CN100348510C - 一种高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，主要采用将AlCl3·6H2O和Na2CO3固体药剂均匀混合后加入蒸馏水中的方法，制得的高Alb含量聚合氯化铝混凝剂具有产品稳定性好、对胶体物质的电中和能力强、混凝效果好、产生的污泥量少，水处理成本低等优点，可广泛适用于给水、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工等领域。本发明方法具有生产工艺简捷、经济、快速等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备聚合氯化铝混凝剂的方法，尤其涉及一种利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂，属于化学技术领域。
背景技术
工农业的迅速发展，人口剧增，人类赖以生存的水资源日益贫乏。水资源危机的问题已越来越成为制约我国经济发展的重要因素。目前，我国水资源受到了不同程度的污染，且有不断加剧的趋势。为了节约水资源，提高水的利用率，减轻废水对环境造成的污染，保持我国经济社会的可持续发展局面，必须加强对工业废水和生活污水的治理。在水处理工艺中，混凝沉淀是应用最普遍、最广泛、并且成本较低的关键技术环节，它决定着后续流程的运行工况、最终出水水质和运行成本，因而成为环境工程领域中重要的研究内容之一。混凝处理效果的好坏在很大程度上取决于混凝剂的品质。所以制备高效、无毒、价廉的高分子混凝剂成为水处理领域中的一项迫切的任务，具有重大的现实意义。
目前，在国内外给水及废水混凝处理中，铝盐是技术最成熟、应用最广泛的无机絮凝剂，预测铝系絮凝剂在今后较长时间内仍是主要的水质净化剂。然而，近十几年来，随着铝对人体毒性研究的不断深入以及对水处理的要求越来越高，对铝系絮凝剂的发展和使用提出了更高的要求，需要研制出高效、价廉、适用范围广、无毒或低毒的新型铝系无机高分子絮凝剂。聚合氯化铝(简称PAC)是铝盐在水溶液中经过水解-聚合作用形成的羟基多核配合物，它由单体、二聚体、多聚体及部分聚十三铝(用Al13表示)等铝的羟基配合物组成。由于处于nm级的聚集体Alb(指Ferron测定法中1～120min内与Ferron试剂反应的铝聚集体，包含Al13等)投入水中后可在一定时间内具有稳定性而保持其原有形态，以其较高的电荷及较大的分子量发挥电中和及粘接架桥作用，从而取得优良的净水效果。因此，Alb被认为是PAC中最佳凝集-絮凝成分，其含量可反映产品的有效性。随着我国工业化和城市化进程的迅速发展，同时适应水质净化处理需求与水污染治理力度加大的要求，通过改进或研制PAC的制备工艺来大幅度提高Alb的含量，在不增加生产成本的同时显著提高其混凝性能，可以大大地降低处理成本，并且提高处理水的水质，由此带来的经济效益和社会效益将是非常可观的。
目前，PAC的主要生产方法有酸溶和压溶等物理化学方法，但现行的PAC生产方法，如氢氧化铝压溶法等，由于加碱聚合过程以及生产过程和主要参数难以有效控制，因而产品质量不够稳定，有效絮凝成分Alb含量相对较低。因此，通过改进制备PAC方法来提高PAC中Alb聚合形态含量，对改善絮凝剂品质，优化絮凝过程，提高絮凝效率具有重要意义。
关于高Alb含量聚合氯化铝混凝剂制备的研究报告，参见刘会娟，曲久辉，雷鹏举，汤鸿霄等；电解制备高Alb聚合氯化铝的工艺特性研究，《高技术通讯》，2002，03：43-46。李凡修，陈武；聚合氯化铝制备技术的研究现状和进展，《工业水处理》，2003，03：5-8。赵华章，彭凤仙，栾兆坤，徐毅，陈福泰；微量加碱法合成聚合氯化铝的改进及Al13形成机理，《环境化学》，2004年23(02)期：202-207。贾志谦；利用膜反应器合成纳米BaSO4粒子和聚合氯化铝的研究，《中国科学院生态环境研究中心博士学位论文》，2002。但以AlCl3·6H2O、Na2CO3为主要原料采用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂，目前国内未见文献报道。在国外文献数据库中，目前未见相关文献报道。
发明内容
针对现有聚合氯化铝混凝剂中起主要混凝作用的Alb含量较低(40％以下)的问题，本发明提供了一种利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，可制备出既具有良好贮存稳定性又具有良好混凝效果的混凝剂。
本发明的利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，由如下步骤组成：
(1)先将固体AlCl3·6H2O和Na2CO3分别研碎至粉末状，然后以预定碱化度为2.2～2.4的比例，将AlCl3·6H2O与Na2CO3均匀混合；
