摘要：聚合氯化鋁是目前較廣泛使用的混凝劑，它具有用量少、污泥少、除濁高，對(duì)出水pH影響小等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)不同生產(chǎn)工藝取得的商品聚合氯化鋁和其它無機(jī)混凝劑的性能比較，并結(jié)合混凝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以鋁礬土和鋁酸鈣為原料生產(chǎn)的聚合氯化鋁對(duì)實(shí)驗(yàn)配置的混凝效果較好。

聚合氯化鋁（polyaluminum chloride，PAC）是一種無機(jī)高分子含不同量羥基的多核混凝劑，其通用分子式為[Al_m(OH)_n(H₂O)_x]Cl_3m-n（n≤3m），自20世紀(jì)90年代以來，因其效能優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于污水和廢水處理。我國廣泛采用含鋁礦石酸溶法、鋁酸鈣酸溶法、氫氧化鋁和鋁酸鈣兩步法等多種生產(chǎn)工藝，使聚合氯化鋁成為水處理中使用較廣泛的無機(jī)混凝劑。我國采用了特色的工藝路線和生產(chǎn)體系，2010年聚合氯化鋁的產(chǎn)量達(dá)到了300萬t，基本滿足了全國用水和廢水處理的發(fā)展需求，同時(shí)每年出口聚合氯化鋁數(shù)萬t。

聚合氯化鋁，一般是指Al³⁺到Al(OH)₃之間的一系列準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，即二鋁到氫氧化鋁之間的羥基絡(luò)合物，其中可能出現(xiàn)共享羥基絡(luò)合物或共享氧基配位的結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)鋁鹽溶液缺乏酸時(shí)，即形成堿式鹽的情況，可形成一種更為復(fù)雜的體系，即多種多核聚合體。聚合氯化鋁的生產(chǎn)就是控制鋁、OH^-、Cl^-的比例和水解、聚合條件，生產(chǎn)出一系列的電荷中和能力、吸附架橋性能符合特定要求的鋁鹽混凝劑。在PAC生產(chǎn)過程中，H₂O也參與了反應(yīng)，提供了OH^-。在穩(wěn)定熟化后，pH值會(huì)有微小的下降。

1、聚合氯化鋁的主要制備方法

聚合氯化鋁的制備方法有很多，不同的制備方法所生產(chǎn)的聚合氯化鋁在產(chǎn)品的性能指標(biāo)上也有所區(qū)別，目前應(yīng)用較多的有結(jié)晶氫氧化鋁為原料的生產(chǎn)方法、以含鋁礦石為原料焙燒的生產(chǎn)方法以及以鋁土礦、粘土礦為原料的制備方法等。

1.1 含鋁礦石生產(chǎn)法

我國生產(chǎn)PAC的天然礦石主要有高嶺土、鋁土礦、高鋁粘土等，其中鋁以低活性的α-Al₂O₃形式存在，它與鹽酸反應(yīng)活性很低，即使用高濃度的鹽酸溶解，鋁的溶出率也很低，需要經(jīng)過焙燒或加壓等方式使礦物脫水相變?yōu)榛钚韵鄬?duì)較強(qiáng)的γ-Al₂O₃，從而使氧化鋁活化，即易于和鹽酸反應(yīng)，使鋁溶出。含鋁礦石生產(chǎn)法的傳統(tǒng)制備工藝：在高溫條件下，將鋁礦、粘土礦等焙燒，使惰性的Al₂O₃水合物轉(zhuǎn)變成活性的γ-Al₂O₃，從而提高Al₂O₃在酸中的反應(yīng)率。

1.2 以鋁土礦原料的制造方法

目前國內(nèi)普遍采用鋁礬土與鋁酸鈣兩步法生產(chǎn)聚氯化鋁。山東、河南、江蘇等地的大型企業(yè)都是采用這種工藝。產(chǎn)品的鹽基度為60%-90%，氧化鋁含量為25%-31%。兩步酸溶法可以采用常壓溶出法，也可以采用加壓溶出法；前者溶解時(shí)間長(zhǎng)，溶出率低，但是可以大批量生產(chǎn)，例如一批生產(chǎn)50-100t；后者溶解時(shí)間短，溶出率高，但是一般采用10m³的反應(yīng)釜，產(chǎn)量不及前者。

本研究以濁度的去除率為指標(biāo)，分別對(duì)不同的生產(chǎn)工藝所制備的幾種聚合氯化鋁產(chǎn)品進(jìn)行混凝性能的比較分析，同時(shí)并分析了聚合氯化鋁不同投加量以及水質(zhì)pH值的變化因素，評(píng)價(jià)了各混凝劑的產(chǎn)品性能。

2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 儀器和試劑

儀器：ZR4型六聯(lián)電動(dòng)攪拌器，2100P型濁度儀，PHS-3CpH計(jì)等。

藥劑：本試驗(yàn)選取的幾種聚合氯化鋁（PAC）分別為河南生產(chǎn)高純PAC（以氫氧化鋁和鹽酸為原料，鹽基度50%，記為PAC_高純）、江陰生產(chǎn)PAC（以鋁灰和鹽酸為原料，鹽基度60%，記為PAC_鋁灰）、宜凈生產(chǎn)PAC（鋁釩土和鋁酸鈣兩部法生產(chǎn)工藝合成，記為PAC_鋁礬土）、上海生產(chǎn)PAC（增強(qiáng)聚合氯化鋁，原料為鋁礬土、鋁酸鈣兩部法生產(chǎn)工藝，添加少量聚合物增強(qiáng)劑，記為PAC_{增強(qiáng)}）、山東淄博PAC（原料為氫氧化鋁，記為PAC_氫氧化鋁），含高鐵的聚合氯化鋁PAC_SDD和PAC_CFⅡ。

