Cloruro di polialluminio

Il cloruro di polialluminio (PAC), dagli anni ’80, è stato ampiamente utilizzato nel trattamento delle acque e delle acque reflue per la rimozione di piccole particelle e metalli pesanti, la precipitazione di fosfati e la tendenza all’inattivazione di virus in tutto il mondo.

Il cloruro di polialluminio, infatti, è uno dei coagulanti inorganici costituiti generalmente da sali di ferro o di alluminio.  Unitamente al solfato di alluminio e di polialluminio, cloruro di alluminio, cloridrato di alluminio, alluminato di sodio, cloruro di ferro (III) e di ferro (II), solfato di ferro (III) e di ferro (II), il cloruro di polialluminio, interviene nella coagulazione.

La coagulazione è il processo di riduzione della repulsione elettrica tra le particelle mediante aggiunta di coagulanti in cui la carica positiva del coagulante neutralizza quella negativa delle particelle presenti nell’acqua, provocandone l’aggregazione.

Proprietà del cloruro di polialluminio

Il cloruro di polialluminio è un solido resinoso da incolore a giallo solubile in acqua con cui forma una soluzione colloidale dotato di elevata velocità di idrolisi e forte capacità di adsorbimento. La formula chimica del cloruro di polialluminio può variare a seconda del suo grado di polimerizzazione ed è tipicamente rappresentata come [Al₂(OH)_nCl_6-n]_m, dove n è il numero di gruppi idrossilici.

Sono quindi presenti cationi di alluminio Al³⁺ circondati da ioni idrossile OH^– e ioni cloruro Cl^–. La combinazione di questi ioni dà come risultato un polimero altamente carico con una carica positiva netta. Questa struttura unica consente di neutralizzare efficacemente le cariche negative presenti nelle particelle sospese nell’acqua.

Le soluzioni di cloruro di polialluminio sono acide a causa della presenza di ioni alluminio che agiscono da acidi di Lewis e la sua efficacia può essere influenzata da vari fattori come pH, temperatura e concentrazione di contaminanti nell’acqua. Una soluzione al 5% m/m ha un pH di circa 3.5.

Rispetto ai tradizionali coagulanti il cloruro di polialluminio opera anche a basse temperature e richiede in genere un dosaggio inferiore per ottenere le stesse prestazioni di coagulazione, il che può comportare risparmi sui costi e un ridotto impatto ambientale.

Inoltre può essere usato in un intervallo di applicazione di pH più ampio, tra 5 e 9, rispetto ad altri prodotti chimici per il trattamento dell’acqua. Riuscendo ad essere efficace anche a valori di pH elevati, l’utilizzo del cloruro di polialluminio evita la necessità di aggiungere sostanze alcaline per la correzione del pH con riduzione di spesa e un minore impatto ambientale.

La  presenza di forme polimeriche di alluminio nelle soluzioni di cloruro di polialluminio le rende più stabili in acqua, garantendo una rimozione più efficace delle impurità e concentrazioni inferiori di alluminio rimanente nella soluzione trattata.

Sintesi

Il cloruro di polialluminio può essere ottenuto dalla reazione tra idrossido di alluminio Al(OH)₃ e acido cloridrico HCl, che porta alla formazione del cloruro di alluminio AlCl₃  che reagisce ulteriormente con l’acqua, dando luogo alla formazione del polimero con diversi gradi di polimerizzazione.

Il cloruro di polialluminio, ottenuto mediante idrolisi parziale della soluzione acida di cloruro di alluminio utilizzando un reattore specifico è costituito da monomeri di Al come Al³⁺, Al(OH)₂⁺ e dimero Al₂(OH)₄²⁺, trimero Al₃(OH)₄⁵⁺  e un polimero inerte di grandi dimensioni con peso molecolare normalmente superiore a 3000 Da.

Un altro metodo di preparazione del policloruro di alluminio prevede l’utilizzo di acido cloridrico, alluminato di calcio, carbonato di calcio e argilla bauxitica. Quest’ultima viene calcinata per 0.5-2 ore a 1200-1500 ℃, polverizzata.

La  polvere di argilla bauxitica e la polvere di alluminato di calcio vengono aggiunte al reattore, al solvente costituito da acido cloridrico e si riscalda fino a 95-110 ℃ per 1-3 ore. Viene poi aggiunto il gesso di Parigi e si mantiene la temperatura a 100-110 °C per 15-25 ore ottenendosi cloruro di polialluminio umido che viene pio sottoposto a disidratazione.

Meccanismo della coagulazione

La sequenza di processo convenzionale di coagulazione/flocculazione/sedimentazione è essenziale nei pretrattamenti per la maggior parte dei sistemi di depurazione dell’acqua e di trattamento delle acque reflue. Le acque superficiali devono essere trattate per rimuovere torbidità, specie presenti e batteri.

Lo scopo della coagulazione e successivamente della flocculazione è quello di trasformare le specie presenti in fiocchi più grandi che possano essere facilmente rimossi nei processi successivi. Una sospensione di solidi in acqua contiene tipicamente particelle di dimensioni diverse.

Le particelle di dimensioni superiori a 100 μm sono generalmente considerate solidi sedimentabili e possono decantare staccano facilmente dalla sospensione. Quelle di dimensioni 10-100 μm sono generalmente quelle che conferiscono torbidità e sono spesso allontanate, in un sistema di trattamento delle acque reflue, con la coagulazione. Le particelle inferiori a 10 μm sono particelle colloidali che vengono quasi sempre trattate con la coagulazione.

La coagulazione è più efficace nel rimuovere i solidi sospesi e la materia organica naturale come ghiaia, sabbia, alghe, argilla, ferro, protozoi e persino batteri. Molti di questi contaminanti possono conferire all’acqua un sapore sgradevole se presente in grandi quantità e possono anche conferire all’acqua un colore marrone o arancione.

Tecnicamente la coagulazione si applica alla rimozione delle particelle colloidali. La coagulazione come un metodo per alterare i colloidi in modo che possano avvicinarsi e aderire tra loro per formare particelle flocculanti più grandi.

La maggior parte dei colloidi sono stabili perché possiedono una carica negativa che fa sì che gli ioni che le circondano creino un doppio strato elettrico, quindi le particelle colloidali si respingono, impedendo il contatto e non agglomerandosi. Poiché i colloidi sono stabili a causa della loro carica superficiale, per destabilizzare le particelle si deve neutralizzare questa carica. Tale neutralizzazione può avvenire mediante aggiunta di uno ione di carica opposta al colloide.

Poiché la maggior parte dei colloidi presenti nell’acqua hanno carica negativa, l’aggiunta di ioni positivi ne riduce la carica. Per questo motivo si preferiscono cationi di metalli trivalenti come alluminio e ferro infatti tanto maggiore è la carica positiva di un coagulante tanto maggiore è la sua efficienza di rimozione dei solidi sospesi. A causa della struttura del cloruro di polialluminio in cui i gruppi -OH conferiscono basicità e aumentano la densità di carica positiva sull’alluminio, si verifica una maggiore destabilizzazione delle impurità sospese con carica negativa.

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