聚氯化鋁鹽基度與混凝效果的關(guān)系
摘要：采用混凝沉淀的試驗(yàn)方法研究了聚氯化鋁鹽基度與混凝效果的關(guān)系，結(jié)果表明，在鹽基度為0～92%范圍內(nèi)，混凝效果隨鹽基度的增加而提高，但鹽基度在80%以上時(shí)變幅趨緩。與國(guó)內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品比較，鹽基度上限有較大拓寬。
關(guān)鍵詞：聚氯化鋁混凝劑鹽基度
聚氯化鋁與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)混凝劑的根本區(qū)別在于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)混凝劑為低分子結(jié)晶鹽，而聚氯化鋁的結(jié)構(gòu)由形態(tài)多變的多元羥基絡(luò)合物及聚合物組成，為無(wú)定形的無(wú)機(jī)高分子，因而聚氯化鋁表現(xiàn)出許多不同于傳統(tǒng)混凝劑的特異混凝功能。引起聚氯化鋁形態(tài)多變的基本成分是OH離子，衡量聚氯化鋁中OH離子的指標(biāo)叫鹽基度，通常將鹽基度定義為聚氯化鋁分子中OH與Al的當(dāng)量百分比［1、2］：B=［OH］/［Al］×100。聚氯化鋁可理解為介于正鹽AlCl3和堿Al3之間的水解產(chǎn)物。一般，聚氯化鋁鹽基度在16.7%～83.3%范圍，日本標(biāo)準(zhǔn)的鹽基度為45%～65%。
除OH、Al當(dāng)量比鹽基度外，尚有OH、Al摩爾比鹽基度，但應(yīng)用不普遍。湯鴻霄首次在國(guó)內(nèi)外提出了以形成函數(shù)F代替鹽基度B作為基本特征參數(shù)［3］，定名為水解度B，并認(rèn)為水解度B這一概念可以精確表達(dá)聚氯化鋁結(jié)構(gòu)組成，并能反映整個(gè)水解動(dòng)態(tài)過(guò)程。
根據(jù)作者的工作實(shí)踐，OH、Al當(dāng)量比鹽基度的概念在生產(chǎn)投料和生產(chǎn)應(yīng)用中均有較好的指導(dǎo)作用，分析和計(jì)算較簡(jiǎn)捷，具有較好的實(shí)用價(jià)值。中國(guó)聚氯化鋁生產(chǎn)所采用的原料和工藝不同于世界上其他國(guó)家，因而作為主要質(zhì)量指標(biāo)的鹽基度與國(guó)外有著較大的差異。
1973年國(guó)家建委為聚氯化鋁暫定質(zhì)量指標(biāo)［4］，將鹽基度確定為50%～80%，首次拓寬了日本標(biāo)準(zhǔn)值的范圍；1981年由作者起草的四川省標(biāo)準(zhǔn)將鹽基度確定為45%～85%［4］；國(guó)標(biāo)GB15892—1995在此基礎(chǔ)上將鹽基度確定為50%～85%。國(guó)內(nèi)、外聚氯化鋁產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)鹽基度指標(biāo)見表1。
除OH、Al當(dāng)量比鹽基度外，尚有OH、Al摩爾比鹽基度，但應(yīng)用不普遍。湯鴻霄首次在國(guó)內(nèi)外提出了以形成函數(shù)F代替鹽基度B作為基本特征參數(shù)［3］，定名為水解度B，并認(rèn)為水解度B這一概念可以精確表達(dá)聚氯化鋁結(jié)構(gòu)組成，并能反映整個(gè)水解動(dòng)態(tài)過(guò)程。
根據(jù)作者的工作實(shí)踐，OH、Al當(dāng)量比鹽基度的概念在生產(chǎn)投料和生產(chǎn)應(yīng)用中均有較好的指導(dǎo)作用，分析和計(jì)算較簡(jiǎn)捷，具有較好的實(shí)用價(jià)值。中國(guó)聚氯化鋁生產(chǎn)所采用的原料和工藝不同于世界上其他國(guó)家，因而作為主要質(zhì)量指標(biāo)的鹽基度與國(guó)外有著較大的差異。
