POLICLORETO DE ALUMÍNIO: ESTRUTURA, PROPRIEDADES, OBTENÇÃO, UTILIZAÇÕES - QUÍMICA - 2025

Uma classe de produtos de alumínio inorgânico solúveis em água é chamada de poli cloreto de alumínio, formada pela reação parcial do cloreto de alumínio AlCl ₃ com uma base. É um sólido branco a amarelo. Sua fórmula geral é freqüentemente expressa como Al _n (OH) _m Cl _(3n-m). Eles também são conhecidos como PAC ou também PACl (cloreto de polialumínio).

Os PACs são formulados para conter polímeros altamente catiônicos (conjuntos de várias moléculas com muitas cargas positivas) feitos de íons de alumínio (Al ³⁺), íons de cloreto (Cl ^-), íons de hidroxila (OH) ^- e moléculas de água (H ₂ O).

O Policloreto de Alumínio (PAC) é usado para remover matéria orgânica e inorgânica da água em floculadores de estações de tratamento de águas residuais. Autor: Kubinger. Fonte: Pixabay.

O polímero catiônico mais importante dessas espécies é denominado Al ₁₃ ou Keggin-Al13, que é muito eficaz no tratamento de água e na indústria de fabricação de papel e celulose.

Nessas aplicações, os PACs aderem à superfície das partículas fazendo com que elas se liguem e possam sedimentar, ou seja, cair no fundo e ser filtradas.

Também foi testado com sucesso para melhorar as propriedades do cimento Portland, pois modifica ou altera sua estrutura a um nível micro e isso torna o cimento mais resistente.

Estrutura

PAC ou PACl é composto por uma série de espécies que variam de monômeros (uma única molécula), dímeros (duas moléculas unidas), oligômeros (três a cinco moléculas unidas) a polímeros (muitas moléculas unidas).

Sua fórmula geral é Al _n (OH) _m Cl _(3n-m). Quando essas espécies contêm os íons A dissolvidos em água ³⁺, íons hidroxila OH ^-, íons cloreto Cl ^- e moléculas de água H ₂ O.

Em solução aquosa, sua fórmula geral é Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} ou também Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +}.

O mais útil desses polímeros é o chamado Al ₁₃ ou Keggin-Al13, cuja fórmula é AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ^{7 +}. A espécie Al ₁₃ tem forma tridimensional.

Estima-se que o precursor desse policatião seja o Al (OH) ₄ ^-, que apresenta conformação tetraédrica e se encontra no centro da estrutura.

Nomenclatura

- Policloreto de alumínio

- PAC (cloreto de polialumínio)

- PACl (Policloreto de Alumínio)

- Cloreto de Polialumínio

- Poli-hidroxicloreto de alumínio

- Cloro-hidrato de alumínio ou ACH (cloridrato de alumínio).

Propriedades

Estado físico

Sólido (pó) branco a amarelo, também obtido na forma de soluções aquosas de diferentes concentrações.

Solubilidade

Solúvel em água.

Características de PACs comerciais

Os vários PACs diferem uns dos outros principalmente por duas coisas:

- Sua resistência, expressa em% de alumina Al ₂ O _3.

- Sua basicidade, que indica a quantidade de material polimérico no PAC, podendo variar entre 10% (basicidade baixa), 50% (basicidade média), 70% (basicidade alta) e 83% (basicidade máxima, que corresponde a cloridrato de alumínio ou ACH).

Propriedades quimicas

PAC é um tipo de produto de alumínio solúvel em água. Sua fórmula geral é freqüentemente expressa como Al _n (OH) _m Cl _(3n-m).

Como são produzidos pela reação de cloreto de alumínio (AlCl ₃) com uma base, a basicidade desses tipos de produtos depende da quantidade relativa de íons OH ^{- em} comparação com a quantidade de alumínio (Al).

De acordo com a fórmula Al _n (OH) _m Cl _(3n-m), a basicidade é definida como m / 3n.

É um floculante. Possui propriedades como facilidade de adsorção sobre outras partículas de carga oposta (adere à superfície destas), coagulação (união de várias partículas nas quais foi adsorvido) e precipitação desses grupos de partículas unidas.

