摘要：從理論上分析了用氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈉和鋁酸鈉提高聚合氯化鋁鹽基度的可行性，同時對各種方法的利弊進行了對比分析。對應(yīng)用鋁屑提高聚合氯化鋁鹽基度的方法進行了理論分析，不僅增加了聚合氯化鋁的有效成份含量，同時給出了各物料間的定量關(guān)系，完全可以指導(dǎo)生產(chǎn)。

1、簡介

無機高分子聚合氯化鋁與傳統(tǒng)鋁鹽和鐵鹽混凝劑相比，具有投藥量小、絮凝體形成速度快、顆粒密實、沉降速度快等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)用水、飲用水及污水處理方面，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

聚合氯化鋁可以看作是氯化鋁水解反應(yīng)的中間體，是由水合鋁離子在不同的pH值條件下，通過羥基和氧原子的架橋作用形成的具有一定聚合度的聚合鋁離子，其聚合度和分子量尚不能測定，通常以鹽基度或堿化度B（B為聚合鋁中羥基與3倍鋁離子的摩爾比值）衡量。一般來說聚合鋁的鹽基度應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以使絮凝效果達到較優(yōu)，又使工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。

隨B值不斷增加，聚合鋁中聚合鋁離子Al₁₃(OH)₃₂⁷⁺ 、Al₁₀(OH)₂₂³⁺的Al₁₃O₄(OH)₂₄⁷⁺等含量不斷增多。聚合鋁離子具有較強的架橋絮凝能力，尤其是處理低溫、低濁度水時效果很明顯；如果B值高于75%，則聚合鋁離子很容易發(fā)生水解形成不溶性氫氧化鋁沉淀，失出絮凝作用。因此生產(chǎn)中將聚合氯化鋁的鹽基度控制在45%-65%范圍內(nèi)比較合適。

根據(jù)不同的含鋁原料有不同的聚合氯化鋁生產(chǎn)工藝。主要有鋁礬土和煤矸石分步酸溶法、鋁灰酸溶法以及氫氧化鋁加壓酸溶法等。鋁灰酸溶法，一次酸溶就可制成鹽基度高于60%的產(chǎn)品，但由于工業(yè)鋁灰中雜質(zhì)太多，在飲用水處理中應(yīng)用受到限制。利用鋁礬土和煤殲石生產(chǎn)時，由于這些原料中Al₂O₃的溶出困難，即使加壓溶解，Al₂O₃的含量也不高，一次酸溶法聚合鋁鹽基度僅在20%-40%，很難達到40%以上。

2、調(diào)整鹽基度的方法

為了提高產(chǎn)品中聚合鋁離子的羥基含量或者說提高鹽基度，目前多采用氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰等進行調(diào)整，使低鹽基度產(chǎn)品酸性降低，加羥基橋聯(lián)提高鹽基度。例如可將聚合鋁的鹽基度由33%提高到50%，方程式如下：

Al₂(OH)₂Cl₄+NaOH→Al₂(OH)₃Cl₃+NaCl（1）

2Al₂(OH)₂Cl₄+Na₂CO₃+H₂O→2Al₂(OH)₃Cl₃+2NaCl+CO₂（2）

2Al₂(OH)₂Cl₄+Ca(OH)₂→Al₂(OH)₃Cl₃+CaCl₂（3）

上述三種物質(zhì)都可以用來提高鹽基度，聚合鋁與氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰水反應(yīng)的摩爾比分別為1：1，1：0.5，1：0.5，堿的化合價越高，分子量越小，提高相同值的鹽基度時所用的堿量就越小，另外生成的副產(chǎn)物氯化鈉或氯化鈣無法與聚合氯化鋁分離。它們不僅會降低聚合物中的有效成分，還會增加固體產(chǎn)品的吸濕性和后處理的難度。因此在調(diào)整鹽基度時要求加入的堿應(yīng)盡可能含較多的氫氧根，同時引入的副產(chǎn)物盡量少，保證不會引起聚合氯化鋁性能的變化。

鋁酸鈉是一種含鋁的弱堿，也可以用來調(diào)整聚合氯化鋁的鹽基度：

2.5Al₂(OH)₂Cl₄+NaAl(OH)₄→3Al₂(OH)₃Cl₃+NaCl（4）

由上述反應(yīng)可知，利用鋁酸鈉調(diào)整可將聚合氯化鋁的產(chǎn)量提高16.7%，而副產(chǎn)物氯化鈉的量僅是氫氧化鈉和碳酸鈉的40%。因此用鋁酸鈉調(diào)整鹽基度是比較理想的。

