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聚合氯化铝的制备及其在废水处理中的应用

来源:北京北科 时间:2010-05-04 点击次数:

聚合氯化铝(PAC) 的工业化生产是在深入研究铝盐混凝剂的水解和混凝机理基础上发展起来的,目前已找到了利用廉价原料的成熟生产工艺路线。聚合氯化铝的生产与使用已有近百年历史,其作为无机高分子代表药剂,仍得到广泛使用。

混凝沉淀处理是目前市政、工业和民用用水及废水处理中应用最广的处理方法之一。对于粒径为1 nm~1μm 的杂质形成的稳定分散体系,采用一般的固液分离手段是无法去除的,只有采取特定方法使其粒径增大到数百微米甚至数毫米,再用普通的沉淀、过滤等手段加以去除。在这种处理中就要用到混凝剂。混凝是一种复杂的物理、化学过程,它为一系列交替进行的水解、聚合过程所支配,在相应的pH 值条件下,产物不是单一的形态,而是各种形态的混合平衡。因此,聚合氯化铝要起到这种作用,就需具备一定的化学空间结构、活性、足够长的聚合物链节和适当电荷,在投入到胶体溶液中后,能强烈地吸附于胶体表面,产生架桥、连接,使分子间的距离超过颗粒排斥的距离,使胶体脱稳、凝聚,生成粗大的絮凝体沉降下来。

从分子结构上看,聚合氯化铝可认为是AlCl3到Al (OH) 3 (固) 之间的一系列亚稳态物,一般是三铝到十三铝的羟基络合物,可以简单理解为是AlCl3水解后结合了若干OH- 和H2O 的带电荷的一系列混合物。由于聚合氯化铝是一系列亚稳态物,环境条件稍有变化,就会出现脱稳现象(即絮凝) 。优良的聚合氯化铝水处理剂须具备适宜的储存性和脱稳性,其絮凝性能取决于其结构。目前,对其水解聚合形态尚不十分清楚,有两种观点存在: (1) 较早的线性聚合物点。随碱化度的增加,聚合程度加深,AlCl3 溶液中水合三价铝离子Al (H2O) 63 + 八面体通过羟桥聚合成线型多聚体。(2) 体型聚合物观点。聚合氯化铝溶液中至少存在4 种阳离子:单体、二聚体、体型十三聚体、结构未定的三维团粒。体型十三聚体{代表式[AlO4Al12 (OH) 24 (H2O) 12 ]7 + }是周围有12 个AlO6 、中心包围一个四配位铝AlO4的“球型簇”状的络合离子,在水中是簇团的胶粒。用核磁共振测定发现,高效聚合氯化铝中通常有这种成分,准稳性好,脱稳趋势大,随盐基度增加单体铝含量急剧减少。

聚合氯化铝的形成大致可分为3 个阶段:单铝多羟基络合物间的氢键集合体;集合体中氢键羟基的桥联反应;桥联反应后多铝多羟基离子的立体构型。这3 个阶段均受pH 值制约,也受阴离子影响。氢键形成是关键阶段,它是导致聚合氯化铝形成的起点,控制氢键数和方向常能控制有效成分的形成,从而控制其絮凝性能。

聚合氯化铝(PAC)是一种高效净水剂,在工业上最大的用途是做水处理絮凝剂, 其具有混凝性能好、絮体大、用量少、效率高、沉淀快、适用范围广等优点,比传统的絮凝剂用量可减少1/3~1/2,成本可节省40%以上。

制备PAC 的方法很多, 按生产工艺可分为酸法、碱法、热解法、加压反应法、混凝胶法、电析法、电解法等。铝的水解聚合反应及各形态分布主要取决于加碱方式及溶液化学组成。在制备PAC 产品的生产过程中,如何控制好聚合条件,使产品既具有较高的聚合度而又不产生Al(OH)3沉淀,是目前普遍存在的关键问题。栾兆坤[5]在实验室用滴定加碱法制备PAC 试验的基础上提出了铝的碱化模型, 概括了制备PAC 过程中不同加碱方法对铝水解聚合反应的历程及其形态转化。彭跃莲,刘忠洲[6]采用膜法制备的PAC 采用Al-Ferron 逐时络合色法测得Alb 含量在75.6%以上的PAC。