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摘要：铝离子在溶液中的反应较复杂，本文根据铝离子在水中的分布进行研究，提出了溶液中铝离子的形态，并在溶液沉淀时的形态和所进行的反应进行研究，为今后研究奠定了基础。
水中铝的形态转化和分布极为复杂。在水中铝离子发生水解反应，仅其水解形态就大致有三类：单体轻基形态、聚合羚基形态和胶体聚合形态或无定形氢氧化铝溶胶。此外，溶解态铝能与水中氟离子、硫酸根离子等无机配位体以及水杨酸、腐殖酸或富里酸等有机配位体形成更稳定的无机或有机铝络合物[1]。
铝的水化学反应主要是高价金属离子在水中进行的一系列水解反应，最终生成氢氧化铝沉淀。但它不同于其它非过渡金属离子的水解反应[2]，主要是：
1.铝离子其有两性化学特征
当铝离子溶解水中时，首先生成水合铝络离子，一般认为是六水分子配位络合的
Al（H2O）63+。水合铝络离子在水中会发生一系列水解反应，释放H+质子而导致水体pH
降低：
在酸性水体中，铝水解生成Al（OH）2+的pH值大致在pH4。0左右，并且在pH4一5。5的水体中，单体羟基络合形态，如Al3+、Al（OH）2+、Al（oH）十是水中优势的水解形态[3]。在pH7以上水体中，铝水解生成物主要是Al（OH）3沉淀物。而在碱性溶液中，如pH9以上，铝水解沉淀物会再溶解而生成铝酸阴离子Al（OH）-4：
因此，铝的水解形态随pH的变化而具有不同的形态分布，单体形态分布随pH的变化如图
2.水解铝趋于聚合
水中单体轻基铝络离子强烈趋于聚合反应，生成二聚体、低聚体及高聚体等多种聚合形态。例如：单体经基铝〔AI（oH）〕2+在PH升高或OH一增加时，会发先缩聚反应而生成二聚体，缩聚作用原理是在两相邻单体轻基铝络离子的轻基之间架桥而形成一对具有共同边的八面体结构当水中pH或OH-离子继续增加时。铝的水解聚合反应会继续下去，生成多种聚合形态，最终生成〔Al（oH）3〕。无定形沉淀物。水中铝的聚合形态分布取决于水中铝浓度及其pH值，即与水中的oH/Al比及动力学因素相关。在铝离子浓度>10-2M、OH/Al比为1时，主要形态是聚体或低聚体。在《5x10-3M、pH5。8一6。8的水体中，聚合经基络合形态一般是优势形态。在3<OH/Al>1之间，水中就可能会存在多种聚合羟基铝形态，如〔AI6（OH）10〕6+等等。在OH/Al比》3时，铝水解聚合生成胶的无定形沉淀物。虽然已提出多种类型的象合形态，但目前较一致的着法是低子13个铝的聚合物，一般，在OH/AI比<1。5的铝溶液中，铝水解形态主要是单体或低聚体形态。在H/Al>2。2-2。5时，水中优势形态是13铝高聚物。聚合铝构象韵稳定性取决于溶液中的双电层厚度，聚合物的正电荷数及水中OH-离子浓度。稳定的聚合构象是呈八面体形的六员环状结构而延展开，其过程是由线型到面型到体型[4]。
由此，铝的水解及聚合反应过程包括：（l）水解生成单体和二聚体形态。（2）水解缩聚反应，单体或二聚体沿a、b结晶轴定向聚合。生成二维聚合络离子而成长为三水铭右奎层片结构。（3）各层片平行定向缩聚，并沿c轴垂直成长为三维聚合体。（4）各铝形悉间继续缩聚聚集而生成无定形胶溶沉淀物。因此，铝的水解形态大致可分为三类：单体形态、片状聚合形态、三维胶体聚合形态。兰类不同形悉铝具有不同的化学行为，在特定oH/AI或pH值时，水解平衡体系中的聚合形态[4]。