1973年國(guó)家建委為聚氯化鋁暫定質(zhì)量指標(biāo)［4］，將鹽基度確定為50%～80%，首次拓寬了日本標(biāo)準(zhǔn)值的范圍；1981年由作者起草的四川省標(biāo)準(zhǔn)將鹽基度確定為45%～85%［4］；國(guó)標(biāo)GB15892—1995在此基礎(chǔ)上將鹽基度確定為50%～85%。國(guó)內(nèi)、外聚氯化鋁產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)鹽基度指標(biāo)見表1。
表1國(guó)內(nèi)外聚氯化鋁產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)鹽基度指標(biāo)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁鹽基度中國(guó)GB15892—19959～1250～85日本JISK1475—199610～1145～65美國(guó)AWWAB408—935～2510～83法國(guó)羅納·布朗克公司8.3±145～60德國(guó)DIN1963428.3≥35中國(guó)作者推薦10～1545～95注：表中所列除德國(guó)為固體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)外，其余皆為液體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)80年代后期，中國(guó)獨(dú)創(chuàng)的鋁酸鈣原料和相應(yīng)的調(diào)整法生產(chǎn)工藝，使聚氯化鋁工藝有較大簡(jiǎn)化，生產(chǎn)投資和成本有較大降低，產(chǎn)品鹽基度達(dá)到90%以上，高于文獻(xiàn)介紹的國(guó)外同期水平，將聚氯化鋁生產(chǎn)實(shí)踐和基礎(chǔ)理論提高到一個(gè)新的高度。因此，如何提高聚氯化鋁的鹽基度，是目前國(guó)內(nèi)外科技工作者的一個(gè)科研方向。
1試驗(yàn)部分
1.1試驗(yàn)用聚氯化鋁
液體聚氯化鋁，按鹽基度計(jì)算，在工業(yè)搪瓷反應(yīng)釜內(nèi)用酸溶鋁酸鈣調(diào)整工藝制得系列產(chǎn)品；固體聚氯化鋁取自江蘇宜興、太倉(cāng)和河南三門峽等生產(chǎn)廠和國(guó)外產(chǎn)品。
1.2試驗(yàn)儀器
混凝試驗(yàn)，采用深圳中潤(rùn)公司ZR4—6智能全自動(dòng)混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)；濁度測(cè)定，采用美國(guó)HACH公司2100P型濁度儀；pH測(cè)定，采用美國(guó)ORILON公司520型pH計(jì)。
1.3試驗(yàn)條件
混合G值為500～1000s-1，時(shí)間為40s；絮凝G值為10～100s-1，時(shí)間為10min，GT值為×104，沉淀時(shí)間為10min。
液體聚氯化鋁，按鹽基度計(jì)算，在工業(yè)搪瓷反應(yīng)釜內(nèi)用酸溶鋁酸鈣調(diào)整工藝制得系列產(chǎn)品；固體聚氯化鋁取自江蘇宜興、太倉(cāng)和河南三門峽等生產(chǎn)廠和國(guó)外產(chǎn)品。
1.2試驗(yàn)儀器
混凝試驗(yàn)，采用深圳中潤(rùn)公司ZR4—6智能全自動(dòng)混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)；濁度測(cè)定，采用美國(guó)HACH公司2100P型濁度儀；pH測(cè)定，采用美國(guó)ORILON公司520型pH計(jì)。
1.3試驗(yàn)條件
混合G值為500～1000s-1，時(shí)間為40s；絮凝G值為10～100s-1，時(shí)間為10min，GT值為×104，沉淀時(shí)間為10min。
2結(jié)果與討論
2.1不同鹽基度液體聚氯化鋁混凝效果
①相同投加量
不同鹽基度液體聚氯化鋁的混凝效果見表2。
①相同投加量
不同鹽基度液體聚氯化鋁的混凝效果見表2。
