Il cloruro di polialluminio (PAC) è da tempo un elemento chiave nel processo di trattamento delle acque e delle acque reflue, particolarmente utilizzato per la rimozione di particelle minute e metalli pesanti, per la precipitazione di fosfati e per l’inattivazione di virus. Tra i coagulanti inorganici, il cloruro di polialluminio, assieme ad altri sali di ferro o di alluminio, gioca un ruolo cruciale nella fase di coagulazione.
Nella coagulazione, si verifica una riduzione della repulsione elettrica tra le particelle sospese nell’acqua grazie all’aggiunta di coagulanti. Precisamente, la carica positiva del cloruro di polialluminio e altri coagulanti compensa la carica negativa delle particelle, dando luogo alla loro aggregazione.
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Proprietà del cloruro di polialluminio
Il cloruro di polialluminio è un solido resinoso da incolore a giallostra che, a contatto con l’acqua, forma una soluzione colloidale. Possiede qualità come una elevata velocità di idrolisi ed un’eccezionale capacità di adsorbimento. La formula chimica del cloruro di polialluminio può variare a seconda del grado di polimerizzazione ed è generalmente data da [Al2(OH)nCl6-n]m, dove n indica il numero di gruppi idrossilici.
struttura cloruro di polialluminio
La sua struttura polimerica comprende cationi di alluminio Al3+ circondati da ioni idrossile OH– e ioni cloruro Cl–. Questa struttura unica, grazie alla sua carica positiva netta, permette di neutralizzare efficacemente le cariche negative delle 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. Diversi fattori come il pH, la temperatura e la concentrazione di contaminanti nell’acqua possono influire sulla sua efficacia. Una soluzione al 5% m/m ha un pH di circa 3.5.
Rispetto ad altri coagulanti tradizionali, il cloruro di polialluminio è efficace anche a basse temperature e generalmente richiede un dosaggio minore per ottenere le stesse prestazioni di coagulazione, con conseguenti risparmi economici e un minore impatto ambientale.
Grazie alla capacità di operare efficacemente anche ad alte concentrazioni di pH, l’utilizzo del cloruro di polialluminio elimina la necessità di aggiungere sostanze alcaline per correggere il pH, esito che comporta una diminuzione dei costi e un minor impatto ambientale. Inoltre, le sue soluzioni sono più stabili in acqua, garantendo una rimozione più efficace delle impurità e minori concentrazioni di alluminio residuo nella soluzione trattata.
Sintesi
Una reazione tra l’idrossido di alluminio Al(OH)3 e l’acido cloridrico HCl può portare alla formazione del cloruro di alluminio AlCl3 che, reagendo ulteriormente con l’acqua, dà origine al cloruro di polialluminio con diversi gradi di polimerizzazione.
Il processo di ottenimento del cloruro di polialluminio avviene attraverso l’idrolisi parziale della soluzione acida di cloruro di alluminio utilizzando un reattore specifico. La sostanza così ottenuta è formata da monomeri di Al come Al3+, Al(OH)2+ e da complessi di polimeri di grandi dimensioni con peso molecolare normalmente superiore a 3000 Da.
Un metodo alternativo per la preparazione del cloruro di polialluminio implica l’uso di acido cloridrico, alluminato di calcio, carbonato di calcio e argilla bauxitica, quest’ultima viene sottoposta a calcinazione per 0.5-2 ore a 1200-1500 ℃, successivamente polverizzata. La polvere risultante viene poi aggiunta al reattore assieme al solvente di acido cloridrico e riscaldata a 95-110 ℃ per 1-3 ore. Si aggiunge infine gesso di Parigi portando la temperatura a 100-110 ℃ per 15-25 ore per ottenere il cloruro di polialluminio umido che sarà in seguito disidratato.
Meccanismo della coagulazione
Il processo convenzionale di coagulazione/flocculazione/sedimentazione è fondamentale per la pre-elaborazione della maggior parte dei sistemi di purificazione dell’acqua e di trattamento delle acque reflue. Questi processi rimuovono torbidità, specie contaminanti e batteri dalle acque superficiali.
coagulazione
La funzione della coagulazione, seguita dalla flocculazione, è quella di trasformare le specie presenti in acqua in fiocchi più grandi, più facilmente rimovibili nei processi successivi. Ad esempio, le particelle di dimensioni superiori a 100 μm possono essere sedimentate e facilmente separate dalla sospensione, mentre particelle di dimensioni 10-100 μm e inferiori a 10 μm rispettivamente, contribuiscono alla torbidità e al colore dell’acqua ed è per queste che si utilizza la coagulazione.
La coagulazione è particolarmente efficace nel rimuovere i solidi sospesi e la materia organica naturale come protozoi, batteri, alghe, argilla, ferro, ghiaia e sabbia. Infatti, questi contaminanti, se presenti in grandi quantità, possono dare all’acqua un sapore sgradito e un colorito marrone o arancione.
trattamento delle acque
La coagulazione è un metodo specialmente applicato alla rimozione delle particelle colloidali. Grazie a questo processo, i colloidi acquistici possono aggregarsi ed aderire tra loro formando particelle flocculanti più grandi.
Essendo la maggior parte dei colloidi nell’acqua negativi, l’aggiunta di ioni positivi riduce la loro carica. In questo contesto, i cationi di metalli trivalenti come l’alluminio e il ferro sono i preferiti per il loro maggiore potenziale di rimozione dei solidi sospesi. La struttura del cloruro di polialluminio, grazie ai gruppi -OH che aumentano la densità della carica positiva sull’alluminio, risulta particolarmente efficace nel destabilizzare le impurità sospese con carica negativa.