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的無機藥劑有更高的功效，近年來得到了迅速的發展和廣泛的應用。本文從其組成、形態、物化性質、主要指標、制備及應用等方面，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、日本等國就陸續有化學家研究鋁的堿式鹽，在實驗室中制備堿式鋁鹽，并研究其組成和特性。在研究中發現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中迅速發展了起來，并進一步以無機高分子理論出發探討其作用機理，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生的帶適當電荷聚合度較高的無機高分子形態進行的，其實質是鋁鹽在水解-聚合-沉淀的動力學過程中的中間產物，其化學形態屬于多核羥基配位化合物。Al3+→Al2(OH) 24+→Al7(OH) 165+→Al13O4(OH) 247+。聚合氯化鋁現場投加，能迅速發揮優異的絮凝作用，由此可見，聚合鋁的基本形態應該是多核羥基配合物形成的無機高分子。大量學者對聚合鋁的組成和形態進行了多年的研究，被廣泛的接受的化學式為[Al2(OH)nCl6-n]m，式中m≤10， n=3~5。該化學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數目為2的基本結構，又考慮了高分子聚合物的發展形態的表達方式是目前好的。
二、聚合氯化鋁的形態 
對聚合氯化鋁的形態的研究，近年來取得了長足的進展。主要方法有兩種，Ferron逐時絡化比色法對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，一些學者認為Al13是聚合鋁中佳絮凝成分。但Al13的生成條件和形態組成卻一直是爭論的焦點。近年提出Al13生成需有前驅物的論點得到了較多的贊同。
逐時絡化比色法的研究。這是目前比較實用的方法，其基本原理是利用高鐵試劑Ferron與羥基絡合物的絡合動力學差異，根據絡合反應完成的時間把Al化合物在溶液中水解聚合的形態分為三類，即①Ala包括快速絡合的自由離子。單體及聚合物。②Alb包括慢速絡合的低聚合物及中等聚合物。③Alc包括長時間內難以絡合的高聚物及溶膠。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-水解低聚形態部分；A lb2-水解中聚形態部分。進一步的研究指出，在人工加堿強制水解的鋁鹽純溶液中，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，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。
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的OH-數量。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關系。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品有效成分的衡量指標，它與溶液的相對密度有一定的關系，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，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 
聚合氯化鋁的外觀性質與鹽基度、制造方法、雜質成分以及含量有關。純液體聚合氯化鋁，鹽基度在40%~60%范圍內時，為淡黃色透明液體，在60%以上時，逐步變為無色透明液體。固聚合氯化鋁，鹽基度在30%以下時為晶狀體，在30%~60%范圍內時為膠狀物，在60%以上時逐漸變為玻璃體或樹脂狀。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，發生分解，陸續放出氯化氫氣體，后分解為氧化鋁。能與酸發生解聚反應，使聚合度和鹽基度降低，后變為正鋁鹽。易溶于水，并發生水解生成[Al(OH)3(OH2)3]，沉淀水解過程中伴隨有電化學、凝聚、吸附、沉淀等物理化學過程。
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生產的方法得到了迅速的發展，針對不同的原料研究出了多種不同的方法，李潤生曾系統地對這些方法做了總結。
聚合氯化鋁原料：可采用生產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：氧化鋁廠的中間產品鋁酸鈉和結晶氫氧化鋁、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，而且反應活性低。因此，綜合利用含鋁和氧化鋁的物質，是較經濟合理的。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，工業生產尚未推廣。
六、聚合氯化鋁優點及應用
聚合氯化鋁優點： 
聚合氯化鋁作為一種新型的絮凝劑，根據國內外的生產實踐，有以下優點：
（1）在一般的原水條件下，絮凝效果優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、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，過量投加后不易產生水質惡化作用，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，對原水溫度適應性比硫酸鋁強。
（7）多濁度，堿度，有機物含量的變化適應性強。
（8）處理水中鹽分增加少，因而對于制藥工業，輕工業，純水制取的預處理較為有。
（9）處理水成本低于現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，可減輕投藥系統的勞動強度
（11）對投藥系統及操作人員皮膚、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給水的凈化，以及工業廢水的處理。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。故可用于多種工業廢水的處理。聚合氯化鋁對于處理水的適應強，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、醫藥、制革等領域。
隨著水質越來越復雜,單一混凝劑已不能滿足水處理的需要，因此，新型復合混凝劑得到了發展。近年來，人們研制開發出了鐵鋁復合混凝劑，并開展了鐵鋁復合混凝劑的混凝性能、共聚機理及形態方面的研究工作。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。 研究結果表明,鐵鋁復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合混凝劑等新品種也得到了研制開發