聚合氯化鋁在水處理中的機理及應用研究

黎寶林

摘 要：目前，傳統無機凝聚劑正逐漸被無機高分子絮凝劑所取代，聚鋁是由一系列的多鋁多輕基絡合物所組成，它們的結構特征決定了它們的絮凝性能。系統闡述了聚合氯化鋁（PAC）的基本性質、絮凝形態、混凝機理及應用。

關鍵詞：聚合氯化鋁；混凝劑；水處理；

Mechanism and Application of PAC to Wastewater Treatment

Li Baolin

（Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province，Guangzhou 510010）

Abstract： The traditional inorganic coagulant is replaced by inorganic polymer flocculant gradually. Poly aluminum is a series of multi-aluminum complex. Their structural features determine their flocculation performance. This paper describes the basic properties， flocculation morphology， coagulation mechanism and application of polymeric aluminum chloride （PAC）.

Key words： polyaluminium Chloride， Coagulant， Wastewater Treatment

污水廢水處理工藝中，混凝過程（混合、凝聚、絮凝）是常規給水處理和污水處理的重要環節，它決定著后續流程的運行工況、最終出水質量和處理成本，因而成為環境工程中重要的研究開發領域。聚合氯化鋁的固體產品具有吸附活性強、沉淀快、適應pH值范圍高、水溫適用性好等優勢，其凈水效果是Al2（SO4）3的4～5倍[1]，是目前國內應用較廣的高效水處理劑之一。

1. 聚合氯化鋁的基本性質

聚合氯化鋁（polyaluminium Chloride，PAC）是一種具有代表性的無機高分子絮凝劑。[2]它可以通過多種方法進行制備，常用方法為鋁酸鈣鹽酸酸溶一步法和鋁礬土與鋁酸鈣結合酸溶2步法，但這種方法制備成本很低，產品中重金屬離子偏高，產品可用于工業廢水處理。聚合氯化鋁一般表示為[A12（OH）nCl6-n]m，其中n可取1～5中間的任何整數，m則為<10的整數。根據新國家標準的修訂結果和無機鹽命名規則，國家標準將PAC命名為聚合氯化鋁，并采用通式Aln（OH）mCl3n-m表示，是一類聚氯化鋁聚合物的總稱。

2. 聚合氯化鋁的最佳絮凝形態

現廣泛采用表征聚合氯化鋁中聚合物種類的方法主要有Ferron比色法和AINMR核磁共振法。[3]

Ferron試劑與Al（Ⅲ）中的單體及不同聚合物有不同的反應速率，從而采用Ferron逐時絡合分光光度法能把它們分為3類，Ala包括單體及初聚物（All一3），Alb包括低聚物（如A16一8）和中聚物（Al13），Alc包括高聚物（Al>13）和溶膠態。

利用Ferron法測定的Alb或與核磁共振法測定的中聚物（Al13）數量相同。目前對于中聚物（Al13）和高聚物（Al>13）在混凝過程中發揮的作用較有爭議。這在聚合氯化鋁的宏觀性質上反應在鹽基度對混凝效果的影響，實際應用中聚合氯化鋁中氧化鋁和鹽基度是同樣重要的指標。

3. 聚合氯化鋁的混凝機理

PAC對水中膠體顆粒或膠體污染物的混凝是Al3+鹽水解—聚合產物對其進行電性中和、脫穩和吸附架橋作用生成粗顆粒絮凝體而去除的。為了說明Al3+鹽水解—聚合產物的作用條件，一些學者研究[4-6]并給出了各種混凝區域圖，例如表明藥劑投加量C和顆粒物表面積濃度的C-S圖，C和pH關系的LgC-pH圖以及LgC-LgS-pH圖等，還利用表面化學和電化學中雙電層概念，通過有效擴散層電荷密度、電位和有效碰撞系數的計算得到了絮凝效率n/n0，n0和n分別為混凝前后顆粒物的濃度。

Al3+鹽水解—聚合產物是由一些不同聚合度的聚合陽離子所組成。他不僅可處理生活用水，也可處理工業廢水和去除一些有害陰、陽離子。它們在水處理技術領域中的作用可概括為：（1）對水中膠體顆粒污染物進行電性中和脫穩的凝聚作用；（2）對已凝聚的次生粗大顆粒進行吸附架橋的絮凝作用；（3）除去水中有害離子的吸附和絡合作用。絮凝作用更多地決定于Al3+鹽水解—聚合產物中多聚體的表面結構特征。多聚體表面上極性活性部位應該和被凝聚的次生粗大顆粒表面上活性部分進行較強烈的相互作用，即只有二者的表面結構相適應，絮凝過程才能自動向體系能量減小的方向進行。

4. PAC在水處理的應用

4.1 造紙廢水的處理

采用PAC混凝沉淀處理造紙中段水，隨著鹽基度的增加，COD和SS的去除率增加。但是鹽基度>75%后，去除率轉而下降。溫度25℃下，投加鹽基度為75%的PAC 0.6g·L-1，能使出水達到國家排放標準。原水質為pH =8.0，COD=1.3g/L，SS=0.666g/L，聚合氯化鋁鹽基度對處理效果的影響如下表所示。

4.2 洗滌廢水處理中的應用

洗滌廢水中含有大量表面活性劑。在洗滌廢水中投加PAC，將產生大量帶有正電荷的陽離子及羥基橋聯形成的多核高電荷配合離子，它們對懸浮膠粒表面的電荷有很強的吸附電中和能力和壓縮雙電層能力，致使膠體粒子脫穩，最后形成的高聚合氫氧化物把污染物吸附沉淀網捕分離出水體。

4.3 機械加工廢水處理中的應用

機械加工過程中普遍使用乳化液作為冷卻、潤滑、清洗和防銹劑來提高產品的質量。采用靜態混凝處理乳化廢液，投加2g·L-1的PAC，2mL·L-1的PAM（8% ），最佳pH值范圍6.5～7.5，混凝時間6min，靜態分離時間60min，出水清澈透明，油含量小于10mg·L-1，COD約800mg·L-1。若再經煤渣灰吸附處理，出水油含量小于3mg/L，COD<300mg·L-1。

5.小結

（1） PAC對水中膠體顆粒或膠體污染物的混凝是Al3+鹽水解—聚合產物對其進行電性中和、脫穩和吸附架橋作用生成粗顆粒絮凝體而去除的。

（2）實踐證明在水處理中使用PAC替代傳統的鐵鋁鹽混凝劑，可明顯提高水處理凈化效能，降低處理成本，改善出水水質。

（3）進一步對聚合氯化鋁進行改良，開發新型混凝劑，如PAC-高分子復配體、PAC-陽離子配合體等，提高其水處理能力。

參考文獻：

[1] 陳志強，程相春.聚合氯化鋁的生產及應用[J]化學工程師，1002-1124（2008）05-0046-02.

[2] 李玉芳. 聚合氯化鋁的生產技術及應用進展[J].化工文摘，2009，2：25-26

[3] 吳國榮，王敏.鋁鹽混凝劑的特性及其在水處理中的應用[J]江西科學，1001_3679（2003）01_0067_04.

[4] 張如意，陽紅，高彩玲.高分子鋁鹽絮凝劑的應用[J].工業水處理，2000，20（4）：14-17.

[5] 初永寶，高寶玉等.聚合氯化鋁中Al13形態水解穩定性的研究[J].環境科學與技術，2007，30（12）：8-10.

[6] 徐祖信，陳漩，李霞.聚合氯化鋁及其在工業廢水處理中的應用與展望[J].上海環境科學，2003，22（5）.