(2)以步骤(1)所述混合固体体积量计，取其2～5倍体积量的蒸馏水加热并恒温至75℃～85℃；
(3)将步骤(1)所述混合均匀的固体以1～30g/min的量加入到上述恒温蒸馏水中，同时以1000rpm的速度搅拌溶液，加速反应；
(4)上述步骤(1)的混合固体按量不同控制在20分钟～40分钟内加完，之后继续搅拌，至溶液呈无色透明的液体，即制得高Alb含量聚合氯化铝混凝剂。
上述碱化度优选为2.3～2.4。
上述蒸馏水的取用量优选是2～3倍体积量的混合固体体积量，加热并恒温的温度优选是80℃。
上述步骤(3)所述固体优选以1～15g/min的量加入到恒温蒸馏水中。
上述步骤(3)所述固体最优选以1～5g/min的量加入到恒温蒸馏水中。
上述步骤(4)所述混合固体优选控制在28分钟～35分钟内加完。
利用本发明所述方法制得的高Alb含量聚合氯化铝混凝剂外观为无色液体，摩尔浓度为0.8～1.5mol/L，20℃时，密度为1.1～1.2，有效浓度以Al2O3计，质量百分比为4.0％～7.5％，碱化度为2.3～2.4，pH为3.8～4.2，Alb含量以质量百分比为70％～80％。
本发明方法制得的高Alb含量聚合氯化铝混凝剂以下简称高Alb含量PAC混凝剂。
下面以实验室方法，详细说明利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法：
(1)先将固体AlCl3·6H2O和Na2CO3分别研碎至粉末状，称取36.22～72.43克AlCl3·6H2O固体粉末于烧杯中，然后加入达到预定碱化度为2.3～2.4所需量的Na2CO3粉末，将AlCl3·6H2O与Na2CO3均匀混合；
(2)在250ml三口圆底烧瓶中加入150ml蒸馏水，置于水浴锅中恒温至80℃；
(3)将步骤(1)所述混合均匀的固体以1～5g/min的量加入到上述恒温蒸馏水中，同时以1000rpm的速度搅拌溶液，加速反应；
(4)上述步骤(1)的混合固体按量不同控制在20分钟～40分钟内加完，优选控制在28分钟～35分钟内加完；之后继续搅拌，至溶液呈无色透明的液体，即制得高Alb含量聚合氯化铝混凝剂。
采用本发明方法制备的高Alb含量PAC混凝剂作为水处理絮凝剂可广泛适用于给水、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工等领域，并有良好的水处理效果。
本发明方法制备高Alb含量PAC混凝剂与现有技术相比具有如下优良效果：
本发明的固固共混法制备的高Alb含量PAC混凝剂，属于水处理领域中新型高分子无机混凝剂。本方法以AlCl3·6H2O和Na2CO3为原料，采用将AlCl3·6H2O和 Na2CO3固体药剂混合加入蒸馏水中的方法制备而成。制得的高Alb含量PAC混凝剂具有产品稳定性好、对胶体物质的电中和能力强、混凝效果好、适用范围广、产生的污泥量少，水处理成本低等优点。本发明方法具有生产工艺简捷、经济、快速等特点。制备的高Alb含量PAC混凝剂可广泛适用于给水处理、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工等领域，并有良好的水处理效果。详见应用实施例。
具体实施方式
实施例1
(1)先将固体AlCl3·6H2O和Na2CO3分别研碎至粉末状，称取AlCl3·6H2O固体粉末各36.22克、54.32克、54.32克、72.43克分别放于烧杯中，然后加入达到预定碱化度为2.3～2.4所需量的Na2CO3粉末(具体量见表1)，将AlCl3·6H2O与Na2CO3均匀混合；
(2)在250ml三口圆底烧瓶中加入150ml蒸馏水，置于水浴锅中恒温至80℃；
(3)将步骤(1)所述混合均匀的固体以1～5g/min的量加入到上述恒温蒸馏水中，同时以1000rpm的速度搅拌溶液，加速反应；
(4)上述步骤(1)的混合固体按量不同控制在28分钟～35分钟内加完，之后继续搅拌10分钟～15分钟，至溶液呈无色透明的液体，即制得高Alb含量聚合氯化铝混凝剂。
表1中列出了不同制备条件下制得的高Alb含量聚合氯化铝混凝剂4种产品的各项指标。
表1：固固共混法制备的高Alb含量PAC混凝剂
| AlCl3·6H2O | Na2CO3 | 碱化度 | 有效浓度 | Alb含量 | pH | |
| 产品No.1产品No.2产品No.3产品No.4 | 36.22g54.32g54.32g72.43g | 19.08g28.26g27.43g38.16g | 2.42.42.32.4 | 4.12％6.05％6.08％7.53％ | 83.36％74.52％70.12％69.64％ | 4.134.124.084.02 |
(其中：上述有效浓度以Al2O3质量百分比计)
