凈水劑"聚合氯化鋁"全面知識大剖析

凈水劑"聚合氯化鋁"全面知識大剖析
    聚合氯化鋁是一類新型的主流無機高分子絮凝劑，由于其在水處理中較傳統(tǒng)的無機藥劑有更高的功效，近年來得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。本文從其組成、形態(tài)、物化性質(zhì)、主要指標、制備及應(yīng)用等方面，對這一新型的水處理藥劑進行了介紹。
    自20世紀30年代起，美國、德國、前蘇聯(lián)、日本等國就陸續(xù)有化學(xué)家研究鋁的堿式鹽，在實驗室中制備堿式鋁鹽，并研究其組成和特性。在研究中發(fā)現(xiàn)這種藥劑有更高的絮凝能力。到了60年代，日本的前埝提出了幾種堿式鋁鹽的工業(yè)制造流程，肯定了堿式鋁鹽的絮凝效能高于硫酸鋁。此后，堿式氯化鋁在日本水處理技術(shù)中迅速發(fā)展了起來，并進一步以無機高分子理論出發(fā)探討其作用機理，開始命名為聚合鋁。聚合氯化鋁是聚合鋁的一種，其性能優(yōu)于其他絮凝劑。
一 、聚合氯化鋁的組成 
鋁鹽的絮凝作用主要是以投入水中后產(chǎn)生的帶適當電荷聚合度較高的無機高分子形態(tài)進行的，其實質(zhì)是鋁鹽在水解-聚合-沉淀的動力學(xué)過程中的中間產(chǎn)物，其化學(xué)形態(tài)屬于多核羥基配位化合物。Al3+→Al2(OH) 24+→Al7(OH) 165+→Al13O4(OH) 247+。聚合氯化鋁現(xiàn)場投加，能迅速發(fā)揮優(yōu)異的絮凝作用，由此可見，聚合鋁的基本形態(tài)應(yīng)該是多核羥基配合物形成的無機高分子。大量學(xué)者對聚合鋁的組成和形態(tài)進行了多年的研究，被廣泛的接受的化學(xué)式為[Al2(OH)nCl6-n]m，式中m≤10， n=3~5。該化學(xué)式實際上是把羥基配合物Al2(OH)nCl6-n看成是高分子化合物的單體，而m為聚合度。這種既考慮了A l數(shù)目為2的基本結(jié)構(gòu)，又考慮了高分子聚合物的發(fā)展形態(tài)的表達方式是目前好的。
二、聚合氯化鋁的形態(tài) 
對聚合氯化鋁的形態(tài)的研究，近年來取得了長足的進展。主要方法有兩種，F(xiàn)erron逐時絡(luò)化比色法對PAC的研究用27Al-NMR(核磁共振)對聚合氯化鋁的研究和Ferron逐時絡(luò)化比色法對PAC的研究。 
用27Al-NMR(核磁共振)研究。該研究圖中顯示了0.0和62.9兩個共振峰。一般認為：0.0共振峰是Al(H2O)63+及其他單核羥基配離子的特征峰；62.9共振峰是由多核組分Al13O4(OH)24(H2O)127+（簡寫為Al13）引起的。因此，一些學(xué)者認為Al13是聚合鋁中佳絮凝成分。但Al13的生成條件和形態(tài)組成卻一直是爭論的焦點。近年提出Al13生成需有前驅(qū)物的論點得到了較多的贊同。
逐時絡(luò)化比色法的研究。這是目前比較實用的方法，其基本原理是利用高鐵試劑Ferron與羥基絡(luò)合物的絡(luò)合動力學(xué)差異，根據(jù)絡(luò)合反應(yīng)完成的時間把Al化合物在溶液中水解聚合的形態(tài)分為三類，即①Ala包括快速絡(luò)合的自由離子。單體及聚合物。②Alb包括慢速絡(luò)合的低聚合物及中等聚合物。③Alc包括長時間內(nèi)難以絡(luò)合的高聚物及溶膠。總鋁量等于以上三部分的加和，即AlT=Ala+Alb+Alc。近年來許多研究者認為可將Alb分為兩種，Alb1-水解低聚形態(tài)部分；A lb2-水解中聚形態(tài)部分。進一步的研究指出，在人工加堿強制水解的鋁鹽純?nèi)芤褐�，一定條件下生成的Alb基本等于Al13。
