聚氯化铝盐基度与混凝效果的关系

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摘　要：采用混凝沉淀的试验方法研究了聚氯化铝盐基度与混凝效果的关系，结果表明，在盐基度为0～92%范围内，混凝效果随盐基度的增加而提高，但盐基度在80%以上时变幅趋缓。与国内、外标准和产品比较，盐基度上限有较大拓宽。
( `, u' B! J9 O* a8 a) |, b　　关键词：聚氯化铝；聚合氯化铝；盐基度
　　中图分类号：TU991.22文献标识码：C
. A0 ^, d: I& S: G　　文章编号：1000-4602(2001)08-0071-03
$ M# U! x& l' V　　聚氯化铝(PAC)与传统无机聚合氯化铝的根本区别在于传统无机聚合氯化铝为低分子结晶盐，而聚氯化铝的结构由形态多变的多元羟基络合物及聚合物组成，为无定形的无机高分子，因而聚氯化铝表现出许多不同于传统聚合氯化铝的特异混凝功能。引起聚氯化铝形态多变的基本成分是OH离子，衡量聚氯化铝中OH离子的指标叫盐基度(Basicity，缩写为B)，通常将盐基度定义为聚氯化铝分子中OH与Al的当量百分比［1、2］：B=［OH］/［Al］×100(%),反冲洗滤帽。聚氯化铝可理解为介于正盐AlCl3和碱Al(OH)3之间的水解产物。一般，聚氯化铝盐基度在16.7%～83.3%范围，日本标准的盐基度为45%～65%。
- q( t# F4 E6 j8 R2 s& X　　除OH、Al当量比盐基度外，尚有OH、Al摩尔比盐基度，但应用不普遍。汤鸿霄首次在国内外提出了以形成函数F代替盐基度B作为基本特征参数［3］，定名为水解度B*，并认为水解度B*这一概念可以精确表达聚氯化铝结构组成，并能反映整个水解动态过程。
　　根据作者的工作实践，OH、Al当量比盐基度的概念在生产投料和生产应用中均有较好的指导作用，分析和计算较简捷，具有较好的实用价值。中国聚氯化铝生产所采用的原料和工艺不同于世界上其他国家，因而作为主要质量指标的盐基度与国外有着较大的差异。
　　1973年国家建委为聚氯化铝(碱式氯化铝)暂定质量指标［4］，将盐基度确定为50%～80%，首次拓宽了日本标准值(45%～65%)的范围；1981年由作者起草的四川省标准(川Q 246—81)将盐基度确定为45%～85%［4］；国标GB 15892—1995在此基础上将盐基度确定为50%～85%。国内、外聚氯化铝产品标准盐基度指标见表1。

表1　国内外聚氯化铝产品标准盐基度指标 国家 标准 氧化铝(%) 盐基度(%)
中国 GB15892—1995 9～12 50～90
日本 JIS K1475—1996 10～11 45～65
美国 AWWAB408—93 5～25 10～83
( g* Q. O; U/ U- l( j# V) W0 p法国 罗纳·布朗克公司 8.3±1 45～60
% _' o" a$ H6 n: a" A* g7 K德国 DIN19634 28.3 ≥35
中国 作者推荐 10～15 45～95
注：表中所列除德国为固体产品标准外，其余皆为液体产品标准。
. v, `* R( y3 V# R4 z1 {. R/ b% p
1 a4 ^( i' S3 u- w  v" u) o　　20世纪80年代后期，中国独创的铝酸钙原料和相应的调整法生产工艺，使聚氯化铝工艺有较大简化，生产投资和成本有较大降低，产品盐基度达到90%以上，高于文献介绍的国外同期水平(最高83%)，将聚氯化铝生产实践和基础理论提高到一个新的高度。因此，如何提高聚氯化铝的盐基度，是目前国内外科技工作者的一个科研方向。
9 g! z$ q6 O+ `- C8 n4 H8 y+ o
6 X; R/ S; I, `: V8 Q; O; ]1　试验部分
. f$ R% F, V& X* h$ k% q6 o
' r/ q# C0 I. z1 M1.1　试验用聚氯化铝
, j; o; f$ o) F9 H5 m# b　　液体聚氯化铝，按盐基度计算，在工业搪瓷反应釜内用酸溶铝酸钙调整工艺制得系列产品；固体聚氯化铝取自江苏宜兴、太仓和河南三门峡等生产厂和国外产品。
' V7 s0 z' N; f- N5 b: H1.2　试验仪器
　　混凝试验，采用深圳中润公司ZR4—6智能全自动混凝试验搅拌机；浊度测定，采用美国HACH公司2100P型浊度仪；pH测定，采用美国ORILON公司520型pH计。
3 l9 p/ [0 i5 V& {* y7 u1.3　试验条件
& R. I7 l2 v$ E+ |　　混合G值为500～1 000s-1，时间为40 s；絮凝G值为10～100s-1，时间为10 min，GT值为(2～3)×104，沉淀时间为10 min。

