摘要：采用混凝沉淀的试验方法研究了聚氯化铝盐基度与混凝效果的关系，结果表明，在盐基度为0～92%范围内，混凝效果随盐基度的增加而提高，但盐基度在80%以上时变幅趋缓。与国内、外标准和产品比较，盐基度上限有较大拓宽。
关键词：聚氯化铝 混凝剂 盐基度
聚氯化铝(PAC)与传统无机的根本区别在于传统无机为低分子结晶盐，而聚氯化铝的结构由形态多变的多元羟基络合物及聚合物组成，为无定形的无机高分子，因而聚氯化铝表现出许多不同于传统的特异混凝功能。引起聚氯化铝形态多变的基本成分是OH离子，衡量聚氯化铝中OH离子的指标叫盐基度(Basicity，缩写为B)，通常将盐基度定义为聚氯化铝分子中OH与Al的当量百分比［1、2］：B=［OH］/［Al］×100(%)。聚氯化铝可理解为介于正盐AlCl3和碱Al(OH)3之间的水解产物。一般，聚氯化铝盐基度在16.7%～83.3%范围，日本标准的盐基度为45%～65%。
除OH、Al当量比盐基度外，尚有OH、Al摩尔比盐基度，但应用不普遍。汤鸿霄首次在国内外提出了以形成函数F代替盐基度B作为基本特征参数［3］，定名为水解度B*，并认为水解度B*这一概念可以精确表达聚氯化铝结构组成，并能反映整个水解动态过程。
根据作者的工作实践，OH、Al当量比盐基度的概念在生产投料和生产应用中均有较好的指导作用，分析和计算较简捷，具有较好的实用价值。中国聚氯化铝生产所采用的原料和工艺不同于世界上其他国家，因而作为主要质量指标的盐基度与国外有着较大的差异。
1973年国家建委为聚氯化铝(碱式氯化铝)暂定质量指标［4］，将盐基度确定为50%～80%，首次拓宽了日本标准值(45%～65%)的范围；1981年由作者起草的四川省标准(川Q 246—81)将盐基度确定为45%～85%［4］；国标GB 15892—1995在此基础上将盐基度确定为50%～85%。国内、外聚氯化铝产品标准盐基度指标见表1。
|
国家 |
标准 |
氧化铝(%) |
盐基度(%) |
|
中国 |
GB15892—1995 |
9～12 |
50～85 |
|
日本 |
JIS K1475—1996 |
10～11 |
45～65 |
|
美国 |
AWWAB408—93 |
5～25 |
10～83 |
|
法国 |
罗纳·布朗克公司 |
8.3±1 |
45～60 |
|
德国 |
DIN19634 |
28.3 |
≥35 |
|
中国 |
作者推荐 |
10～15 |
45～95 |
| 注：表中所列除德国为固体产品标准外，其余皆为液体产品标准。 | |||
20世纪80年代后期，中国独创的铝酸钙原料和相应的调整法生产工艺，使聚氯化铝工艺有较大简化，生产投资和成本有较大降低，产品盐基度达到90%以上，高于文献介绍的国外同期水平(最高83%)，将聚氯化铝生产实践和基础理论提高到一个新的高度。因此，如何提高聚氯化铝的盐基度，是目前国内外科技工作者的一个科研方向。
1 试验部分
1.1 试验用聚氯化铝
液体聚氯化铝，按盐基度计算，在工业搪瓷反应釜内用酸溶铝酸钙调整工艺制得系列产品；固体聚氯化铝取自江苏宜兴、太仓和河南三门峡等生产厂和国外产品。
1.2 试验仪器
混凝试验，采用深圳中润公司ZR4—6智能全自动混凝试验；浊度测定，采用美国HACH公司2100P型浊度仪；pH测定，采用美国ORILON公司520型pH计。
1.3 试验条件
混合G值为500～1 000s-1，时间为40 s；絮凝G值为10～100s-1，时间为10 min，GT值为(2～3)×104，沉淀时间为10 min。
2 结果与讨论
2.1 不同盐基度液体聚氯化铝混凝效果
①相同投加量
不同盐基度液体聚氯化铝的混凝效果见表2。
|
原水 |
加药量以Al2O3计(mg/L) |
盐基度(%) | |||||||||||||
|
水系 |
浊度(NTU) |
pH |
碱度(mg/L) |
水温(℃) |
0 |
45 |
50 |
60 |
65 |
75 |
80 |
85 |
88 |
92 | |
|
净化水剩余浊度(NTU) | |||||||||||||||
