів отримання неочищеного сульфату алюмінію є низький вміст оксиду алюмінію і високий вміст домішок (нерозчинного осаду, оксиду заліза, сульфатів калію і натрію) у готовому продукті. Це зумовлює обмежене застосування цього коагулянту.

Виробництво очищеного сульфату алюмінію з каолінів здійснюють шляхом обпалювання сировини, відокремлення розчину від кремнеземистого залишку і кристалізації готового продукту. Суть технології заключається в обпалюванні каоліну в барабанних печах і обробкою 45 – 60% розчином сульфатної кислоти при температурі кипіння. А далі здійснюють фільтрування та кристалізацію готового продукту. Цей метод був недосконалим в апаратурному рішенні. Ускладнена технологія призводила до великих теплових затрат. Зависока температура обпалу призводить до втрат алюмінію. Таке виробництво згодом було припинено.

Розроблений безперервний процес отримання сульфату алюмінію зі збагачених каолінів з використанням способу двостадійної сульфатизації. Готовий продукт при такому способі містить 20 – 22% оксиду алюмінію. Недоліком є підвищена затрата теплоти, втрата основного продукту. Отже можна відмітити, що каолін безумовно є перспективним видом сировини для отримання коагулянтів, але велика потреба в каоліні інших крупних споживачів, таких як целюлозно-паперова, керамічна галузі складають певні труднощі для забезпечення виробництва коагулянту з цієї сировини.