2　结果与讨论

2.1　不同盐基度液体聚氯化铝混凝效果
+ X8 B6 n( p, T6 o7 \　　①相同投加量
　　不同盐基度液体聚氯化铝的混凝效果见表2。

表2　不同盐基度液体聚氯化铝的混凝效果 原水 加药量以Al2O3计(mg/L) 盐基度(%)
水系 浊度(NTU) pH 碱度(mg/L) 水温(℃) 0 45 50 60 65 75 80 85 88 92
净化水剩余浊度(NTU)
5 L( m% A, d/ t深圳水库 8.4 7.4 31.6 24 1.4 　 3.90 　 　 3.75 3.13 2.43 　 2.25 　
深圳沙河 98.5 7.8 150.7 23 4.0 21.7 16.4 14 　 10.8 6.9 　 2.6 2.1 1.9
深圳沙河 98.5 7.8 150.7 23 3.0 37.4 30.6 29 25 　 17.6 11.0 6.8 5.8 5.9
+ J+ [3 {+ x0 o) ]! w! p深圳水库 2.6 7.5 32.0 23 1.6 2.0 1.7 　 　 1.6 1.6 　 1.1 0.9 　
+ F7 j2 u2 U" z, N0 [4 J3 ?岳阳洞庭湖 61 7.3 83.9 14 2.0 　 4.3 　 　 3.3 　 2.7 　 2.3 2.4
武汉汉水 84.7 7.8 120 11 1.2 　 10.1 　 　 8.33 7.90 5.02 　 4.12 4.1
武汉长江 417 8.0 120 11 1.4 　 9.44 　 　 7.13 5.88 3.95 　 2.80 2.1
武汉长江 417 8.0 120 11 1.8 　 5.35 　 　 4.75 3.71 1.91 　 1.65 1.6
& A' k' R. q1 L& t+ @' g8 v. [上海长江 33 7.8 100 11 2.0 13.5 7.0 6.8 6.5 5.6 　 　 3.4 3.3 3.4
& p* x5 j4 S! m上海黄浦江 66.5 7.7 95.0 11 2.0 　 　 　 　 　 6.0 　 　 2.8 　
2 i* M# ~( q( `' K9 I# h苏州大运河 25.1 7.4 　 8 2.5 　 　 　 　 　 　 　 4.1 　 2.8
1 Y" l6 @$ b) m6 [曼谷湄南河 13.1 6.8 　 28 2.5 　 　 　 　 4.22 　 3.88 3.2 2.16 2.2
深圳铁岗 10.5 6.8 37.4 15 2.5 　 　 　 　 5.69 　 3.43 　 3.02 　
4 q+ C/ g) e) y4 v+ T4 E- ?新乡黄河 6.6 7.8 195.2 10 3.0 　 5.02 　 5.0 　 4.72 2.69 　 1.19 0.9

　　表2表明，对所有试验原水，在相同加药量(以Al2O3计)下，净化水剩余浊度随盐基度增大而降低。
; U4 q9 R  o: G4 [1 d　　图1为盐基度与净化水剩余浊度关系曲线。

, s" h0 w9 n  Y- ~: {- |　　从图1中可见，净化水剩余浊度随盐基度增大而降低，在盐基度为0～80%区间，降幅较大；在80%～92%区间，降幅趋缓，盐基度为88%与92%时的剩余浊度基本接近。
- Y7 X# M, G& g% z3 q　　②不同投加量
　　不同盐基度液体聚氯化铝、不同投加量的混凝效果比较见表3。
　　由表3可见，不同盐基度的液体聚氯化铝，在不同投加量下的剩余浊度变化规律与相同投加量下基本一致。
0 W0 q6 \9 V+ k. Z5 X* S# }* X
3 G( a7 Y9 E" ^7 w5 B8 C' `! e& }表3　不同盐基度PAC、不同投加量的混凝效果 盐基度(%) 加药量以Al2O3计(mg/L) 5 NTU剩余浊度时
% x/ y- z2 j7 W: r  S1.5 2 2.5 3 3.5 加药量(mg/L) 加量比(%)
净化水剩余浊度(NTU)
5 k$ I* l* ~' ]45 　 21.9 11.5 6.8 4.0 3.32 106.0
) c9 |5 m2 B9 O- ~65 　 19.7 11.3 5.7 3.0 3.13 100.0
' k# `! ^* u; D85 　 4.5 2.3 1.5 1.4 1.89 60.4
3 S$ R9 Z7 e1 ^& ~  O88 17.3 4.4 2.1 1.4 1.0 1.87 59.7
5 p5 Z. W" g2 k3 d  w92 13.5 4.2 2.0 1.3 　 1.82 58.1
' }3 g/ ~: C- Z2 @. B# Y" V注：原水为深圳沙河水，浊度为37.4 NTU，水温为15 ℃，碱度为148 mg/L，pH值为7.8。