三、聚合氯化鋁的主要指標
1、鹽基度。聚合氯化鋁中某種形態(tài)的羥基化程度或堿化的程度稱為鹽基度或堿化度。一般用羥鋁摩爾比B=[OH]/[Al]百分率表示。鹽基度是聚合氯化鋁重要的指標之一，與絮凝效果有十分密切的關(guān)系。原水濃度越高，鹽度越高，則絮凝效果越好。歸納起來，在原水濁度86~10000mg/L范圍內(nèi)，聚合氯化鋁佳鹽基度在40%~85%，且聚合氯化鋁的許多其他特性都與鹽基度有關(guān)。
2、pH值。聚合氯化鋁溶液的pH也是一項重要的指標。它表示溶液中游離狀態(tài)的OH-數(shù)量。聚合氯化鋁的pH值一般隨鹽基度升高而增大，但對于不同組成的液體，其pH值與鹽基度之間并不存在對應(yīng)關(guān)系。具有相同鹽基度濃度的液體，當濃度不同時，其pH值也不同。
3、氧化鋁含量。聚合氯化鋁中氧化鋁含量是產(chǎn)品有效成分的衡量指標，它與溶液的相對密度有一定的關(guān)系，一般說來相對密度越大，則氧化鋁含量越高。聚合氯化鋁黏度與氧化鋁含量有關(guān)，隨氧化鋁含量增大黏度增大。相同條件下，相同濃度氧化鋁條件下，聚合氯化鋁的粘度要低于硫酸鋁，更有利于輸送和使用。
四、物化性質(zhì) 
聚合氯化鋁的外觀性質(zhì)與鹽基度、制造方法、雜質(zhì)成分以及含量有關(guān)。純液體聚合氯化鋁，鹽基度在40%~60%范圍內(nèi)時，為淡黃色透明液體，在60%以上時，逐步變?yōu)闊o色透明液體。固聚合氯化鋁，鹽基度在30%以下時為晶狀體，在30%~60%范圍內(nèi)時為膠狀物，在60%以上時逐漸變?yōu)椴Ａ�體或樹脂狀。而用鋁土或黏土礦制造的聚合氯化鋁色澤為黃色至褐色透明液體。
聚合氯化鋁味酸澀，加溫至110℃以上時，發(fā)生分解，陸續(xù)放出氯化氫氣體，后分解為氧化鋁。能與酸發(fā)生解聚反應(yīng)，使聚合度和鹽基度降低，后變?yōu)檎�鋁鹽。易溶于水，并發(fā)生水解生成[Al(OH)3(OH2)3]，沉淀水解過程中伴隨有電化學(xué)、凝聚、吸附、沉淀等物理化學(xué)過程。
五、聚合氯化鋁的制備 
從20世紀70年代開始，聚合氯化鋁的實驗室制備及工業(yè)生產(chǎn)的方法得到了迅速的發(fā)展，針對不同的原料研究出了多種不同的方法，李潤生曾系統(tǒng)地對這些方法做了總結(jié)。
聚合氯化鋁原料：可采用生產(chǎn)聚合氯化鋁的原料很多，按來源不同可分為三類：一類為直接從礦山開采得來的含鋁礦物原料，一類來自工礦部門的廢渣，另一類是化工、冶金產(chǎn)品或半成品。 含鋁礦物：鋁土礦、黏土和高齡土、明礬石、霞石。工業(yè)廢棄物：鉛灰、煤矸石、粉煤灰、氧化鉛廠和電解鉛廠的廢氧化鉛、鋁件的酸洗和堿洗的廢液及分子篩。化工冶金品：氧化鋁廠的中間產(chǎn)品鋁酸鈉和結(jié)晶氫氧化鋁、三氯化鋁和硫酸鋁。
聚合氯化鋁方法 ：
聚合氯化鋁的生產(chǎn)工藝多種多樣一般有以下幾種：
    （1）加堿于鋁鹽溶液。該法適合實驗室。
    （2）加鋁酸鈉于鋁鹽溶液。本法也叫中和法。
    （3）金屬鋁溶解于鹽酸。
    （4）金屬鋁溶解于鋁鹽溶液。
    （5）金屬鋁溶解于氯化物溶液。
    （6）氫氧化鋁溶解于鹽酸。
    （7）氫氧化鋁溶解于鋁鹽溶液。
    （8）氯化鋁溶液的離子交換樹脂處理。
    （9）以離子交換樹脂隔層進行電解。
    （10）鋁電極電解。
    （11）含鋁礦石的鹽酸處理。
    （12）由煉鋁中間液制取。