本发明方法具有生产工艺简捷、经济、快速等特点。制备的高Alb含量PAC混凝剂可广泛适用于给水、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工等领域。
本发明方法制备的高Alb含量PAC混凝剂与现有技术相比，表现出的突出的优良效果见下述应用实施例。
应用实施例1
将以上制备的No.1、No.2、No.3、No.4高Alb含量PAC混凝剂产品用于黄河水的混凝除浊处理，同时与普通PAC作对比。水样pH值为8.10，浊度为6510NTU。属于高浊度水。处理结果列于表2。
表2高Alb含量PAC混凝剂处理黄河水的效果
(表内数据为剩余浊度NTU)
| 产品投加量(mg/L) | 产品序号 | ||||
| No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | 低Alb含量PAC(Alb＝40％) | |
| 1246810 | 6.15.84.63.72.22 | 6.835.8753.682.52.2 | 8.975.14.73.42.4 | 9.57.45.753.92.6 | 9.78.27.35.44.84 |
从以上处理结果可见，高Alb含量PAC混凝剂处理高浊度水样的混凝除浊效果明显优于低Alb含量PAC混凝剂，特别是在低投加量下的效果差别更加明显。而在同为高Alb含量的PAC产品中，Alb含量越高除浊效果越好。
应用实施例2
将以上制备的No.1、No.2、No.3、No.4高Alb含量PAC混凝剂产品用于滨州印染厂废水的混凝处理，同时与低Alb含量PAC作对比。原水水质情况如下：最大吸收波长为610nm，吸光度为0.684，pH＝10.0，原水浊度84.2。属于中等浊度水。处理结果列于表3、表4。
表3高Alb含量PAC混凝剂滨州印染厂废水的除浊效果
(表内数据为浊度去除率％)
| 产品投加量(mg/L) | 产品序号 | ||||
| No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | 低Alb含量PAC(Alb＝40％) | |
| 406080100120140 | 83.7284.0884.7979.2980.7283.01 | 66.5071.0275.8974.1080.1683.37 | 60.3359.4665.9165.4364.1368.88 | 59.2461.5462.4762.4562.5464.21 | 45.1349.5652.1654.2455.4556.15 |
表4高Alb含量PAC混凝剂滨州印染厂废水的脱色效果
(表内数据为处理后水的脱色率％)
| 产品投加量(mg/L) | 产品序号 | ||||
| No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | 低Alb含量PAC(Alb＝40％) | |
| 406080100120140 | 55.4058.0458.6257.5059.7059.21 | 38.7441.8145.7645.0249.8551.75 | 36.1138.5040.6441.2240.0543.42 | 35.4536.4538.4140.1040.2441.24 | 20.1722.2524.3125.9428.4830.14 |
从以上处理结果可见，高Alb含量PAC混凝剂处理中等浊度水样的混凝除浊效果明显优于低Alb含量PAC混凝剂，并且脱色率比低Alb含量PAC混凝剂在各个投量下至少提高30％以上。在各高Alb含量的PAC产品中，Alb含量越高除浊、脱色效果越好。
应用实施例3
将以上制备的No.1、No.2、No.3、No.4高Alb含量PAC混凝剂产品用于含活性翠蓝(K-GL)染料废水的混凝处理，同时与低Alb含量PAC作对比。原水水质情况如下：pH为7.89，活性翠蓝(K-GL)染料含量为100mg/L，最大吸收波长598nm，原水吸光度为1.212，浊度30NTU。处理结果列于表5。
表5高Alb含量PAC混凝剂的脱色效果
(表内数据为处理后水的脱色率％)
| 产品投加量(mg/L) | 产品序号 | ||||
| No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | 低Alb含量PAC(Alb＝40％) | |
| 0.512345 | 84.32％84.57％94.88％96.86％98.35％98.60％ | 84.32％84.41％94.47％96.70％98.51％98.68％ | 84.32％84.49％92.74％96.20％98.76％98.76％ | 84.41％84.49％92.82％95.46％98.60％98.84％ | 82.59％83.91％92.41％93.89％97.11％98.02％ |
