Aluminiumsulfaat: eigenschappen, productie en toepassingen

De meest voorkomende vorm van aluminiumsulfaat is Al₂(SO₄)₃·18 H₂O, dat van nature voorkomt als alugeen (haarzout). Deze vorm van aluminiumsulfaat kan ook worden gekristalliseerd uit zoutzuur-oplossing als microscopisch kleine, witte naalden. Sommige onderzoekers hebben echter ontdekt dat deze vorm van aluminiumsulfaat in feite 17 mol water bevat, terwijl anderen hebben ontdekt dat het 27 mol water bevat.

Naast Al₂(SO₄)₃·18 H₂O zijn er een aantal andere goed gedefinieerde aluminiumsulfaten, waaronder die welke 16, 10 en 6 mol water bevatten. Er zijn ook in totaal 39 basische en 3 zure aluminiumsulfaten, evenals 13 verschillende hydraten van het neutrale zout.

Het bestaan ​​van aluminiumsulfaten met 14, 13, 12, 9, 7, 4, 2 en 1 mol water kan worden afgeleid uit de dampdrukcurven en de dehydratatiecurven van de Al₂(SO₄)₃–H₂O en Al₂(SO₄)₃–Al(OH)₃–H₂O systemen.

In de industriële praktijk is het hydraatwatergehalte van aluminiumsulfaat onbelangrijk omdat het materiaal een gemalen, microkristallijne vaste stof is met een variabel watergehalte. Het gewenste Al₂O₃-gehalte wordt binnen bepaalde grenzen aangepast door verhitting.

Bij een temperatuur boven 340 °C wordt watervrij aluminiumsulfaat gevormd, een wit poeder met een dichtheid van 2,71 g/cm3. Watervrij aluminiumsulfaat ontleedt boven 770 °C tot aluminiumoxide.

2. Productie van aluminiumsulfaat

Aluminiumsulfaat wordt op grote schaal geproduceerd uit aluminiumhydroxide en zwavelzuur in een proces dat het Giulini-proces wordt genoemd in Duitsland en de meeste Europese landen. Dit proces is relatief eenvoudig en produceert aluminiumsulfaat met een hoge zuiverheid.

In sommige landen wordt aluminiumsulfaat nog steeds geproduceerd door de inwerking van zwavelzuur op aluminiumhoudende ertsen, zoals klei en bauxiet. Dit proces is complexer en produceert aluminiumsulfaat met een lagere zuiverheid.

2.1. Productie van aluminiumsulfaat door Giulini-proces

Het Giulini-proces is een methode voor de productie van aluminiumsulfaat uit aluminiumhydroxide en zwavelzuur.

Het proces begint met de toevoeging van aluminiumhydroxide aan een drukbestendig, geroerd vat. Warm zwavelzuur wordt vervolgens toegevoegd vanuit een voorverwarmer en het mengsel wordt geroerd. De reactie start na 60-300 seconden en is voltooid na 10-12 minuten.

De reactiewarmte zorgt ervoor dat de temperatuur stijgt tot ongeveer 170 °C, terwijl de druk stijgt tot 5-6 bar. Het mengsel mag niet langer dan 1 uur worden geroerd, omdat dit kan leiden tot de hydrolyse van aluminiumsulfaat en de vorming van onoplosbaar basisch aluminiumsulfaat en sterk zuur sulfaatsmelt.

De smelt wordt vervolgens naar een koperen vat geleid waar het wordt geconcentreerd door flitsverdamping. Vanuit de verdamper wordt de smelt in een goed geïsoleerde vacuümtank gezogen, die wordt geëvacueerd tot de dampdruk van de aluminiumsulfaatsmelt. Deze vacuümkoeling voorkomt dat de oppervlakken van de warmtewisselaar inkorven.

De smelt valt vanuit de vacuümcontainer in een menger, waar het wordt ingezaaid met 1-2% aluminiumsulfaatpoeder. Het pulpachtige product bereikt vervolgens een “kristallisatieband”, een gladde, hittebestendige, trogvormige rubberen transportband. Het product kristalliseert op de band in ongeveer 30 minuten.