|
深圳水库 |
8.4 |
7.4 |
31.6 |
24 |
1.4 |
3.90 |
3.75 |
3.13 |
2.43 |
2.25 |
|||||
|
深圳沙河 |
98.5 |
7.8 |
150.7 |
23 |
4.0 |
21.7 |
16.4 |
14 |
10.8 |
6.9 |
2.6 |
2.1 |
1.9 | ||
|
深圳沙河 |
98.5 |
7.8 |
150.7 |
23 |
3.0 |
37.4 |
30.6 |
29 |
25 |
17.6 |
11.0 |
6.8 |
5.8 |
5.9 | |
|
深圳水库 |
2.6 |
7.5 |
32.0 |
23 |
1.6 |
2.0 |
1.7 |
1.6 |
1.6 |
1.1 |
0.9 |
||||
|
岳阳洞庭湖 |
61 |
7.3 |
83.9 |
14 |
2.0 |
4.3 |
3.3 |
2.7 |
2.3 |
2.4 | |||||
|
武汉汉水 |
84.7 |
7.8 |
120 |
11 |
1.2 |
10.1 |
8.33 |
7.90 |
5.02 |
4.12 |
4.1 | ||||
|
武汉长江 |
417 |
8.0 |
120 |
11 |
1.4 |
9.44 |
7.13 |
5.88 |
3.95 |
2.80 |
2.1 | ||||
|
武汉长江 |
417 |
8.0 |
120 |
11 |
1.8 |
5.35 |
4.75 |
3.71 |
1.91 |
1.65 |
1.6 | ||||
|
上海长江 |
33 |
7.8 |
100 |
11 |
2.0 |
13.5 |
7.0 |
6.8 |
6.5 |
5.6 |
3.4 |
3.3 |
3.4 | ||
|
上海黄浦江 |
66.5 |
7.7 |
95.0 |
11 |
2.0 |
6.0 |
2.8 |
||||||||
|
苏州大运河 |
25.1 |
7.4 |
8 |
2.5 |
4.1 |
2.8 | |||||||||
|
曼谷湄南河 |
13.1 |
6.8 |
28 |
2.5 |
4.22 |
3.88 |
3.2 |
2.16 |
2.2 | ||||||
|
深圳铁岗 |
10.5 |
6.8 |
37.4 |
15 |
2.5 |
5.69 |
3.43 |
3.02 |
|||||||
|
新乡黄河 |
6.6 |
7.8 |
195.2 |
10 |
3.0 |
5.02 |
5.0 |
4.72 |
2.69 |
1.19 |
0.9 | ||||
表2表明，对所有试验原水，在相同加药量(以Al2O3计)下，净化水剩余浊度随盐基度增大而降低。
图1为盐基度与净化水剩余浊度关系曲线。
从图1中可见，净化水剩余浊度随盐基度增大而降低，在盐基度为0～80%区间，降幅较大；在80%～92%区间，降幅趋缓，盐基度为88%与92%时的剩余浊度基本接近。
②不同投加量
不同盐基度液体聚氯化铝、不同投加量的混凝效果比较见表3。
由表3可见，不同盐基度的液体聚氯化铝，在不同投加量下的剩余浊度变化规律与相同投加量下基本一致。
|
盐基度(%) |
加药量以Al2O3计(mg/L) |
5 NTU剩余浊度时 | |||||
|
1.5 |
2 |
2.5 |
3 |
3.5 |
加药量(mg/L) |
加量比(%) | |
|
净化水剩余浊度(NTU) | |||||||
|
45 |
21.9 |
11.5 |
6.8 |
4.0 |
3.32 |
106.0 | |
|
65 |
19.7 |
11.3 |
5.7 |
3.0 |
3.13 |
100.0 | |
|
85 |
4.5 |
2.3 |
1.5 |
1.4 |
1.89 |
60.4 | |
|
88 |
17.3 |
4.4 |
2.1 |
1.4 |
1.0 |
1.87 |
59.7 |
|
92 |
13.5 |
4.2 |
2.0 |
1.3 |
1.82 |