　　用不同盐基度聚氯化铝，将原水剩余浊度均处理到5 NTU时的加药量，称为等效加药量。表3表明，以盐基度65%的等效加药量为100%作参比，B=45%的加量比为106%，B=92%的加量比为58.1%,即B=92%加药量比B=45%降低47.9%。
2.2　不同盐基度固体聚氯化铝混凝效果
9 Y# t: G9 v; w& e　　不同盐基度固体聚氯化铝混凝效果比较试验表明，不同盐基度固体聚氯化铝在B为64%～90.6%区间、加药量为3.5 mg/L时，净化水剩余浊度随盐基度升高而降低；但加药量＜3 mg/L时则略有上升趋势。盐基度为94.1%与90.6%相比较，前者的剩余浊度全面上升，但仍与盐基度为77.6%的相近。
2.3　国内外不同产品的成分与混凝效果
　　试验用的国内外不同生产工艺、不同盐基度的固、液体聚氯化铝产品成分见表4。
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表4　试验用国内外聚氯化铝产品成分 药剂来源 氧化铝(%) 盐基度(%) 硫酸根 外观
日本 11.76 54.3 有 无色透明液
加拿大 28.55 45.1 有 淡黄粉末
瑞典 28.10 73.0 无 淡黄粉末
中国巩义 29 83.1 有 红褐色粉末
中国太仓 28 0.6 无 黄色片状
% G) o8 K" g" {5 a. ]
　　混凝效果比较见表5。
& e$ ]! o" y/ i: d' ?. r' v
1 r+ ]" Q  R4 h  ]6 e1 H  R表5　国内外聚氯化铝产品的混凝效果 药剂 盐基度(%) 加药量以Al2O3计(mg/L)
# t$ b5 x+ B' q% y6 q* o/ Q7 m& Q1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
净化水剩余浊度(NTU)
5 D" H8 b7 Q3 c) e* h中国巩义(固体) 83.1 　 2.64 2.55 2.46 2.20 1.94 　
% f& `$ F. u# ]* `日本(液体) 54.3 6.22 5.19 4.58 4.20 4.17 　 　
+ F( j! w& F4 d( c$ ^# I加拿大(固) 45.1 　 5.72 4.57 3.42 3.25 3.08 　
注：原水为曼谷湄南河，浊度为13.1 NTU，水温为28 ℃，pH为6.8。
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　　无论是固体还是液体聚氯化铝，在同等加药量情况下，中国产品的混凝效果优于国外产品。
2 s, t9 p) C0 |" ?# p. P　　一般而言，按同一生产工艺，聚氯化铝产品盐基度越高，原材料单耗和成本越低；在斜管填料中的同等投加量情况下，消耗水中碱度也越少。采用适当的工艺技术，液体聚氯化铝的稳定期可以达到1年以上，不低于传统工艺产品。液体产品在不同干燥过程中，盐基度提高2%～4%左右。
　　当盐基度提高到85%以上时，要求有精确的投料计算和工艺控制，固液分离难度也加大，因而要采用先进的技术。
; f2 k( ^/ g. D% L! w
4 H3 U8 F" R) w5 H( t6 f. S3　结论
: @5 F: F, S4 ~- ^2 k7 B5 n
　　①盐基度是聚氯化铝产品的最重要质量指标之一，也是最重要的生产控制参数。
　　②OH、Al当量比盐基度与混凝效果和生产控制条件有较好的相关性，因此，盐基度概念仍然具有实用价值。
! c2 D* Z$ `2 z2 a* K. t　　③液体聚氯化铝的盐基度指标，考虑到生产控制可行性、生产成本和混凝效果，建议标准取值为45%～90%。
7 }4 G8 r* j; {; a$ T. j　　④固体聚氯化铝的盐基度指标，在液体的盐基度取值基础上，考虑干燥时盐基度的升高，建议标准取值为45%～95%。
　　⑤提高聚氯化铝产品的盐基度，可大幅提高生产和使用的经济效益。盐基度从65%提高到92%，生产原料成本可降低20%，使用成本可降低40%。

参考文献：

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　　［3］汤鸿霄.无机高分子聚合氯化铝的基础研究［J］.环境化学，1990,9(3):1-12.