水處理混凝劑PAC的生產(chǎn)技術(shù)與表征

馬 莉

(陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

水處理混凝劑PAC的生產(chǎn)技術(shù)與表征

馬 莉

(陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400)

聚合氯化鋁(poly-aluminum chloride，簡稱PAC)是目前市售水處理混凝劑中銷量最大的無機(jī)高分子產(chǎn)品，也是應(yīng)用范圍最廣的無機(jī)混凝劑。主要介紹了聚合氯化鋁的幾種工業(yè)生產(chǎn)工藝及重要指標(biāo)的表征技術(shù)，并分析了PAC的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

PAC；生產(chǎn)工藝；表征；氧化鋁；鹽基度

引 言

聚合氯化鋁是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種含有不同量羥基的高效混凝劑，廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)自來水、工業(yè)污水、工業(yè)循環(huán)水以及生活污水的凈化等。與傳統(tǒng)的無機(jī)低分子鋁鹽(如，硫酸鋁和氯化鋁等)絮凝劑相比，聚合氯化鋁由于含有更多的高電價電荷，因而具有更強(qiáng)的電中和能力和更強(qiáng)的吸附能力，所以在處理水過程中混凝效果表現(xiàn)得更加優(yōu)異[1]。聚合氯化鋁在處理水過程中具有對水的酸度影響小、用量少、處理成本低、受溫度影響小、污泥產(chǎn)量低、除濁度高等優(yōu)點(diǎn)，使得它已取代傳統(tǒng)混凝劑，成為目前，世界上應(yīng)用最廣、銷量最大的無機(jī)混凝劑和水處理劑[2]。目前，由于聚合氯化鋁易運(yùn)輸、易存儲，生產(chǎn)條件易于滿足，凈水效率高，且市場價格相比有機(jī)高分子絮凝劑較低，所以，全國約60%的水處理廠采用聚合氯化鋁進(jìn)行污水絮凝處理。

1 聚合氯化鋁的生產(chǎn)方法

PAC的工業(yè)生產(chǎn)方法有很多種，主要以堿化法和酸解法為主[3]。

1.1 氫氧化鋁一步法

該方法是氫氧化鋁與鹽酸按一定比例混合，在一定的溫度、時間、壓力條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成聚合氯化鋁的過程。具體工藝為：一定配比原料→反應(yīng)器→沉淀槽→上清液→成品。

這種酸溶法制備聚合氯化鋁的方法是國內(nèi)外普遍采用的一種生產(chǎn)方法[4]。該方法生產(chǎn)的PAC產(chǎn)品重金屬含量較低。但這種方法也存在弊端，它對反應(yīng)條件要求很高，而且產(chǎn)品鹽基度差。因?yàn)闅溲趸X的酸溶性差，在工業(yè)生產(chǎn)中需要高溫、高壓溶出鋁液，再經(jīng)過分離熟化制得PAC。這樣制得的產(chǎn)品鹽基度在40%左右。為了提高產(chǎn)品鹽基度，一般采用在產(chǎn)品中加入鋁屑和鋁酸鈉，這樣可以把鹽基度提高到70%以上。

1.2 煤矸石法

這種方法的原理是把煤矸石振碎，在700 ℃高溫下焙燒5 h，加19%的鹽酸反應(yīng)，生成氯化鋁溶液，濃縮結(jié)晶成AlCl3晶體，向其加入適量的水生成樹脂狀的固體PAC。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 煤矸石法制PAC工藝

這種工藝產(chǎn)出的產(chǎn)品有效成分(Al2O3)含量22%～24%，堿化度為70%～75%，不溶物含量低。該工藝反應(yīng)速度較快，設(shè)備投資少，工藝簡單且資源可再利用。不足之處是，該工藝與其他工藝相比成本較高，使其推廣受到一定的限制。

