PAC絮凝劑的作用原理

郭東俊 2021-02-09

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概述^[1]

在水處理領(lǐng)域中，絮凝法凈化水是最古老的固液分離方法之一，由于其適用性廣、工藝簡單、處理成本低等特點，絮凝法目前仍廣泛應(yīng)用于飲用水、生活污水和工業(yè)廢水處理中。聚合氯化鋁（PAC）是一種優(yōu)良的無機高分子絮凝劑，它首先在日本研制成功并與20世紀(jì)60年代投入工業(yè)化生產(chǎn)，是目前技術(shù)最為成熟，市場銷量最大的絮凝劑。PAC使用時具有絮體形成快、沉淀性能好，水中堿度消耗少，特別是對水溫、pH值、濁度和有機物含量變化適應(yīng)性強等優(yōu)點。我國從上世紀(jì)70年代開始，已對PAC進(jìn)行了研發(fā)，近年來隨著實驗室研究的深入，工業(yè)生產(chǎn)得到了快速的發(fā)展。

作用原理^[2]

聚合氯化鋁(PAC)作為最常用的無機高分子絮凝劑，其混凝機理至今仍未達(dá)到統(tǒng)一的認(rèn)識。但大多數(shù)人認(rèn)為，由于聚合鋁是一種含羥基的聚合物，有很強烈的界面吸附能力，其在顆粒物表面結(jié)合的效應(yīng)，對于顆粒物是其負(fù)電荷向正電荷的轉(zhuǎn)化，對于聚合鋁則是結(jié)合表面OH發(fā)生進(jìn)一步的水解，其發(fā)展趨勢則是在高濃度、高pH條件下形成表面沉淀，表面覆蓋層則可由聚合鋁轉(zhuǎn)化為鋁凝膠以至氫氧化鋁沉淀，此時凝聚作用轉(zhuǎn)化為絮凝作用為主，電中和作用轉(zhuǎn)化為粘附卷掃作用為主。與傳統(tǒng)的鋁鹽相比，聚合鋁由于含有更多的高電荷，因而具有更強的電中和能力和強烈的吸附能力，投加到水中后能立即發(fā)揮混凝的最佳作用，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的混凝效果。將該類研究推廣到三價共存陰離子增聚聚合鋁，在陰離子對鋁鹽水解-聚合的作用機理以及該類聚合鋁制備和應(yīng)用方面取得了一系列的成果。

制備^[3]

1. 以鋁屑、鋁灰及鋁渣為原料

1）酸溶一步法

將鹽酸、水按一定比例投加于一定量鋁灰中，在一定溫度下充分反應(yīng)，并經(jīng)過若干小時熟化后，放出上層液體即得PAC液體產(chǎn)品。鋁反應(yīng)為放熱反應(yīng)，如果控制好反應(yīng)件如鹽酸濃度和量，水量及投加速度和順序，就可以充分利用鋁反應(yīng)放出的熱量，使反應(yīng)降低對外加熱量的依賴度，甚至不需外加熱源而通過自熱進(jìn)行反應(yīng)，控制其鹽基度至合格。該法具有反應(yīng)速度快，投資設(shè)備少，工藝簡單，操作方便等特點，產(chǎn)品鹽基度和氧化鋁含量較高，因而該法在國內(nèi)被普遍用。但此工藝對設(shè)備腐蝕較嚴(yán)重，生產(chǎn)出的產(chǎn)品雜質(zhì)較多，特別是重金屬含量容易超標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。利用電解鋁粉、分析純鹽酸為原料，在實驗室制備出了超純的PAC，據(jù)稱可用于實驗室制備PAC標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2）中和法

該法是先用鹽酸和氫氧化鈉與鋁灰反應(yīng)，分別制得氯化鋁和鋁酸鈉，再把兩種溶液混合中和，即制得PAC液體。用此方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品不溶物雜質(zhì)較少，但成本較高。先用鹽酸與鋁箔反應(yīng)，再把得到的氯化鋁分為兩部分，一部分用氨水調(diào)節(jié)pH值至6～6.5，得到氫氧化鋁后，再把另一部分氯化鋁加入到氫氧化鋁中使其反應(yīng)，得到PAC液體產(chǎn)品，干燥后得到固體產(chǎn)品，據(jù)稱產(chǎn)品的鋁含量和鹽基度等指標(biāo)都很高。

3）原電池法

該工藝是鋁灰酸溶一步法的改進(jìn)工藝，根據(jù)電化學(xué)原理，金屬鋁與鹽酸反應(yīng)可組成原電池，在圓桶形反應(yīng)室的底部置入用銅或不銹鋼等制成的金屬篩網(wǎng)作為陰極，倒入的鋁屑作為陽極，加入鹽酸進(jìn)行反應(yīng)，最終制得PAC。該工藝可利用反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡上浮作用使溶液定向運動，取代機械攪拌，大大節(jié)約能耗。

2. 以氫氧化鋁為原料

將氫氧化鋁與鹽酸和水按一定比例，在合適的溫度和壓強下反應(yīng)，熟化后制得PAC產(chǎn)品。該法生產(chǎn)工藝簡單，在上世紀(jì)80年代是國內(nèi)外普遍采用的一種工藝。由于氫氧化鋁酸溶性較差，故酸溶過程需加溫加壓。但此法生產(chǎn)出的產(chǎn)品鹽基度不高，通常在30%～50%范圍內(nèi)，國內(nèi)已有很多提高鹽基度的研究，如投加鋁屑、鋁酸鈉、碳酸鈣、氫氧化鋁凝膠和石灰等，此法生產(chǎn)出的產(chǎn)品雜質(zhì)較少，但以氫氧化鋁為原料生產(chǎn)成本較高，制得的產(chǎn)品多用于飲用水。采用氫氧化鋁酸溶法，以純鋁板為除鐵劑，制備出了高純PAC。