Policloruro de aluminio

¿Qué es el policloruro de aluminio?

El policloruro de aluminio es una clase de productos inorgánicos de aluminio solubles en agua, formados por la reacción parcial de cloruro de aluminio AlCl₃ con una base. Es un sólido de blanco a amarillo. Su fórmula general a menudo se expresa como Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Se conoce también como PAC o PACl (siglas del inglés PolyAluminum Chloride).

Los PAC son formulados de manera que contienen polímeros altamente catiónicos (conjuntos de varias moléculas con muchas cargas positivas) formados por iones aluminio (Al³⁺), iones cloruro (Cl^–), iones hidroxilo (OH)^– y moléculas de agua (H₂O).

El polímero catiónico más importante de estas especies es el denominado Al₁₃ o Keggin-Al13, muy efectivo en el tratamiento de aguas y en la industria de fabricación de pulpa y papel.

En dichas aplicaciones los PAC se adhieren sobre la superficie de las partículas haciendo que se unan entre sí y puedan sedimentar, es decir, caer hacia el fondo y ser filtradas.

También ha sido probado con éxito para mejorar las propiedades del cemento Portland, pues modifica o cambia su estructura a nivel micro y hace que el cemento sea más resistente.

Estructura del policloruro de aluminio

El PAC está formado por una serie de especies que van desde monómeros (una sola molécula), dímeros (dos moléculas unidas), oligómeros (tres a cinco moléculas unidas) hasta polímeros (muchas moléculas unidas).

Su fórmula general es Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Cuando se disuelven en agua estas especies contienen iones Al³⁺, iones hidroxilo OH^–, iones cloruro Cl^– y moléculas de agua H₂O.

En solución acuosa su fórmula general es Al_x(OH)_y(H₂O)_n^(3x-y)+ o también Al_xO_z(OH)_y(H₂O)_n^(3x-y-2z)+.

El más útil de estos polímeros es el denominado Al₁₃ o Keggin-Al13, cuya fórmula es AlO₄Al₁₂(OH)₂₄(H₂O)₁₂⁷⁺. La especie Al₁₃ tiene forma tridimensional.

Se piensa que el precursor de este policatión es el Al(OH)₄^–, el cual presenta una conformación tetraédrica y se encuentra en el centro de la estructura.

Nomenclatura del policloruro de aluminio

• Policloruro de aluminio.
• PAC (del inglés Poly Aluminum Chloride).
• PACl (del inglés Poly Aluminum Chloride).
• Cloruro de polialuminio.
• Polihidroxicloruro de aluminio.
• Clorhidrato de aluminio o ACH (siglas del inglés Aluminum ChlorHydrate).

Propiedades del policloruro de aluminio

• Estado físico. Polvo de blanco a amarillo que también se obtiene en forma de soluciones acuosas de diferentes concentraciones.
• Solubilidad. Soluble en agua.
• Características de los PAC comerciales. Los diversos PAC se diferencian entre sí principalmente por dos cosas:
  • Su fuerza, expresada como % de alúmina Al₂O_3.
  • Su basicidad, la cual indica la cantidad de material polimérico en el PAC, y puede variar entre 10% (baja basicidad), 50% (basicidad media), 70% (alta basicidad) y 83% (la más alta basicidad, que corresponde al clorhidrato de aluminio o ACH).
• Propiedades químicas. El PAC es una clase de productos de aluminio solubles en agua. Su fórmula general a menudo se expresa como Al_n(OH)_mCl_(3n-m). Dado que se producen al hacer reaccionar cloruro de aluminio (AlCl₃) con una base, la basicidad de este tipo de productos depende de la cantidad relativa de iones OH^– comparada con la cantidad de aluminio (Al). De acuerdo con la fórmula Al_n(OH)_mCl_(3n-m), la basicidad se define como m/3n. Es un floculante. Posee propiedades como facilidad de adsorción sobre otras partículas de carga opuesta (se adhiere a la superficie de estas), coagulación (unión de varias partículas sobre las que se ha adsorbido) y precipitación de estos grupos de partículas unidas. Los PAC pueden ser inestables, pues dependen del pH. Pueden ser corrosivos.
• Comportamiento del PAC en agua. Al disolver el PAC en agua y dependiendo del pH se forman diversas especies de aluminio-hidroxilo (Al-OH). Se hidroliza o reacciona con el agua para formar monómeros (moléculas unitarias), oligómeros (unión entre 3 y 6 moléculas) y polímeros (más de 6 moléculas unidas). La especie más importante es un polímero con 13 átomos de aluminio, que se denomina Keggin-Al13.
• Función del PAC como floculante. El polímero Keggin-Al13 se adsorbe sobre las partículas presentes en el agua, es decir, se pega sobre la superficie de estas, y hace que se agreguen unas a otras formando flóculos. Los flóculos son conjuntos de partículas muy pequeñas aglutinadas o unidas formando estructuras más grandes que pueden sedimentar, esto es, ir al fondo de la solución acuosa. Luego de formar flóculos, cuando estos son suficientemente grandes se van al fondo y la solución acuosa queda limpia.

Obtención del policloruro de aluminio

Las soluciones de PAC o PACl generalmente se obtienen agregando una base o solución alcalina a una solución de cloruro de aluminio (AlCl₃).

Para que se obtenga una alta cantidad de polímeros Al₁₃ la base o álcali que se agregue no debe proporcionar iones OH^– demasiado rápido ni demasiado lento.

Ciertos estudios indican que es difícil producir una concentración alta estable de Al₁₃ usando NaOH porque este libera los iones OH^– demasiado rápido en el agua.