1.3 鋁礦酸溶兩步法

鋁礦酸溶兩步法是以水軟鋁石為原料，粉碎磨細(xì)后在沸騰爐中于650 ℃～800 ℃高溫下焙燒，使礦粉熟化，然后，將熟礦粉投入反應(yīng)罐中，高溫高壓下溶出鋁液?？刹捎蒙倭克岱侄稳艹觯僖凿X酸鈣提高鹽基度[5]。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 鋁礦酸溶兩步法制PAC工藝

這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品鹽基度在60%～90%，有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～31%。該方法生產(chǎn)時間短，溶出率高，是我國采用最為廣泛的方法。

1.4 酸溶鋁灰法

該法采用少量的鹽酸和鋁灰進(jìn)行加工。利用兩種原料進(jìn)行溶出反應(yīng)，被溶出的鋁在水解時，生成氫氧化鋁和酸，這部分酸可以補(bǔ)充酸量的不足，重復(fù)使用，如此便生成了聚合氯化鋁[6]。此法工藝流程簡單，設(shè)備少，成本低，無二次污染，但產(chǎn)品質(zhì)量差，有“三廢”產(chǎn)生，一般不選用此法[7]。

2 聚合氯化鋁的表征

工業(yè)生產(chǎn)聚合氯化鋁的指標(biāo)見表1，其中，較為重要的控制指標(biāo)是氧化鋁含量和鹽基度，本文重點(diǎn)闡述這兩項(xiàng)的檢測方法。

表1 工業(yè)生產(chǎn)聚合氯化鋁的各項(xiàng)指標(biāo)

2.1 氧化鋁含量的測定

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在定量的試樣中加入硝酸以及過量的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液，使其中的鋁離子完全絡(luò)合，然后，用鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過量的EDTA。

2.1.2 試劑和材料

硝酸溶液：1+12；

EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.05 mol/L；

鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.02 mol/L；

二甲酚橙指示液:1 g/L；

乙酸鈉溶液:272 g/L。

2.1.3 分析步驟

稱取約2.000 g試樣(固體精確至0.001 g)，加水溶解稀釋到250 mL。準(zhǔn)確移取20 mL配好的試驗(yàn)溶液于250 mL錐形瓶中。加2 mL硝酸，煮沸1 min,冷卻后用移液管加20 mL EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液。用乙酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH值約為3(用pH試紙檢驗(yàn))，煮沸約2 min。冷卻后，加約10 mL乙酸鈉溶液和2滴～5滴二甲酚橙指示液。用鋅的標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，溶液顏色從淡黃色變?yōu)槲⒓t色即為終點(diǎn)。

做空白對照實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行3次平行測定實(shí)驗(yàn)。

2.1.4 分析結(jié)果的表述

氧化鋁(Al2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1按式(1)計(jì)算:

(1)

式中：V0為空白實(shí)驗(yàn)所消耗鋅標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；V為實(shí)驗(yàn)溶液所消耗的鋅標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；c為鋅標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度，mol/L；m為試料質(zhì)量，g；X4為測定的鐵含量；0.051 0為與1.00 mL鋅的標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液c(Zn)=1.000 mol/L相當(dāng)?shù)囊钥吮硎镜难趸X(Al203)質(zhì)量；0.913為鐵換算成氧化鋁的系數(shù)。

2.1.5 允許差

取平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值為測定結(jié)果，平行測定結(jié)果的相對誤差值不大于0.3%。

2.2 鹽基度的測定

鹽基度是指聚合物中羥基在陰離子總數(shù)中所占的百分比。通常用OH/Al表示。我國規(guī)定聚合氯化鋁的鹽基度應(yīng)達(dá)到50%以上。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

向溶液中加入過量的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液來中和溶液中的OH-，再用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液反滴定過量的H+。2.2.2 試劑和材料

氟化鉀溶液：500 g/L；

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.5 mol/L；

氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.5 mol/L；

酚酞指示液:10 g/L。

2.2.3 分析步驟

稱取0.6 g試樣(固體，精確至0.001 g)于250 mL錐形瓶中，加入25 mL的水溶解，加入25 mL鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，用表面皿蓋好，水浴加熱10 min，冷卻至室溫后加入25 mL氯化鉀溶液、5滴酚酞指示液，立即用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液變?yōu)槲⒓t色即為終點(diǎn)。