Os PACs podem ser instáveis, pois dependem do pH. Eles podem ser corrosivos.

Comportamento do PAC na água

Ao dissolver o PAC em água e dependendo do pH, várias espécies de hidroxila de alumínio (Al-OH) são formadas.

Ele hidrolisa ou reage com a água para formar monômeros (moléculas unitárias), oligômeros (3 a 6 moléculas ligadas) e polímeros (mais de 6 moléculas ligadas).

A espécie mais importante é um polímero com 13 átomos de alumínio, denominado Keggin-Al13.

Função do PAC como floculante

O polímero Keggin-Al13 se adsorve nas partículas presentes na água, ou seja, adere na superfície destas, e faz com que elas se juntem, formando flocos.

Flocos são grupos de partículas muito pequenas aglutinadas ou unidas para formar estruturas maiores que podem sedimentar, ou seja, ir para o fundo da solução aquosa.

Após a formação dos flocos, quando são grandes o suficiente vão para o fundo e a solução aquosa fica limpa.

Floculação e tanques de sedimentação de uma estação de tratamento de água onde pode ser usado poli cloreto de alumínio (PAC). Qualit-E na Wikipedia em inglês. Fonte: Wikimedia Commons.

Obtendo

As soluções de PAC ou PACI são geralmente obtidas adicionando uma solução básica ou alcalina a uma solução de cloreto de alumínio (AlCl ₃).

Para que uma grande quantidade de polímeros de Al ₁₃ seja obtida, a base ou o álcali adicionado não deve fornecer íons OH ^- muito rápido e não muito lento.

Alguns estudos indicam que é difícil produzir uma alta concentração estável de Al ₁₃ usando NaOH porque ele libera íons OH ^- muito rápido na água.

Por esta razão, os compostos básicos de cálcio (Ca) são preferidos, que têm baixa solubilidade em água e, portanto, liberam íons OH ^- lentamente. Um desses compostos básicos de cálcio é o óxido de cálcio CaO.

Aqui estão as etapas que ocorrem para a formação do PAC.

Hidrólise

Quando os sais de alumínio (iii) se dissolvem na água, ocorre uma reação de hidrólise espontânea na qual o cátion alumínio Al ³⁺ retira íons hidroxil OH ^- da água e se liga a eles, deixando prótons H ⁺ livres:

Al ³⁺ + H ₂ O → Al (OH) ²⁺ + H ⁺

Al ³⁺ + 2 H ₂ O → Al (OH) ₂ ⁺ + 2 H ⁺

Isso é auxiliado pela adição de um álcali, isto é, íons OH ^-. O ião alumínio Al ³⁺ é cada vez mais juntar OH ^- anis:

Al ³⁺ → Al (OH) ²⁺ → Al (OH) ₂ ⁺ → Al (OH) ₃ ⁰ → Al (OH) ₄ ^-

Além disso, espécies como Al (H ₂ O) ₆ ^{3+ são formadas}, ou seja, um íon alumínio ligado ou coordenado com seis moléculas de água.

Polimerização

Em seguida, ligações são formadas entre essas espécies, formando dímeros (conjuntos de 2 moléculas) e trímeros (conjuntos de 3 moléculas) que são transformados em oligômeros (conjuntos de 3 a 5 moléculas) e polímeros (conjuntos de muitas moléculas unidas).

Al (OH) ₂ ⁺ → Al ₂ (OH) ₂ ⁴⁺ → Al ₃ (OH) ₅ ⁴⁺ → Al ₆ (OH) ₁₂ ⁶⁺ → Al ₁₃ (OH) ₃₂ ⁷⁺

Este tipo de espécie é unida por pontes OH entre si e com Al (H ₂ O) ₆ ^3+, formando conjuntos de moléculas que são chamadas de complexos hidroxílicos ou policatiões ou hidroxipolímeros.

A fórmula geral destes polímeros catiônicos é Al _x (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y) +} ou também Al _x O _z (OH) _y (H ₂ O) _n ^{(3x-y-2z) +}.

