聚鋁的結構及其絮凝性

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合物，其中可能出現共享羥基或共享氧配位的結構特征，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脫穩(wěn)現象，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，這在結構上是通過控制適宜的堿化度和聚合度來實現，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，科學工作者對聚鋁水解產物的結構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，線性聚合物觀點認為，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)表的論著多數引用這種觀點。

體型聚合物觀點認為，聚合氯化鋁溶液起碼存在著有平衡關系的四種陽離子：單體、二聚體、體型十三聚體和結構尚未確定的三維團粒。

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)，中點包圍著一個四配位鋁(AlO₄)“球形簇”(Spherical cluster) 狀的絡合離子，是起絮凝作用的主要活性物質。

文獻報道，Al水解產生單鋁羥基絡合物，根據Al³⁺與O^2-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合物，單鋁多羥基絡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，使兩個單鋁羥基絡合物共享一個羥基，形成了雙鋁多羥基絡合物，繼續(xù)發(fā)展下去形成多鋁多羥基絡合物。通過羥基配位叫做羥基式橋聯反應。

單鋁多羥基絡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反應。處于穩(wěn)態(tài)的聚鋁在不同稀釋比下兩類橋聯反應都會發(fā)生。通常能得到的多鋁多羥基絡合物有：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)定的化學形態(tài)分為三類主要形態(tài)，單鋁形態(tài)[Al_a]，即Al³⁺、Al(OH)²⁺、Al(OH)₂ ⁺，聚合形態(tài)[Al_b]，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)[Al_c」，即Al(OH)₃。這些化學形態(tài)的分布和轉化不僅取決于溶液的化學特征，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)，準穩(wěn)性也差。較有價值的是Al₁₃O₄(OH)₂₄⁷⁺，堿化度82%，在相圖上遠離Al(OH)₃(固)區(qū)，準穩(wěn)性好，脫穩(wěn)趨勢大，是聚鋁的活性成分，在水中呈簇團的膠粒，FX₉₀O核磁共振儀測定在聚鋁中通常有這種成分，由此可見準穩(wěn)性是取決于結構而不是宏觀的堿化度的表現。因此堿化度的大小不能準確衡量聚鋁的絮凝性能，因為有更深層次上的結構因素。

聚鋁的形成大致可分為三個階段：單鋁多羥基絡合物間的氫鍵集合體；集合體中氫鍵羥基的橋聯反應；橋聯反應之后多鋁多羥基離子的立體構型。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^-、SiO₃^2-的影響，氫鍵的形成是至關重要的階段，它是導致聚鋁離子形成的起點，控制氫鍵數和方向常能控制有效成分的形成，從而控制其絮凝性能。