3.与水中阴离子络合
在pH4一9的水中，铝的形态转化规律通拿是几以上述三类形态进行的。但在水中存在其它阴离子时，会竞争络合水中铝离子，甚至形成更稳定的其它络离子。
水中的氟离子是最强烈钓竞争阴离子，并可形成六种稳定的氟铝络离子。其反应平衡常数高达107一102。因此，即使水中存在极痕量氟离子，也会对溶解态铝产生显著的影响。如在含F一2mg/L的天然水中，大部分溶解态铝是以AIF2+、AIF2+、AIF形态存在。
硫酸根阴离子是天然水体中主要的阴离子成分，因而天然水体中普遍存在两种磷酸铝络离子，AISO42+和AI（so4）2-。在硫酸根阴离子含量多而低pH的水体或在硫化物氧化性水体中，硫酸铝络离子形态将是天然水体的优势形态，但硫酸铝络合物的平衡常数远小于氟化铝络合物，因而其络合影响也弱得多。
磷酸根和硅酸阴离子也竞争络合水中溶解态铝，形成多种络合沉淀物。络合程度取决于pH及铝的形态。最稳定的单体磷酸铝似是AIPO4。而在溶液中，磷酸根和硅酸阴离子大部分将被Alb专属吸附聚集而沉淀。磷酸根阴离子趋于与两个Alb络离子结合。取代水分子而形成聚磷酸铝沉淀物。
水中这些无机阴离子的存在会增大与其固态氢氧化铝处于平衡状态的溶解铝浓度。在水中同时存在几种不同类型的无机阴离子时，其形态分布取决于各反应的平衡常数、阴离子浓度及pH值。除无机阴离子外，许多天然有机配位体也具有迁移络合水及土壤中铝的能力，并可显著增大水中铝的溶解度，如富里酸和腐殖酸、多酚类、还原糖及有机酸化合物等等。水杨酸与铝形成六员环状结构的可溶性鳌合物[5]。
而大多数有机铝络合物，如富里酸和腐殖酸铝络合物通常多以微胶体形式存在，并受其聚集、絮凝沉淀作用的影响。因而，天然水中的有机铝络合物似是随时间而逐渐降低。此外，许多合成有机物，如EDT、ANTA、STPP（三聚磷酸钠）也都是铝的鳌合剂。在这些有机物污染水体中，都可能会含较高浓度的溶解态铝络离子[6]。
4.总结
综上所述，水中铝的化学形态很大程度上取决于水体的pH值、总有机碳和各种配位体的含量和种类。通常，在有机碳含量较高或碱度较大的水体中，有机络合态或聚合羟基络合态是优势形态。在氟离子浓度较高的水体中，氟化铝络离子是优势的无机形态。但在有机碳含量低的酸性水体中，单体经基络离子占优势。
参考文献：
[1]栾兆坤. 水中铝的形态及其形态研究方法[J]. 环境化学，1987，2（6）：46-56.
[2]刘文新，栾兆坤，汤鸿霄. 水体中铝（Ⅲ）的化学形态及其生态效应的研究进展[J]. 生态学报，1996，4（16）：212-220.
[3]廖敏，谢正苗，王锐.菌藻共生体去除废水中砷初探[J].环境污染与防治，1997，4（20）：11-14
[4]栾兆坤，冯利，汤鸿霄. 水解聚合铝溶液中形态分布的定量模拟研究[J]. 环境科学学报，1995，1（15）：39-47.
[5]杨占峰. 白云鄂博矿区饮用水混凝过滤除氟的研究[D]. 西安建筑科技大学，2003.
[6]石慧. 我国淡水环境中铝的水质基准研究[D]. 南昌大学，2016.
论文作者: 滕非,曹璟,郭林虎,胡锦娟
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第24期
论文发表时间:2019/7/31
标签：形态论文; 离子论文; 水中论文; 水体论文; 阴离子论文; 沉淀物论文; 溶液论文; 《建筑模拟》2019年第24期论文;