Vanwege de hoge kristallisatiewarmte heeft het materiaal een temperatuur van ongeveer 90 °C en kan het niet in één stap in een fijn formaat worden gebroken. Het gaat over luchtgekoelde transportbanden totdat het is afgekoeld tot 40 °C, waarna het wordt gemalen en gezeefd. Het eindproduct wordt vervolgens in papieren of jute zakken gevuld of los vervoerd in silowagens.

Aluminiumsulfaat geproduceerd door het Giulini-proces heeft een hoge zuiverheid van 17,2% Al₂O₃ en bevat slechts 0,01% onoplosbaar materiaal. Dit betekent dat de vertering van het aluminiumhydroxide bijna voltooid is. Voor transport als oplossing wordt het Al₂O₃-gehalte aangepast tot ongeveer 8% om kristallisatie tijdens transport te voorkomen.

2.2. Productie van aluminiumsulfaat uit bauxiet

Fijngemalen bauxiet kan ook worden gebruikt als uitgangsmateriaal voor de productie van aluminiumsulfaat. In dit geval worden 3 mol zwavelzuur toegevoegd voor elke 1 mol aluminiumoxide in het bauxiet.

Het ijzeroxidegehalte van de bauxiet wordt genegeerd omdat de aluminiumoxide slechts tot 97-98% wordt verteerd, waardoor er genoeg zwavelzuur beschikbaar is om aluminiumsulfaat te produceren dat 17,5% Al₂O₃ bevat.

Het aluminiumsulfaat dat uit bauxiet wordt geproduceerd, bevat ongeveer 0,5% Fe₂O₃ en 2,2% onoplosbaar residu.

2.3. Productie van aluminiumsulfaat uit minder zuivere uitgangsmaterialen

Wanneer grondstoffen met siliciumgehalte zuurvertering ondergaan, leveren ze een oplossing van aluminiumsulfaat op. De zuiverheid van het eindproduct hangt af van zowel de specifieke procedure als de aard van de oorspronkelijke materialen.

De aanwezigheid van ijzer, dat het proces kan verstoren, wordt geëlimineerd met behulp van verschillende technieken. Deze omvatten het neerslaan van ijzer door reacties met stoffen zoals calciumhexacyanoferraat (II), het vormen van Berlijns blauw, of het gebruiken van calciumsulfide om ijzersulfide te creëren. Hydrolyse wordt gebruikt om basisch ijzersulfaat te genereren.

De resulterende heldere oplossing wordt ofwel gedecanteerd en op de markt gebracht als een vloeistof of geconcentreerd tot een niveau van 61,5 °Bé en gestold voor het malen.

Het vormt de technische kwaliteit van aluminiumsulfaat en bevat ongeveer 0,5% Fe₂O₃ en 0,1% onoplosbaar materiaal. Daarnaast is er een materiaal van hogere kwaliteit met een verwaarloosbaar Fe₂O₃-gehalte van ongeveer 0,005%.

Het Kretzschmar-proces produceert zeer zuiver, ijzervrij aluminiumsulfaat door de vertering van klei met zwavelzuur. Deze procedure omvat de extractie van een aanzienlijk deel van de onzuiverheden en de scheiding van kristallen uit de oplossing door middel van roeren.

Met de toepassing van vacuüm wordt de vorming van ongewenste colloïdale stoffen vermeden. Het proces resulteert in de isolatie van zuivere, substantiële kristallen van Al₂(SO₄)₃·18 H₂O (15,3% Al₂O₃), die eenvoudig kunnen worden gescheiden van de onzuivere moederloog door middel van centrifugatie.

Het resterende residu, een bijproduct van het verteringsproces (SiO₂), wordt met behulp van kalk omgezet in calciumhydrosilicaat, waardoor de hardheid en plasticiteit van kalkmortel worden verbeterd.

Om de oververzadigde aluminiumsulfaatmoederloog te verminderen, heeft het U.S. Bureau of Mines een proces ontwikkeld dat hiervoor ethanol gebruikt.

