Producción y usos del sulfato de aluminio

Aluminum sulfate

El sulfato de aluminio es un compuesto industrial ampliamente utilizado que ocupa el segundo lugar en importancia después del óxido de aluminio. Se utilizó por primera vez en París en 1844 como sustituto del alumbre potásico. Hoy en día, el sulfato de aluminio se ha hecho cargo de casi todas las aplicaciones que se utilizaban originalmente para el alumbre potásico.

Tabla de contenido

1. Propiedades del sulfato de aluminio

El sulfato de aluminio es un sólido blanco e inodoro que es casi insoluble en etanol anhidro, pero fácilmente soluble en agua. Las soluciones acuosas de sulfato de aluminio son ácidas. La solubilidad del sulfato de aluminio en agua varía según la temperatura y la concentración de otros iones en solución.

Los datos bibliográficos sobre la solubilidad del sulfato de aluminio son inconsistentes y es difícil hacer afirmaciones definitivas sobre la estructura del precipitado en agua.

T, °C solubilidad (g/100 g de agua)
0 31.3
10 33,5
20 36,15
30 40,36
40 45,73
50 52.13
60 59.10
70 66,23
80 73.14
90 80,83
100 89.1

La forma más común de sulfato de aluminio es Al2(SO4)3·18H2O, que se presenta naturalmente como alunógeno (sal para el cabello). Esta forma de sulfato de aluminio también se puede cristalizar en una solución de ácido clorhídrico en forma de agujas blancas microscópicas.

Sin embargo, algunos investigadores han descubierto que esta forma de sulfato de aluminio en realidad contiene 17 moles de agua, mientras que otros han descubierto que contiene 27 moles de agua.

Además del Al2(SO4)3·18H2O, existen otros sulfatos de aluminio bien definidos, incluidos aquellos que contienen 16, 10 y 6 moles de agua. También hay un total de 39 sulfatos de aluminio básicos y 3 ácidos, así como 13 hidratos diferentes de la sal neutra.

La existencia de sulfatos de aluminio con 14, 13, 12, 9, 7, 4, 2 y 1 mol de agua se puede concluir a partir de las curvas de presión de vapor y de las curvas de deshidratación de Al2(SO4)3–H2O y Al2( Sistemas SO4)3–Al(OH)3–H2O.

En la práctica industrial, el contenido de agua hidratada del sulfato de aluminio no es importante porque el material es un sólido microcristalino molido con contenido de agua variable. El contenido deseado de Al2O3 se ajusta dentro de ciertos límites mediante calentamiento.

A una temperatura superior a 340 °C se forma sulfato de aluminio anhidro, un polvo blanco con una densidad de 2,71 g/cm3. El sulfato de aluminio anhidro se descompone por encima de 770 °C para formar óxido de aluminio.

2. Producción de Sulfato de Aluminio

El sulfato de aluminio se produce a gran escala a partir de hidróxido de aluminio y ácido sulfúrico en un proceso llamado proceso Giulini en Alemania y la mayoría de los países europeos. Este proceso es relativamente simple y produce sulfato de aluminio de alta pureza.

En algunos países, el sulfato de aluminio todavía se produce por la acción del ácido sulfúrico sobre minerales que contienen aluminio, como arcillas y bauxita. Este proceso es más complejo y produce sulfato de aluminio con menor pureza.

2.1. Proceso Giulini

El proceso Giulini es un método para producir sulfato de aluminio a partir de hidróxido de aluminio y ácido sulfúrico.

El proceso comienza con la adición de hidróxido de aluminio a un recipiente agitado resistente a la presión. Luego se añade ácido sulfúrico tibio desde un precalentador y la mezcla se agita. La reacción comienza después de 60 a 300 segundos y finaliza después de 10 a 12 minutos.

El calor de reacción hace que la temperatura aumente hasta aproximadamente 170 °C, mientras que la presión aumenta hasta 5-6 bar. La mezcla no debe agitarse durante más de 1 hora, ya que esto puede conducir a la hidrólisis del sulfato de aluminio y a la formación de sulfato de aluminio básico insoluble y sulfato fundido fuertemente ácido.

Luego, la masa fundida se lleva a un recipiente de cobre donde se concentra mediante evaporación instantánea. Desde el evaporador, la masa fundida se aspira a un tanque de vacío bien aislado, que se evacua hasta la presión de vapor de la masa fundida de sulfato de aluminio. Este enfriamiento al vacío evita la incrustación de las superficies del intercambiador de calor.

La masa fundida cae del recipiente de vacío a una mezcladora, donde se siembra con 1-2% de sulfato de aluminio en polvo. El producto similar a una pulpa llega luego a una «cinta de cristalización», que es una cinta transportadora de caucho suave, resistente al calor y con forma de artesa. El producto cristaliza en la cinta en aproximadamente 30 minutos.