表2不同鹽基度液體聚氯化鋁的混凝效果原水加藥量以Al2O3計(jì)鹽基度水系濁度pH堿度水溫0455060657580858892凈化水剩余濁度深圳水庫(kù)8.47.431.6241.43.903.753.132.432.25深圳沙河98.57.8150.7234.021.716.41410.86.92.62.11.9深圳沙河98.57.8150.7233.037.430.6292517.611.06.85.85.9深圳水庫(kù)2.67.532.0231.62.01.71.61.61.10.9岳陽(yáng)洞庭湖617.383.9142.04.33.32.72.32.4武漢漢水84.77.8120111.210.18.337.905.024.124.1武漢長(zhǎng)江4178.0120111.49.447.135.883.952.802.1武漢長(zhǎng)江4178.0120111.85.354.753.711.911.651.6上海長(zhǎng)江337.8100112.013.57.06.86.55.63.43.33.4上海黃浦江66.57.795.0112.06.02.8蘇州大運(yùn)河25.17.482.54.12.8曼谷湄南河13.16.8282.54.223.883.22.162.2深圳鐵崗10.56.837.4152.55.693.433.02新鄉(xiāng)黃河6.67.8195.2103.05.025.04.722.691.190.9
表2表明，對(duì)所有試驗(yàn)原水，在相同加藥量下，凈化水剩余濁度隨鹽基度增大而降低。
圖1為鹽基度與凈化水剩余濁度關(guān)系曲線。
圖1為鹽基度與凈化水剩余濁度關(guān)系曲線。
從圖1中可見，凈化水剩余濁度隨鹽基度增大而降低，在鹽基度為0～80%區(qū)間，降幅較大；在80%～92%區(qū)間，降幅趨緩，鹽基度為88%與92%時(shí)的剩余濁度基本接近。
②不同投加量
不同鹽基度液體聚氯化鋁、不同投加量的混凝效果比較見表3。
由表3可見，不同鹽基度的液體聚氯化鋁，在不同投加量下的剩余濁度變化規(guī)律與相同投加量下基本一致。
②不同投加量
不同鹽基度液體聚氯化鋁、不同投加量的混凝效果比較見表3。
由表3可見，不同鹽基度的液體聚氯化鋁，在不同投加量下的剩余濁度變化規(guī)律與相同投加量下基本一致。
表3不同鹽基度PAC、不同投加量的混凝效果鹽基度加藥量以Al2O3計(jì)5NTU剩余濁度時(shí)1.522.533.5加藥量加量比凈化水剩余濁度4521.911.56.84.03.32106.06519.711.35.73.03.13100.0854.52.31.51.41.8960.48817.34.42.11.41.01.8759.79213.54.22.01.31.8258.1注：原水為深圳沙河水，濁度為37.4NTU，水溫為15℃，堿度為148mg/L，pH值為7.8。
用不同鹽基度聚氯化鋁，將原水剩余濁度均處理到5NTU時(shí)的加藥量，稱為等效加藥量。表3表明，以鹽基度65%的等效加藥量為100%作參比，B=45%的加量比為106%，B=92%的加量比為58.1%，即B=92%加藥量比B=45%降低47.9%。
2.2不同鹽基度固體聚氯化鋁混凝效果
不同鹽基度固體聚氯化鋁混凝效果比較試驗(yàn)表明，不同鹽基度固體聚氯化鋁在B為64%～90.6%區(qū)間、加藥量為3.5mg/L時(shí)，凈化水剩余濁度隨鹽基度升高而降低；但加藥量＜3mg/L時(shí)則略有上升趨勢(shì)。鹽基度為94.1%與90.6%相比較，前者的剩余濁度全面上升，但仍與鹽基度為77.6%的相近。
2.3國(guó)內(nèi)外不同產(chǎn)品的成分與混凝效果
試驗(yàn)用的國(guó)內(nèi)外不同生產(chǎn)工藝、不同鹽基度的固、液體聚氯化鋁產(chǎn)品成分見表4。
2.2不同鹽基度固體聚氯化鋁混凝效果
不同鹽基度固體聚氯化鋁混凝效果比較試驗(yàn)表明，不同鹽基度固體聚氯化鋁在B為64%～90.6%區(qū)間、加藥量為3.5mg/L時(shí)，凈化水剩余濁度隨鹽基度升高而降低；但加藥量＜3mg/L時(shí)則略有上升趨勢(shì)。鹽基度為94.1%與90.6%相比較，前者的剩余濁度全面上升，但仍與鹽基度為77.6%的相近。
2.3國(guó)內(nèi)外不同產(chǎn)品的成分與混凝效果
試驗(yàn)用的國(guó)內(nèi)外不同生產(chǎn)工藝、不同鹽基度的固、液體聚氯化鋁產(chǎn)品成分見表4。