Olin Mathieson Chemical Corp. heeft een economische techniek ontwikkeld om aluminiumsulfaat van hoge kwaliteit te produceren met behulp van klei of afvalschalie afkomstig uit kolenmijnen. Grote kristallen (met een afmeting van 1,5–3 mm) met een ijzergehalte van minder dan 0,03% worden gevormd met behulp van een kristallisator.

Aluminiumsulfaat kan worden geproduceerd uit afval “rode modder”, een residu afkomstig uit de aluminiumoxide-industrie. De rode modder wordt in water gesuspendeerd en zwaveldioxide wordt door de suspensie geleid totdat een pH-waarde van 2 is bereikt.

Een neerslag dat Al(OH)SO₃ en SiO_2·n H₂O bevat, wordt gevormd na filtratie en verwijdering van het zwaveldioxide onder vacuüm. Het wordt vervolgens gefilterd en behandeld met zwavelzuur om het aluminiumsulfaat op te lossen.

3. Toepassingen van aluminiumsulfaat

Ongeveer tweederde van de totale aluminiumsulfaatproductie wordt gebruikt voor de behandeling van water en ongeveer de helft van de totale productie wordt gebruikt in de papierindustrie.

3.1. Papierindustrie

In de papierindustrie wordt aluminiumsulfaat voor verschillende doeleinden gebruikt, waaronder:

• Neerslag- en fixeermiddelen, natsterktemiddelen en basiskleurstoffen
• Verbetering van de retentie
• Verspreiding van harsdeeltjes die aan elkaar plakken en zeven blokkeren
• Productie van een hoogwaardige slip voor het coaten van glanzend papier (satijnwit)
• Productie van lakverfstoffen en behang

Aluminiumsulfaat met meer dan 0,2% Fe₂O₃ geeft papier een gele tint en kan niet worden gebruikt voor wit papier van goede kwaliteit.

3.2. Waterzuivering

Bij waterzuivering is aluminiumsulfaat een belangrijk vlokmiddel. Flocculatie is het proces waarbij kleine deeltjes samenklonteren, zodat ze gemakkelijker uit water kunnen worden verwijderd.

Aluminiumsulfaat werkt door de negatieve lading van het colloïdale materiaal in water te neutraliseren, waardoor de deeltjes samenklonteren.

De reactie die optreedt wanneer aluminiumsulfaat aan water wordt toegevoegd, is als volgt:

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

In deze reactie reageren de aluminiumionen in aluminiumsulfaat met de bicarbonaationen in water om aluminiumhydroxide, koolstofdioxide en sulfaationen te vormen. Het aluminiumhydroxide flocculeert vervolgens met het colloïdale materiaal in het water, waardoor het samenklontert en bezinkt.

Over het algemeen is 5–50 g aluminiumsulfaat voldoende om 1 m³ water te zuiveren. Een voordeel van het gebruik van aluminiumsulfaat is dat er geen naflocculatie nodig is, mits de juiste hoeveelheid wordt toegevoegd.

Nadelen van het gebruik van aluminiumsulfaat zijn onder meer de vorming van vrije koolstofdioxide, de toename van niet-carbonaathardheid, zoals calciumsulfaat, en de pH die tussen 5 en 7 blijft.

3.3. Andere toepassingen

Aluminiumsulfaat kan ook voor verschillende andere doeleinden worden gebruikt, waaronder:

• Als beitsmiddel bij het verven
• Voor het inleggen van zaden
• Deodoriseren van minerale oliën
• Tawing
• Het produceren van aluminiumhydroxidegel
• Als katalysatordrager
• Als uitgangsmateriaal voor bijna alle andere aluminiumverbindingen

Aluminiumsulfaat is een niet-giftige stof. Een gerapporteerde LD50-waarde van 6207 mg/kg (oraal, muis) geeft aan dat het relatief weinig giftig is.

Referentie

• Aluminiumverbindingen, anorganisch; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2