Por esta razón se prefieren compuestos básicos de calcio (Ca), los cuales tienen baja solubilidad en agua y de esta forma liberan los iones OH^– lentamente. Uno de estos compuestos básicos de calcio es el óxido de calcio CaO.

A continuación los pasos que ocurren para la formación del PAC.

• Hidrólisis. Cuando las sales de aluminio (iii) se disuelven en agua ocurre una reacción de hidrólisis de forma espontánea en la cual el catión aluminio Al³⁺ toma iones hidroxilo OH^– del agua y se une a ellos, dejando protones H⁺ libres: Al³⁺ + H₂O → Al(OH)²⁺ + H⁺  //  Al³⁺ + 2 H₂O → Al(OH)₂⁺ + 2 H⁺. Esto se favorece al añadir un álcali, esto es, iones OH^–. El ion aluminio Al³⁺ va uniéndose cada vez más a aniones OH^–: Al³⁺ → Al(OH)²⁺ → Al(OH)₂⁺ → Al(OH)₃⁰ → Al(OH)₄^–. Además se forman especies como Al(H₂O)₆³⁺, es decir, un ion aluminio unido o coordinado con seis moléculas de agua.
• Polimerización. Después se forman uniones entre estas especies, formando dímeros (conjuntos de 2 moléculas) y trímeros (conjuntos de 3 moléculas) que se van transformando en oligómeros (conjuntos de 3 a 5 moléculas) y polímeros (conjuntos de muchas moléculas unidas). Al(OH)₂⁺ → Al₂(OH)₂⁴⁺ → Al₃(OH)₅⁴⁺ → Al₆(OH)₁₂⁶⁺ → Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺. Este tipo de especies se unen mediante puentes de OH entre sí y con los Al(H₂O)₆³⁺ formando conjuntos de moléculas que se llaman hidroxicomplejos o policationes o hidroxipolímeros. La fórmula general de estos polímeros catiónicos es Al_x(OH)_y(H₂O)_n^(3x-y)+ o también Al_xO_z(OH)_y(H₂O)_n^(3x-y-2z)+.
• Polímero de importancia. Se piensa que el más útil de estos polímeros es el denominado Al₁₃ cuya fórmula es AlO₄Al₁₂(OH)₂₄(H₂O)₁₂⁷⁺, y también se le conoce como Keggin-Al13. Es una especie con 7 cargas positivas (es decir, un catión heptavalente) con 13 átomos de aluminio, 24 unidades OH, 4 átomos de oxígeno y 12 unidades de agua H₂O.

Usos del policloruro de aluminio

• En el tratamiento de aguas. El PACl es un producto comercial para tratar el agua y hacerla potable (limpia y bebible). También permite tratar aguas residuales e industriales. Se emplea como agente de coagulación en los procesos mejoramiento de las aguas. Es más efectivo que el sulfato de aluminio. Su desempeño o comportamiento depende de las especies presentes, lo cual depende del pH.
  • Ventajas. El PAC es mejor que el sulfato de aluminio porque tiene un mejor rendimiento a baja temperatura, deja menos residuos de aluminio, produce menos volumen de lodo, menos efecto en el pH del agua y se forman flóculos más rápido y más grandes. Todo lo cual facilita la sedimentación para su posterior filtración.
• E n la industria de fabricación de pulpa y papel. El PAC es especialmente efectivo en la modificación de las cargas coloidales en la fabricación del papel. Las cargas coloidales son las cargas de los sólidos suspendidos en las mezclas para hacer pulpa de papel. Permite acelerar la velocidad de drenaje (eliminación de agua) especialmente en condiciones neutras y alcalinas, y ayuda en la retención de los sólidos. Los sólidos son los que luego, al secarse, forman el papel. En esta aplicación se emplean PAC con basicidades bajas (0-17%) y medias (17-50%).
• Para mejorar el cemento. Recientemente (2019) se ha probado añadir PACl al cemento Portland. Se determinó que la presencia de iones cloruro Cl^– y de los grupos poliméricos de aluminio cambia la estructura del cemento. Se estima que se forman sales complejas de fórmula 3CaO.Al₂O₃.CaCl₂.10H₂O. Los resultados indican que el PACl mejora las propiedades del cemento, disminuye el número de microporos (huequitos muy pequeños) y la matriz se hace más densa y compacta por lo tanto la resistencia a la compresión aumenta. El efecto aumenta al aumentar el contenido de PACl. El estudio confirma que al añadir PACl al cemento Portland se obtiene una mezcla con propiedades mecánicas y microestructurales superiores.

Referencias

1. Kim, T. et al. Investigating the Effects of Polyaluminum Chloride on the Properties of Ordinary Portland Cement. Materials. Recuperado de mdpi.com.
2. Li, Y. et al. Optimization of Polyaluminum Chloride-Chitosan Flocculant for Treating Pig Biogas Slurry Using the Box-Behnken Response Surface Method. Int. J. Environ. Res. Public Health. Recuperado de mdpi.com.
3. Hubbe, M. Polyaluminum Chloride (PAC). Mini-Encyclopedia of Papermaking Wet-End Chemistry. Recuperado de projects.ncsu.edu.
4. Jia, Z. et al. Synthesis of Polyaluminum Chloride with a Membrane Reactor: Operating Parameter Effects and Reaction Pathways. Ind. Eng. Chem. Res. Recuperado de pubs.acs.org.
5. Polyaluminum Chloride (PAC). Recuperado de geosc.com.