Cos’è il solfato di alluminio?
Il solfato di alluminio è un composto chimico con formula Al2(SO4)3. È un solido cristallino bianco, inodore, solubile in acqua e che forma una soluzione limpida. Il solfato di alluminio è un comune prodotto chimico industriale e viene utilizzato per vari scopi.
Il solfato di alluminio è un composto industriale ampiamente utilizzato, secondo solo all’ossido di alluminio per importanza. Fu utilizzato per la prima volta a Parigi nel 1844 come sostituto dell’allume di potassio. Oggi, il solfato di alluminio ha preso il sopravvento su quasi tutte le applicazioni che in origine erano utilizzate per l’allume di potassio.
Sommario
1. Proprietà del solfato di alluminio
Il solfato di alluminio è un solido bianco e inodore, quasi insolubile in etanolo anidro ma facilmente solubile in acqua. Le soluzioni acquose di solfato di alluminio sono acide. La solubilità del solfato di alluminio in acqua varia a seconda della temperatura e della concentrazione di altri ioni in soluzione.
I dati della letteratura sulla solubilità del solfato di alluminio sono incoerenti ed è difficile fare affermazioni definitive sulla struttura del precipitato in acqua.
| Temperatura, °C | solubilità (g/100 g di acqua) |
|---|---|
| 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 più comune di solfato di alluminio è Al2(SO4)3·18 H2O, che si trova in natura come alunogeno (sale per capelli). Questa forma di solfato di alluminio può anche essere cristallizzata da una soluzione di acido cloridrico come aghi bianchi microscopicamente piccoli. Tuttavia, alcuni ricercatori hanno scoperto che questa forma di solfato di alluminio contiene in realtà 17 moli di acqua, mentre altri hanno scoperto che contiene 27 moli di acqua.
Oltre ad Al2(SO4)3·18 H2O, ci sono diversi altri solfati di alluminio ben definiti, inclusi quelli che contengono 16, 10 e 6 moli di acqua. Ci sono anche un totale di 39 solfati di alluminio basici e 3 acidi, così come 13 diversi idrati del sale neutro.
L’esistenza di solfati di alluminio con 14, 13, 12, 9, 7, 4, 2 e 1 mol di acqua può essere dedotta dalle curve di pressione di vapore e dalle curve di disidratazione dei sistemi Al2(SO4)3–H2O e Al2(SO4)3–Al(OH)3–H2O.
Nella pratica industriale, il contenuto di acqua idrata del solfato di alluminio non è importante perché il materiale è un solido microcristallino macinato con contenuto di acqua variabile. Il contenuto desiderato di Al2O3 viene regolato entro certi limiti mediante riscaldamento.
A una temperatura superiore a 340 °C, si forma solfato di alluminio anidro, una polvere bianca con una densità di 2,71 g/cm³. Il solfato di alluminio anidro si decompone sopra i 770 °C per formare ossido di alluminio.
2. Produzione di solfato di alluminio
Il solfato di alluminio viene prodotto su larga scala da idrossido di alluminio e acido solforico in un processo chiamato processo Giulini in Germania e nella maggior parte dei paesi europei. Questo processo è relativamente semplice e produce solfato di alluminio con elevata purezza.
In alcuni paesi, il solfato di alluminio viene ancora prodotto dall’azione dell’acido solforico su minerali contenenti alluminio, come argille e bauxite. Questo processo è più complesso e produce solfato di alluminio con purezza inferiore.
2.1. Produzione di solfato di alluminio mediante processo Giulini
Il processo Giulini è un metodo per produrre solfato di alluminio da idrossido di alluminio e acido solforico.
Il processo inizia con l’aggiunta di idrossido di alluminio a un recipiente resistente alla pressione e agitato. Viene quindi aggiunto acido solforico caldo da un preriscaldatore e la miscela viene agitata. La reazione inizia dopo 60-300 secondi e si completa dopo 10-12 minuti.
Il calore della reazione fa aumentare la temperatura a circa 170 °C, mentre la pressione sale a 5-6 bar. La miscela non deve essere agitata per più di 1 ora, poiché ciò può portare all’idrolisi del solfato di alluminio e alla formazione di solfato di alluminio basico insolubile e fuso di solfato fortemente acido.