做空白對照實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行3次平行測定試驗(yàn)。

2.2.4 分析結(jié)果的表述

以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的鹽基度X2按式(2)計(jì)算:

(2)

式中:V0為空白實(shí)驗(yàn)消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；V為試驗(yàn)溶液消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積,mL；c為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度，mol/L；m為試料質(zhì)量，g；X1為測定的氧化鋁含量，%；0.016 99為與1.00 mL氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液[c(NaOH)=1.000 mol/L]相當(dāng)?shù)难趸X(Al2O3)的質(zhì)量。

2.2.5 允許誤差

取平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值為測定結(jié)果，平行測定結(jié)果的相對誤差值不大于1%。

3 發(fā)展前景

現(xiàn)階段，我國的聚合氯化鋁生產(chǎn)工藝和檢驗(yàn)技術(shù)已比較成熟，但還有很多學(xué)者在不斷地進(jìn)行研究[8]。未來可行性課題有：從節(jié)能環(huán)保的角度對生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)；產(chǎn)品干燥技術(shù)研發(fā)；PAC產(chǎn)品與其他有機(jī)、無機(jī)高分子絮凝劑的混合使用；對新型絮凝劑的開發(fā)；PAC高效絮凝效果的研發(fā)[9]等。

[1] 湯鴻霄.無機(jī)高分子絮凝劑的幾點(diǎn)新認(rèn)識[J].工業(yè)水處理，1997，17(4)：1-4.

[2] 張令戈，李志東，李娜,等.無機(jī)高分子絮凝劑的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].電力環(huán)境保護(hù)，2008，24(2)：36-39.

[3] 鄭懷禮，陸蘭英，范偉,等.聚合氯化鋁的制備及在微污染水處理中的應(yīng)用[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2012，24(4)，626.

[4] 王銳剛，王亮梅.煤矸石制備聚合氯化鋁及其廢水處理研究[J].水處理技術(shù)，2013，39(3)，48-50.

[5] 吳錦華，方一莉，江燕斌,等.PAC混凝法去除煤化工廢水中難降解組分及其可生化性提高研究[J].環(huán)境工程，2017，35(2)，15-18.

[6] 賈志謙，何菲，劉忠洲.聚合氯化鋁形態(tài)分布、分析和控制研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2004，16(2)：149-154.

[7] Wang Yan, Zhang Feng, Chu Yongbao, et al. The dye or humic acidwater treatment and membrane fouling by polyaluminum chloridecomposited with sodium alginate in coagulation-ultrafiltrationprocess[J]. Water Science and Technology，2013，67 (10):2202-2209.

[8] 陳巍，劉艷飛，李文蘭.《工業(yè)水處理》質(zhì)量與學(xué)術(shù)影響力分析[J].工業(yè)水處理，2010，30(1)：13-15.

[9] 畢可軍，王瑞，閆杰棟，等.煤化工廢水除油技術(shù)探討[J].化肥設(shè)計(jì)，2015，53(6):5-8.

Production technology and characterization of coagulant PAC for water treatment

MA Li

(Yangquan Coal Industry Group Taiyuan New Chemical Materials Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030400, China)

Polyaluminum chloride (poly aluminum chloride, or PAC for short) is currently the largest inorganic polymer products commercially available in the sales of coagulant for water treatment, and is also the most widely used inorganic coagulant. Several industrial production processes and characterization technology of polyaluminium chloride are introduced, and the present situation and development trend of PAC are analyzed.

PAC; production process; characterization; alumina; basicity

2017-03-31

馬 莉，女，1988年出生，2013年畢業(yè)于廣西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)化學(xué)專業(yè)，碩士學(xué)位。研究方向：產(chǎn)品質(zhì)量檢測。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.04

X703.5

A

1004-7050(2017)04-0010-03

科研與開發(fā)