各種混凝劑以稀釋為1%的溶液投加，投藥量以Al₂O₃計(jì)。

2.2 操作方法

在一組燒杯中加入1000mL水樣后置于六聯(lián)電動(dòng)攪拌器中。當(dāng)攪拌儀轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min時(shí)，同步加入混凝劑。根據(jù)不同的操作條件改變攪拌的轉(zhuǎn)速和反應(yīng)時(shí)間，充分反應(yīng)后靜置沉淀30min于液面下約2cm處取上清液測(cè)定其濁度、溫度、堿度，并觀察記錄絮體形成時(shí)間。

3、結(jié)果和討論

3.1 不同的聚合氯化鋁（PAC）去除濁度的效果

在原水中分別加入1%的聚合氯化鋁（PAC）20、40、60、80mg/L，在300r/min、50r/min情況下分別攪拌1min、10min，靜止沉淀30min后取出上清液進(jìn)行濁度分析。其中實(shí)驗(yàn)原水為景觀湖泊水，濁度為3.74NTU。

由圖1所示，各種聚合氯化鋁混凝劑的剩余濁度均隨著使用量的增加而下降，而以氫氧化鋁為原料制備的PAC_氫氧化鋁和PAC_高純的混凝效果要明顯低于其它各藥劑。以鋁礬土和鋁酸鈣為原料生產(chǎn)的宜豐生產(chǎn)PAC_鋁礬土、上海生產(chǎn)PAC_{增強(qiáng)}，當(dāng)各自投藥量為60mg/L時(shí)，剩余濁度＜0.75NTU，之后剩余濁度曲線逐漸平穩(wěn)。以鋁灰為原料制備的PAC_鋁灰的混凝效果介于上述幾種混凝劑之間。一般認(rèn)為，在一定pH和溫度下處理同一水體，在氧化鋁投加量保持一致的情況下，混凝效果主要與鹽基度有關(guān)，而且是隨著鹽基度的提高，混凝效果提高。可見相對(duì)而言以鋁礬土和鋁酸鈣為原料生產(chǎn)的聚合氯化鋁的鹽基度更高，對(duì)于配置水的混凝性能更好。另外對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言，若采用同一生產(chǎn)工藝，PAC產(chǎn)品的鹽基度越高，所需原材料的消耗越少，成本越低。因此提高聚合氯化鋁產(chǎn)品的鹽基度對(duì)降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品效果都很有利。

3.2 聚合氯化鋁（PAC）對(duì)于處理不同水質(zhì)低溫低濁水的效果比較

針對(duì)三種不同地區(qū)（Ng'ethu、Sasumu和Kabete）的原水，分別加入1%的含高鐵的聚合氯化鋁樣品（PAC_SDD、PAC_CFⅡ和硫酸鋁）10、12、14、18和20mg/L，在300r/min、50r/min情況下分別攪拌1min、10min，靜止沉淀30min后取出上清液進(jìn)行濁度分析。其中Ng'ethu、Sasumua和Kabete地區(qū)的原水濁度分別15.46NTU、17.21NTU和6.69NTU。混凝實(shí)驗(yàn)后的剩余濁度變化如下圖2至圖4所示，其余的參數(shù)如表1。

由圖2至圖4所示，含高鐵的混凝劑PAC_SDD和PAC_CFⅡ對(duì)三種地區(qū)的原水的較佳投藥量在16-18mg，混凝效果基本相當(dāng)，均優(yōu)于硫酸鋁，其中Ng'ethu地區(qū)原水的濁度去除率可達(dá)到97%以上。而PAC_SDD的絮體形成時(shí)間較快，PAC_CFⅡ次之，硫酸鋁的形成時(shí)間較長(zhǎng)。其原因是硫酸鋁的水解時(shí)間較長(zhǎng)，較之其他藥劑無法在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮混凝的作用。快速攪拌使混凝劑快速地均布于水中，有助于原水中膠體顆粒外部雙電層的有效壓縮，降低zeta電位，使顆粒脫穩(wěn)。慢速攪拌促使水中較大顆粒之間的碰撞和接觸，有利于絮體的成長(zhǎng)。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，含高鐵的聚合氯化鋁PAC_SDD反應(yīng)迅速、充分，具有良好的處理低溫低濁水的能力。

表1 投藥量和混凝實(shí)驗(yàn)后的其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4、結(jié)論

本研究分別比較了幾種以不同原料、工藝生產(chǎn)的聚合氯化鋁混凝劑，并針對(duì)幾種不同水質(zhì)的原水進(jìn)行混凝試驗(yàn)，對(duì)混凝劑的投藥量、絮體形成時(shí)間等因素的影響進(jìn)行了探討，取得如下結(jié)論：

（1）以鋁礬土，鋁酸鈣為原料生產(chǎn)的PAC產(chǎn)品顯示出比其它工藝生產(chǎn)的PAC產(chǎn)品更好的混凝性能。

（2）含高鐵的聚合氯化鋁PAC_SDD對(duì)低溫低濁水具有良好的混凝效果，絮體形成時(shí)間快，反應(yīng)后剩余濁度低。

（3）隨著混凝劑投加量增加，除濁效果提高，但如果投加量超過一定的含量，提高的幅度不明顯。因此，在混凝實(shí)驗(yàn)中，選擇合適的投加量是非常重要的。

（4）在中性條件，即pH范圍為6-8條件下，PAC的混凝效果較佳。