Il fuso viene quindi condotto in un contenitore di rame dove viene concentrato tramite evaporazione rapida. Dall’evaporatore, il fuso viene aspirato in un serbatoio sotto vuoto ben isolato, che viene evacuato alla pressione di vapore del fuso di solfato di alluminio. Questo raffreddamento sotto vuoto evita l’incrostazione delle superfici dello scambiatore di calore.
La massa fusa cade dal contenitore sotto vuoto in un miscelatore, dove viene seminata con polvere di solfato di alluminio all’1-2%. Il prodotto simile alla poltiglia raggiunge quindi una “nastro di cristallizzazione”, che è un nastro trasportatore in gomma liscio, resistente al calore e a forma di trogolo. Il prodotto cristallizza sul nastro in circa 30 minuti.
A causa dell’elevato calore di cristallizzazione, il materiale ha una temperatura di circa 90 °C e non può essere frantumato in una dimensione fine in un unico passaggio. Passa su nastri trasportatori raffreddati ad aria fino a quando non si è raffreddato a 40 °C, dopodiché viene macinato e setacciato. Il prodotto finito viene quindi riempito in sacchi di carta o juta o trasportato sfuso in vagoni silos.
Il solfato di alluminio prodotto dal processo Giulini ha un’elevata purezza del 17,2% Al2O3 e contiene solo lo 0,01% di materiale insolubile. Ciò significa che la digestione dell’idrossido di alluminio è quasi completa. Per il trasporto come soluzione, il contenuto di Al2O3 viene regolato a circa l’8% per evitare la cristallizzazione durante il trasporto.
2.2. Produzione di solfato di alluminio dalla bauxite
La bauxite finemente macinata può anche essere utilizzata come materiale di partenza per la produzione di solfato di alluminio. In questo caso, vengono aggiunte 3 moli di acido solforico per ogni mole di ossido di alluminio nella bauxite.
Il contenuto di ossido di ferro della bauxite viene ignorato perché l’ossido di alluminio viene digerito solo al 97-98%, il che lascia abbastanza acido solforico disponibile per produrre solfato di alluminio contenente il 17,5% di Al2O3.
Il solfato di alluminio prodotto dalla bauxite contiene circa lo 0,5% di Fe2O3 e il 2,2% di residuo insolubile.
2.3. Produzione di solfato di alluminio da materiali di partenza meno puri
Quando le materie prime con contenuto di silicio vengono sottoposte a digestione acida, producono una soluzione di solfato di alluminio. La purezza del prodotto finale dipende sia dalla procedura specifica che dalla natura dei materiali iniziali.
La presenza di ferro, che può interrompere il processo, viene eliminata utilizzando diverse tecniche. Queste includono la precipitazione del ferro tramite reazioni con sostanze come l’esacianoferrato di calcio (II), la formazione di blu di Berlino o l’utilizzo di solfuro di calcio per creare solfuro di ferro. L’idrolisi viene utilizzata per generare solfato di ferro basico.
La soluzione limpida risultante viene decantata e commercializzata come liquido o concentrata a un livello di 61,5 °Bé e solidificata prima della macinazione.
Forma il grado tecnico di solfato di alluminio e contiene circa lo 0,5% di Fe2O3 e lo 0,1% di materiale insolubile. Inoltre, esiste un materiale di grado superiore con un contenuto trascurabile di Fe2O3 di circa lo 0,005%.
Il processo Kretzschmar produce solfato di alluminio altamente puro e privo di ferro mediante la digestione dell’argilla con acido solforico. Questa procedura include l’estrazione di una porzione significativa di impurità e la separazione dei cristalli dalla soluzione tramite agitazione.
Con l’applicazione del vuoto, si evita la formazione di sostanze colloidali indesiderate. Il processo determina l’isolamento di cristalli puri e sostanziali di Al2(SO4)3·18 H2O (15,3% Al2O3), che possono essere facilmente separati dal liquido madre impuro mediante centrifugazione.