低鹽基度聚合氯化鋁溶液仍是一種酸性比較強的液體，它可以與鋁屑發(fā)生作用，生成氫氣和高鹽基度聚合氯化鋁，反應(yīng)方程式如下：

Al₂(OH)_nCl_5-n+2mAl+6mH₂O→A₂+2m(OH)_n+6mCl_5-n+3mH₂↑（5）

調(diào)整后的鹽基度為B

B=(n+6m)/3(2+2m)×100%（6）

利用鋁屑可以將鹽基度調(diào)整到75%，同時不會將任何副產(chǎn)物引入產(chǎn)品，既可以提高鹽基度，也可以增加氧化鋁含量。在采用此法時，需要妥善處理好氫氣的排放，以免引起爆炸。

3、物料計算與調(diào)整方法

設(shè)低鹽基度聚合氯化鋁的指標(biāo)為：Al₂O₃為18%，鹽基度B為40%，根據(jù)聚合氯化鋁的分子式Al₂(OH)_nCl_6-n可知：B=n/6×100%=40%，則n=2.4。因此分子式為Al₂(OH)_2.4Cl_3.6，根據(jù)鹽基度定義和方程式（5），在達到要調(diào)整的鹽基度B時，物料的定量反應(yīng)關(guān)系式按（6）式計算：

B=(n+6m)/3(2+2m)×100%

如果調(diào)整后鹽基度B=70%，則

B=(n+6m)/3(2+2m)×100%=70%

n=2.4，B=70%，解出m=1

因此，以鹽基度40%的聚合氯化鋁與鋁屑作用的反應(yīng)方程式為：

Al₂(OH)_2.4Cl_3.6+2Al+6H₂O→Al₄(OH)_8.4Cl_3.6+3H₂↑（7）

根據(jù)方程式（7）就可計算出調(diào)整定量聚合氯化鋁鹽基度所需鋁屑的量。如設(shè)1000g低鹽基度聚合氯化鋁中含氧化鋁含量和含鋁量分別為M1和M2。

M1(Al₂O₃)=10000×18%=180g

M2(Al)=180×(27×2)/(27×2+16×3)×1/27=3.53mol

按式（7）所需鋁屑的量M3為：

M3=3.53/2×27×2×1=95.31g

即95.31鋁屑與上述溶液反應(yīng)，就可以將鹽基度提高70%。同時，上述例題中若將鹽基度提高到60%時，解出m=0.5，需加鋁屑量M3為

M3=3.53/2×27×2×0.5=47.66g

另外利用方程式（7）還可以計算定量的聚合氯化鋁與定量鋁屑反應(yīng)后產(chǎn)物的鹽基度。1000g上述溶液與150g鋁屑反應(yīng)，根據(jù)方程式（8）可以計算B，上述溶液中含聚合氯化鋁的量為：

Al₂(OH)_2.4Cl_3.6+2mAl+6mH₂O→Al₂+2m(OH)_2.4+6mCl_3.6+3mH₂↑（8）

1000×18%×(2×27)/(2×27+3×16)/(2×27)=1.765mol

按方程式（8）反應(yīng)時：

m=150/(2×27×1.765)=1.574mol

B=(2.4+6×1.574)/3(2+2×1.574)×100%=76.7%

在調(diào)整鹽基度時對于定量的聚合氯化鋁，即可以計算達到所需鹽基度時投加鋁屑的量，也可以預(yù)測加定量鋁屑后終反應(yīng)產(chǎn)物的鹽基度。理論計算值與實際加鋁定值間誤差不超過1%，調(diào)整聚合鋁鹽基度時應(yīng)加適量的水，控制終產(chǎn)品中三氧化二鋁的濃度不要超過20%，濃度過大容易出現(xiàn)混濁沉淀。

4、結(jié)論

利用鋁屑法提高聚合氯化鋁的鹽基度具有操作簡單，容易控制，鋁屑利用率高、高鹽基度產(chǎn)品穩(wěn)定性高等特點，可以廣泛用于低鹽基度產(chǎn)品的性能提高。