Polímero de importância

Acredita-se que o mais útil desses polímeros seja o chamado Al _13, cuja fórmula é AlO ₄ Al ₁₂ (OH) ₂₄ (H ₂ O) ₁₂ ^{7 +}, e também é conhecido como Keggin-Al13.

É uma espécie com 7 cargas positivas (isto é, um cátion heptavalente) com 13 átomos de alumínio, 24 unidades OH, 4 átomos de oxigênio e 12 unidades de água H ₂ O.

Formulários

- No tratamento de água

PACl é um produto comercial para tratar água e torná-la potável (limpa e potável). Também permite o tratamento de efluentes e águas industriais.

A água pode ser tornada potável se tratada com poli (cloreto de alumínio) (PAC). Autor: ExplorerBob. Fonte: Pixabay.

É usado como agente de coagulação em processos de melhoria de água. É mais eficaz do que o sulfato de alumínio. Seu desempenho ou comportamento depende da espécie presente, que depende do pH.

Como funciona

O PACl permite a coagulação de material orgânico e partículas minerais. Coagular significa que os compostos a serem eliminados passam de dissolvidos a sólidos. Isso é obtido por meio das interações de suas cargas positivas com as negativas dos materiais a serem coagulados.

Acredita-se que a espécie Al ₁₃, por possuir tantas cargas positivas (+7), seja a mais eficaz na neutralização de cargas. Em seguida, ocorre a formação de pontes entre as partículas que se aglomeram e formam flocos.

Esses flocos, por serem muito pesados, tendem a precipitar ou sedimentar, ou seja, vão para o fundo do recipiente que contém a água que está sendo tratada. Desta forma, eles podem ser removidos por filtração.

O Policloreto de Alumínio (PAC) é usado para sedimentar matéria orgânica e inorgânica em estações de tratamento de águas residuais. Foto do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA. Fonte: Wikimedia Commons.

Vantagem

O PAC é melhor que o sulfato de alumínio porque tem melhor desempenho em baixas temperaturas, deixa menos resíduos de alumínio, produz menos volume de lodo, menos efeito no pH da água e flocos maiores e mais rápidos são formados. Tudo isso facilita a sedimentação para filtração subsequente.

A água da piscina pode ser purificada com poli (cloreto de alumínio) (PAC). Autor: Kalhh. Fonte: Pixabay.

- Na indústria de celulose e papel

PAC é especialmente eficaz na modificação de enchimentos coloidais na fabricação de papel. Cargas coloidais são as cargas dos sólidos suspensos nas misturas para fazer a polpa de papel.

Permite acelerar a velocidade de drenagem (eliminação de água) principalmente em condições neutras e alcalinas, e auxilia na retenção de sólidos. Os sólidos são aqueles que posteriormente, ao secar, formam o papel.

Nesta aplicação, são usados ​​PAC com basicidades baixas (0-17%) e médias (17-50%).

Nas fábricas de celulose e papel, o policloreto de alumínio (PAC) é utilizado para auxiliar no processo de sedimentação. Autor: 151390. Fonte: Pixabay.

- Para melhorar o cimento

Recentemente (2019), a adição de PACl ao cimento Portland foi testada. Foi determinado que a presença de íons Cl ^- cloreto e de grupos poliméricos de alumínio alteram a estrutura do cimento. Estima-se que sejam formados sais complexos de fórmula 3CaO.Al ₂ O ₃.CaCl ₂.10H ₂ O.

O cimento de construção pode ser reforçado com cloreto de poli alumínio (PAC). Skeeze. Fonte: Wikimedia Commons.

Os resultados indicam que o PACl melhora as propriedades do cimento, diminui o número de microporos (orifícios muito pequenos) e a matriz torna-se mais densa e compacta, portanto a resistência à compressão aumenta.

O efeito aumenta com o aumento do conteúdo de PACI. O estudo confirma que a adição de PACl ao cimento Portland produz uma mistura com propriedades mecânicas e microestruturais superiores.

Com o poli cloreto de alumínio, a porosidade do cimento diminui e ele se torna mais resistente. Blackblack111. Fonte: Wikimedia Commons.

Referências

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