Il residuo rimanente, un sottoprodotto del processo di digestione (SiO2), viene trasformato in idrosilicato di calcio mediante calce, migliorando la durezza e la plasticità della malta di calce.
Per ridurre il liquore madre di solfato di alluminio sovrasaturo, l’U.S. Bureau of Mines ha sviluppato un processo che utilizza l’etanolo per raggiungere questo obiettivo.
La Olin Mathieson Chemical Corp. ha sviluppato una tecnica economica per produrre solfato di alluminio di alta qualità utilizzando argilla o scisto di scarto proveniente da miniere di carbone. Grandi cristalli (di 1,5-3 mm) con un contenuto di ferro inferiore allo 0,03% vengono formati utilizzando un cristallizzatore.
Il solfato di alluminio può essere prodotto da “fango rosso” di scarto, un residuo proveniente dall’industria dell’ossido di alluminio. Il fango rosso viene sospeso in acqua e l’anidride solforosa viene fatta passare attraverso la sospensione fino a raggiungere un livello di pH di 2.
Dopo la filtrazione e la rimozione dell’anidride solforosa sotto vuoto si forma un precipitato contenente Al(OH)SO3 e SiO2•n H2O. Viene quindi filtrato e trattato con acido solforico per sciogliere il solfato di alluminio.
3. Utilizzi del solfato di alluminio
Circa due terzi della produzione totale di solfato di alluminio vengono utilizzati per il trattamento dell’acqua e circa la metà della produzione totale viene utilizzata nell’industria della carta.
3.1. Industria della carta
Nel settore della carta, il solfato di alluminio viene utilizzato per vari scopi, tra cui:
- Agenti di collatura precipitanti e fissanti, agenti di resistenza all’umido e coloranti basici
- Miglioramento della ritenzione
- Dispersione di particelle di resina che si attaccano tra loro e bloccano i setacci
- Produzione di una barbottina di alta qualità per il rivestimento di carta lucida (bianco satinato)
- Produzione di coloranti per lacche e carta da parati
Il solfato di alluminio con oltre lo 0,2% di Fe2O3 conferisce alla carta una sfumatura gialla e non può essere utilizzato per carta bianca di buona qualità.
3.2. Purificazione dell’acqua
Nella purificazione dell’acqua, il solfato di alluminio è un importante agente flocculante. La flocculazione è il processo che fa sì che piccole particelle si raggruppino insieme in modo che possano essere più facilmente rimosse dall’acqua.
Il solfato di alluminio agisce neutralizzando la carica negativa sul materiale colloidale nell’acqua, il che consente alle particelle di raggrupparsi insieme.
La reazione che si verifica quando il solfato di alluminio viene aggiunto all’acqua è la seguente:
Al2(SO4)3 + 6 HCO3– → 2 Al(OH)3 + 6 CO2 + 3 SO42-
In questa reazione, gli ioni di alluminio nel solfato di alluminio reagiscono con gli ioni di bicarbonato nell’acqua per formare idrossido di alluminio, anidride carbonica e ioni solfato. L’idrossido di alluminio floccula quindi con il materiale colloidale nell’acqua, facendolo agglomerare e depositare.
In genere, 5-50 g di solfato di alluminio sono sufficienti per purificare 1 m3 di acqua. Un vantaggio dell’uso del solfato di alluminio è che non richiede post-flocculazione, a condizione che venga aggiunta la quantità corretta.
Gli svantaggi dell’uso del solfato di alluminio includono la formazione di anidride carbonica libera, l’aumento della durezza non carbonatica, come il solfato di calcio, e il pH che rimane tra 5 e 7.
3.3. Altri usi
Il solfato di alluminio può anche essere utilizzato per una varietà di altri scopi, tra cui:
- Come mordente nella tintura
- Per la decapatura dei semi
- Deodorizzazione degli oli minerali
- Tawing
- Produzione di gel di idrossido di alluminio
- Come supporto del catalizzatore
- Come materiale di partenza per quasi tutti gli altri composti di alluminio
Il solfato di alluminio è una sostanza non tossica. Un valore LD50 riportato di 6207 mg/kg (orale, topo) indica la sua tossicità relativamente bassa.
Riferimento
- Composti di alluminio, inorganici; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2
