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。
表1 国内外聚氯化铝产品标准盐基度指标国家 | 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。
表2 不同盐基度液体聚氯化铝的混凝效果原水 | 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。
表3 不同盐基度PAC、不同投加量的混凝效果盐基度(%) | 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。
表4 试验用国内外聚氯化铝产品成分药剂来源 | 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。
表5 国内外聚氯化铝产品的混凝效果药剂 | 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］.
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