    （13）廢鋁灰的鹽酸處理。
    （14）廢鋁灰的堿液處理。
用上述的方法制成的聚合氯化鋁，其凈化效果相仿，但采用金屬鋁為原料來源比較困難，成本高昂；采用存放很久的失水氫氧化鋁為原料不僅成本高，而且反應(yīng)活性低。因此，綜合利用含鋁和氧化鋁的物質(zhì)，是較經(jīng)濟合理的。就其加工工藝而言，酸法較常用，中和法和堿化法比酸法工藝流程長，設(shè)備多，但鋁灰中有較多的成分利用效率高。對含鐵量較高的高齡土宜用堿法。離子交換法、電滲法等多見于專利報道，工業(yè)生產(chǎn)尚未推廣。
六、聚合氯化鋁優(yōu)點及應(yīng)用
聚合氯化鋁優(yōu)點： 
聚合氯化鋁作為一種新型的絮凝劑，根據(jù)國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐，有以下優(yōu)點：
（1）在一般的原水條件下，絮凝效果優(yōu)于常用的無機絮凝劑，如硫酸鋁，硫酸亞鐵，三氯化鐵等。
（2）絮體形成快，沉淀速度高。因而反應(yīng)、沉淀時間可縮短，在相同的條件下可提高處理能力1.5~3.0倍。
（3）沉淀的泥渣的脫水性能高于硫酸鋁，低于三氯化鋁。
（4）在等投加量下，聚合氯化鋁消耗的水中堿度小于各種無機絮凝劑消耗的水中的堿度，處理后出水的pH降低也少。
（5）適宜投加范圍寬，過量投加后不易產(chǎn)生水質(zhì)惡化作用，因而有利于操作管理和提高凈水安全性。
（6）適宜原水pH范圍比硫酸鋁寬，對原水溫度適應(yīng)性比硫酸鋁強。
（7）多濁度，堿度，有機物含量的變化適應(yīng)性強。
（8）處理水中鹽分增加少，因而對于制藥工業(yè)，輕工業(yè)，純水制取的預(yù)處理較為有。
（9）處理水成本低于現(xiàn)有的各種無機絮凝劑。
（10）有效成分（固體）為硫酸的鋁的2.5~3.0倍。投加量少，因而對運輸、貯存有利，可減輕投藥系統(tǒng)的勞動強度
（11）對投藥系統(tǒng)及操作人員皮膚、衣物腐蝕性小，改善了勞動強度。
聚合氯化鋁應(yīng)用 
聚合氯化鋁屬于陽離子無機高分子絮凝劑，加量一般為20~50mg/L。液體可直接計量投加，固體產(chǎn)品需先在溶解池中配成10%~15%溶液后，按所需的濃度計量投加。聚合氯化鋁主要用于飲用水和工業(yè)給水的凈化，以及工業(yè)廢水的處理。同時，還能用于去除水中所含的鐵，錳，鉻，鉛等重金屬，以及氟化物和水中含油等。故可用于多種工業(yè)廢水的處理。聚合氯化鋁對于處理水的適應(yīng)強，尤其對高濁度水的處理效果更為明顯。水溫較低時仍能維持穩(wěn)定的絮凝效果。凈化后水的色度和鐵錳等重金屬含量低，對設(shè)備的腐蝕性小。除此之外，聚合氯化鋁也用做央蠟澆鑄硬化劑，并用于鑄造、造紙、醫(yī)藥、制革等領(lǐng)域。
隨著水質(zhì)越來越復(fù)雜,單一混凝劑已不能滿足水處理的需要，因此，新型復(fù)合混凝劑得到了發(fā)展。近年來，人們研制開發(fā)出了鐵鋁復(fù)合混凝劑，并開展了鐵鋁復(fù)合混凝劑的混凝性能、共聚機理及形態(tài)方面的研究工作。含硫酸根的聚合氯化鋁是通過引入適量的SO42-，來提高聚合氯化鋁的聚合度，從而提高聚合氯化鋁的混凝性能。含Cl-的聚合硫酸鐵則是引入適量Cl以提高聚合硫酸鐵的聚合度，從而提高聚合硫酸鐵的混凝性能。 研究結(jié)果表明,鐵鋁復(fù)合高分子混凝劑可克服聚合鋁及聚合鐵單一種類混凝劑的某些缺點，具有更好地混凝效果和更廣泛的應(yīng)用范圍。此外，含鎂的鋁鹽混凝劑,含有鐵、鋁、鈣、鎂、硅等成分的多種離子的復(fù)合混凝劑等新品種也得到了研制開發(fā)