58.1 | |
| 注：原水为深圳沙河水，浊度为37.4 NTU，水温为15 ℃，碱度为148 mg/L，pH值为7.8。 | |||||||
用不同盐基度聚氯化铝，将原水剩余浊度均处理到5 NTU时的加药量，称为等效加药量。表3表明，以盐基度65%的等效加药量为100%作参比，B=45%的加量比为106%，B=92%的加量比为58.1%，即B=92%加药量比B=45%降低47.9%。
2.2 不同盐基度固体聚氯化铝混凝效果
不同盐基度固体聚氯化铝混凝效果比较试验表明，不同盐基度固体聚氯化铝在B为64%～90.6%区间、加药量为3.5 mg/L时，净化水剩余浊度随盐基度升高而降低；但加药量＜3 mg/L时则略有上升趋势。盐基度为94.1%与90.6%相比较，前者的剩余浊度全面上升，但仍与盐基度为77.6%的相近。
2.3 国内外不同产品的成分与混凝效果
试验用的国内外不同生产工艺、不同盐基度的固、液体聚氯化铝产品成分见表4。
|
药剂来源 |
氧化铝(%) |
盐基度(%) |
硫酸根 |
外观 |
|
日本 |
11.76 |
54.3 |
有 |
无色透明液 |
|
加拿大 |
28.55 |
45.1 |
有 |
淡黄粉末 |
|
瑞典 |
28.10 |
73.0 |
无 |
淡黄粉末 |
|
中国新乡 |
11.37 |
83.1 |
有 |
淡褐透明液 |
|
中国太仓 |
34.19 |
0.6 |
无 |
黄色片状 |
混凝效果比较见表5。
|
药剂 |
盐基度(%) |
加药量以Al2O3计(mg/L) | ||||||
|
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
3.5 |
4.0 | ||
|
净化水剩余浊度(NTU) | ||||||||
|
中国新乡(液体) |
83.1 |
2.64 |
2.55 |
2.46 |
2.20 |
1.94 |
||
|
日本(液体) |
54.3 |
6.22 |
5.19 |
4.58 |
4.20 |
4.17 |
||
|
加拿大(固) |
45.1 |
5.72 |
4.57 |
3.42 |
3.25 |
3.08 |
||
| 注：原水为曼谷湄南河，浊度为13.1 NTU，水温为28 ℃，pH为6.8。 | ||||||||
无论是固体还是液体聚氯化铝，在同等加药量情况下，中国产品的混凝效果优于国外产品。
一般而言，按同一生产工艺，聚氯化铝产品盐基度越高，原材料单耗和成本越低；在水处理中的同等投加量情况下，消耗水中碱度也越少。采用适当的工艺技术，液体聚氯化铝的稳定期可以达到1年以上，不低于传统工艺产品。液体产品在不同干燥过程中，盐基度提高2%～4%左右。
当盐基度提高到85%以上时，要求有精确的投料计算和工艺控制，固液分离难度也加大，因而要采用先进的技术。
3 结论
①盐基度是聚氯化铝产品的最重要质量指标之一，也是最重要的生产控制参数。
②OH、Al当量比盐基度与混凝效果和生产控制条件有较好的相关性，因此，盐基度概念仍然具有实用价值。
③液体聚氯化铝的盐基度指标，考虑到生产控制可行性、生产成本和混凝效果，建议标准取值为45%～90%。
④固体聚氯化铝的盐基度指标，在液体的盐基度取值基础上，考虑干燥时盐基度的升高，建议标准取值为45%～95%。
⑤提高聚氯化铝产品的盐基度，可大幅提高生产和使用的经济效益。盐基度从65%提高到92%，生产原料成本可降低20%，使用成本可降低40%。
参考文献
［1］伴繁雄，等.PACの开发［J］.水道协会杂志，1993，62(7):2-15.
［2］JWWA—K—114—1969，水道用ポリ盐化ルミニゲム规格［S］.
［3］汤鸿霄.无机高分子絮凝剂的基础研究［J］.环境化学，1990，9(3):1-12.
［4］李润生.水处理新药剂碱式氯化铝［M］.北京：中国建筑工业出版社，1981.
［5］ANSI/AWWA B408—93，AWWA Standard for liquid polyaluminum chloride［S］.