表4試驗(yàn)用國(guó)內(nèi)外聚氯化鋁產(chǎn)品成分藥劑來(lái)源氧化鋁鹽基度硫酸根外觀日本11.7654.3有無(wú)色透明液加拿大28.5545.1有淡黃粉末瑞典28.1073.0無(wú)淡黃粉末中國(guó)新鄉(xiāng)11.3783.1有淡褐透明液中國(guó)太倉(cāng)34.190.6無(wú)黃色片狀
混凝效果比較見表5。
表5國(guó)內(nèi)外聚氯化鋁產(chǎn)品的混凝效果藥劑鹽基度加藥量以Al2O3計(jì)1.01.52.02.53.03.54.0凈化水剩余濁度中國(guó)新鄉(xiāng)83.12.642.552.462.201.94日本54.36.225.194.584.204.17加拿大45.15.724.573.423.253.08注：原水為曼谷湄南河，濁度為13.1NTU，水溫為28℃，pH為6.8。
無(wú)論是固體還是液體聚氯化鋁，在同等加藥量情況下，中國(guó)產(chǎn)品的混凝效果優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。
一般而言，按同一生產(chǎn)工藝，聚氯化鋁產(chǎn)品鹽基度越高，原材料單耗和成本越低；在水處理中的同等投加量情況下，消耗水中堿度也越少。采用適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)，液體聚氯化鋁的穩(wěn)定期可以達(dá)到1年以上，不低于傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品。液體產(chǎn)品在不同干燥過(guò)程中，鹽基度提高2%～4%左右。
當(dāng)鹽基度提高到85%以上時(shí)，要求有精確的投料計(jì)算和工藝控制，固液分離難度也加大，因而要采用先進(jìn)的技術(shù)。
一般而言，按同一生產(chǎn)工藝，聚氯化鋁產(chǎn)品鹽基度越高，原材料單耗和成本越低；在水處理中的同等投加量情況下，消耗水中堿度也越少。采用適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)，液體聚氯化鋁的穩(wěn)定期可以達(dá)到1年以上，不低于傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品。液體產(chǎn)品在不同干燥過(guò)程中，鹽基度提高2%～4%左右。
當(dāng)鹽基度提高到85%以上時(shí)，要求有精確的投料計(jì)算和工藝控制，固液分離難度也加大，因而要采用先進(jìn)的技術(shù)。
3結(jié)論
①鹽基度是聚氯化鋁產(chǎn)品的較重要質(zhì)量指標(biāo)之一，也是較重要的生產(chǎn)控制參數(shù)。
②OH、Al當(dāng)量比鹽基度與混凝效果和生產(chǎn)控制條件有較好的相關(guān)性，因此，鹽基度概念仍然具有實(shí)用價(jià)值。
③液體聚氯化鋁的鹽基度指標(biāo)，考慮到生產(chǎn)控制可行性、生產(chǎn)成本和混凝效果，建議標(biāo)準(zhǔn)取值為45%～90%。
④固體聚氯化鋁的鹽基度指標(biāo)，在液體的鹽基度取值基礎(chǔ)上，考慮干燥時(shí)鹽基度的升高，建議標(biāo)準(zhǔn)取值為45%～95%。
⑤提高聚氯化鋁產(chǎn)品的鹽基度，可大幅提高生產(chǎn)和使用的經(jīng)濟(jì)效益。鹽基度從65%提高到92%，生產(chǎn)原料成本可降低20%，使用成本可降低40%。
②OH、Al當(dāng)量比鹽基度與混凝效果和生產(chǎn)控制條件有較好的相關(guān)性，因此，鹽基度概念仍然具有實(shí)用價(jià)值。
③液體聚氯化鋁的鹽基度指標(biāo)，考慮到生產(chǎn)控制可行性、生產(chǎn)成本和混凝效果，建議標(biāo)準(zhǔn)取值為45%～90%。
④固體聚氯化鋁的鹽基度指標(biāo)，在液體的鹽基度取值基礎(chǔ)上，考慮干燥時(shí)鹽基度的升高，建議標(biāo)準(zhǔn)取值為45%～95%。
⑤提高聚氯化鋁產(chǎn)品的鹽基度，可大幅提高生產(chǎn)和使用的經(jīng)濟(jì)效益。鹽基度從65%提高到92%，生產(chǎn)原料成本可降低20%，使用成本可降低40%。