Debido al alto calor de cristalización, el material tiene una temperatura de aproximadamente 90 °C y no se puede descomponer en un tamaño fino en un solo paso. Pasa sobre cintas transportadoras enfriadas por aire hasta que se enfría a 40 °C, después de lo cual se muele y se tamiza. A continuación, el producto acabado se envasa en sacos de papel o de yute o se transporta suelto en vagones silo.

El sulfato de aluminio producido mediante el proceso Giulini tiene una alta pureza del 17,2% de Al2O3 y contiene sólo un 0,01% de material insoluble. Esto significa que la digestión del hidróxido de aluminio está casi completa. Para el transporte como solución, el contenido de Al2O3 se ajusta a aproximadamente el 8% para evitar la cristalización durante el transporte.

2.2. Producción a partir de bauxita

La bauxita finamente molida también se puede utilizar como material de partida para la producción de sulfato de aluminio. En este caso, se añaden 3 moles de ácido sulfúrico por cada 1 mol de óxido de aluminio en la bauxita.

El contenido de óxido de hierro de la bauxita no se tiene en cuenta porque el óxido de aluminio solo se digiere entre un 97% y un 98%, lo que deja suficiente ácido sulfúrico disponible para producir sulfato de aluminio que contiene un 17,5% de Al2O3.

El sulfato de aluminio producido a partir de bauxita contiene aproximadamente un 0,5% de Fe2O3 y un 2,2% de residuo insoluble.

2.3. Producción a partir de materiales de partida menos puros

Cuando las materias primas con contenido de silicio se someten a digestión ácida, producen una solución de sulfato de aluminio. La pureza del producto final depende tanto del procedimiento específico como de la naturaleza de los materiales iniciales.

La presencia de hierro, que puede alterar el proceso, se elimina mediante diferentes técnicas. Estos incluyen la precipitación de hierro mediante reacciones con sustancias como el hexacianoferrato de calcio (II), la formación de azul de Berlín o el uso de sulfuro de calcio para crear sulfuro de hierro. La hidrólisis se utiliza para generar sulfato de hierro básico.

La solución transparente resultante se decanta y se comercializa como líquido o se concentra a un nivel de 61,5 °Bé y se solidifica antes de la molienda.

Forma el grado técnico de sulfato de aluminio y contiene aproximadamente un 0,5% de Fe2O3 y un 0,1% de material insoluble. Además, existe un material de mayor calidad con un contenido insignificante de Fe2O3, de aproximadamente el 0,005%.

El proceso Kretzschmar produce sulfato de aluminio sin hierro de alta pureza mediante la digestión de arcilla con ácido sulfúrico. Este procedimiento incluye la extracción de una porción significativa de impurezas y la separación de cristales de la solución mediante agitación.

Mediante la aplicación de vacío se evita la formación de sustancias coloidales indeseables. El proceso da como resultado el aislamiento de cristales puros y sustanciales de Al2(SO4)3·18 H2O (15,3% Al2O3), que pueden separarse fácilmente de las aguas madre impuras mediante centrifugación.

El residuo restante, subproducto del proceso de digestión (SiO2), se transforma en hidrosilicato de calcio utilizando cal, mejorando la dureza y plasticidad del mortero de cal.

Para reducir el licor madre de sulfato de aluminio sobresaturado, la Oficina de Minas de EE. UU. desarrolló un proceso que utiliza etanol para lograrlo.

Olin Mathieson Chemical Corp. ha desarrollado una técnica económica para producir sulfato de aluminio de alta calidad utilizando arcilla o esquisto residual procedente de minas de carbón. Utilizando un cristalizador se forman cristales grandes (que miden entre 1,5 y 3 mm) con un contenido de hierro inferior al 0,03%.

El sulfato de aluminio se puede producir a partir del «barro rojo», un residuo procedente de la industria del óxido de aluminio. El lodo rojo se suspende en agua y se hace pasar dióxido de azufre a través de la suspensión hasta alcanzar un nivel de pH de 2.

Después de la filtración y eliminación del dióxido de azufre al vacío se forma un precipitado que contiene Al(OH)SO3 y SiO2·nH2O. Luego se filtra y se trata con ácido sulfúrico para disolver el sulfato de aluminio.

3. Usos del sulfato de aluminio

Aproximadamente dos tercios de la producción total de sulfato de aluminio se utilizan para tratar el agua y aproximadamente la mitad de la producción total se utiliza en la industria del papel.

3.1. Industria del papel

En la industria del papel, el sulfato de aluminio se utiliza para diversos fines, entre ellos:

  1. Agentes de apresto precipitantes y fijadores, agentes resistentes a la humedad y colorantes básicos.
  2. Mejorar la retención
  3. Partículas de resina dispersantes que se pegan y bloquean los tamices.
  4. Producción de un engobe de alta calidad para recubrir papel brillante (blanco satinado)
  5. Producción de tintes de lago y papel tapiz.

El sulfato de aluminio con más de 0,2 % de Fe2O3 le da al papel un tinte amarillo y no se puede utilizar para papel blanco de buena calidad.

3.2. Purificación del agua

En la purificación del agua, el sulfato de aluminio es un importante agente floculante. La floculación es el proceso de hacer que pequeñas partículas se agrupen para que puedan eliminarse más fácilmente del agua.

El sulfato de aluminio actúa neutralizando la carga negativa del material coloidal en el agua, lo que permite que las partículas se agrupen.

La reacción que ocurre cuando se agrega sulfato de aluminio al agua es la siguiente:

Al2(SO4)3 + 6 HCO3 → 2 Al(OH)3 + 6 CO2 + 3 SO42-

En esta reacción, los iones de aluminio en el sulfato de aluminio reaccionan con los iones de bicarbonato en el agua para formar iones de hidróxido de aluminio, dióxido de carbono y sulfato. Luego, el hidróxido de aluminio flocula con el material coloidal en el agua, lo que hace que se aglutine y se sedimente.

Generalmente, 5 a 50 g de sulfato de aluminio son suficientes para purificar 1 m3 de agua. Una ventaja de utilizar sulfato de aluminio es que no requiere postfloculación, siempre que se agregue la cantidad correcta.

Las desventajas de usar sulfato de aluminio incluyen la formación de dióxido de carbono libre, el aumento de la dureza de no carbonatos, como el sulfato de calcio, y el pH que permanece entre 5 y 7.

3.3. Otros usos

El sulfato de aluminio también se puede utilizar para otros fines, entre ellos:

  • Como mordiente en teñido
  • Para encurtir semillas
  • Desodorización de aceites minerales.
  • Tawing
  • Producción de gel de hidróxido de aluminio.
  • Como soporte de catalizador
  • Como material de partida para casi todos los demás compuestos de aluminio.

El sulfato de aluminio es una sustancia no tóxica. Un valor LD50 informado de 6207 mg/kg (oral, ratón) indica su toxicidad relativamente baja.

Referencia

Preguntas más frecuentes

El sulfato de aluminio es un sólido cristalino, blanco e inodoro. Es un compuesto químico de fórmula Al2(SO4)3. Es soluble en agua y forma una solución transparente. El sulfato de aluminio es una sustancia química industrial común y se utiliza para diversos fines.

La masa molar del sulfato de aluminio es 342,15 g/mol. Esto significa que un mol de sulfato de aluminio tiene una masa de 342,15 gramos.

El sulfato de aluminio tiene una amplia gama de aplicaciones. Se utiliza en el tratamiento del agua como agente floculante para purificar el agua haciendo que las partículas se aglutinen y se sedimenten. En la industria del papel, se utiliza para el apresto, el ajuste del pH y la purificación de aguas residuales. Además, se utiliza como mordiente para teñir, para encurtir semillas y en diversos procesos químicos.

El sulfato de aluminio se produce haciendo reaccionar hidróxido de aluminio con ácido sulfúrico o tratando minerales que contienen aluminio con ácido sulfúrico. También se puede obtener a partir de materiales de partida menos puros como la bauxita. El proceso específico puede variar, pero generalmente implica digestión, precipitación y separación ácidas.

El pH de las soluciones de sulfato de aluminio suele oscilar entre 2 y 3. Esto las hace ácidas, por lo que se utiliza a menudo para ajustar el pH en diversas aplicaciones.

El sulfato de aluminio no se considera perjudicial para los seres humanos en pequeñas dosis. Sin embargo, puede resultar perjudicial si se ingiere en grandes dosis. Los síntomas de la intoxicación por sulfato de aluminio incluyen náuseas, vómitos, diarrea y dolor abdominal. En casos graves, la intoxicación por sulfato de aluminio puede provocar la muerte.

El sulfato de aluminio se utiliza comúnmente en la purificación del agua como agente floculante. Cuando se agregan al agua, los iones de aluminio cargados positivamente interactúan con partículas y coloides cargados negativamente en el agua, lo que hace que se aglutinen (floculen). Estos grupos más grandes se depositan en forma de lodo, lo que permite separar el agua más clara. Este proceso es esencial para eliminar impurezas y partículas del agua, haciéndola más segura para el consumo y usos diversos.