从以上处理结果可见，高Alb含量PAC混凝剂与低Alb含量PAC混凝剂相比，相同投加量时处理后的脱色率要高。而在高Alb含量的PAC产品中，Alb含量越高脱色效果越好。
应用实施例4
将以上制备的No.1、No.2、No.3、No.4高Alb含量PAC混凝剂产品用于高岭土和腐植酸模拟水样的混凝处理，同时与低Alb含量PAC作对比。原水水质情况如下：高岭土含量为60mg/L，腐植酸含量为10mg/L，原水浊度45.ONTU，在370nm处的吸光度为0.230，pH为7.11。处理结果列于表6。
表6高Alb含量PAC混凝剂处理高岭土和腐植酸废水的脱色效果
(表内数据为处理后水的脱色率％)
| 产品投加量(mg/L) | 产品序号 | ||||
| No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | 低Alb含量PAC(Alb＝40％) | |
| 1246810 | 75.22％88.70％94.35％94.78％96.52％96.52％ | 75.65％87.83％92.61％93.04％95.22％95.65％ | 78.70％86.96％92.61％95.22％95.65％96.09％ | 68.26％86.09％91.74％93.48％94.35％95.22％ | 63.04％81.74％89.13％90.87％93.04％94.78％ |
从以上处理结果可见.高Alb含量PAC混凝剂处理高岭土和腐植酸废水的混凝效果优于低Alb含量PAC混凝剂。在4种高Alb含量的PAC产品中，同样高Alb含量PAC脱色效果更好。
应用实施例5
将以上制备的No.1、No.2、No.3、No.4高Alb含量PAC混凝剂产品用于高岭土模拟悬浊液混凝处理，同时与低Alb含量PAC作对比。原水水质情况如下：高岭土含量为100mg/L，浊度为80NTU，pH为7.32。。处理结果列于表7。
表7高Alb含量PAC混凝剂除浊效果
(表内数据为剩余浊度NTU)
| 产品投加量(mg/L) | 产品序号 | ||||
| No.1 | No.2 | No.3 | No.4 | 低Alb含量PAC(Alb＝40％) | |
| 0.512345 | 6.93.210.410.090.04 | 7.53.51.20.470.120.08 | 8.94.60.960.510.320.05 | 9.85.71.230.60.410.09 | 10.057.122.511.230.540.24 |
从以上处理结果可见，高Alb含量PAC混凝剂处理高岭土废水的混凝效果优于低Alb含量PAC混凝剂。在4种高Alb含量的PAC产品中，Alb含量越高除浊效果越好。
Claims (8)
1.一种利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，由如下步骤组成：
(1)先将固体AlCl3·6H2O和Na2CO3分别研碎至粉末状，然后以预定碱化度为2.2～2.4的比例，将AlCl3·6H2O与Na2CO3均匀混合；
(2)以步骤(1)所述混合固体体积量计，取其2～5倍体积量的蒸馏水加热并恒温至75℃～85℃；
(3)将步骤(1)所述混合均匀的固体以1～30g/min的量加入到上述恒温蒸馏水中，同时以1000rpm的速度搅拌溶液，加速反应；
(4)上述步骤(1)的混合固体按量不同控制在20分钟～40分钟内加完，之后继续搅拌，至溶液呈无色透明的液体，即制得高Alb含量聚合氯化铝混凝剂。
2.如权利要求1所述的利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，其特征在于，所述碱化度为2.3～2.4。
3.如权利要求1所述的利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，其特征在于，所述蒸馏水的取用量是2～3倍体积量的混合固体体积量，加热并恒温的温度是80℃。
4.如权利要求1所述的利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，其特征在于，步骤(3)所述固体以1～15g/min的量加入到恒温蒸馏水中。
5.如权利要求4所述的利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，其特征在于，步骤(3)所述固体以1～5g/min的量加入到恒温蒸馏水中。
6.如权利要求1所述的利用固固共混法制备高Alb含量聚合氯化铝混凝剂的方法，其特征在于，步骤(4)所述混合固体控制在28分钟～35分钟内加完。
7.用权利要求1所述方法制得的高Alb含量聚合氯化铝混凝剂，其特征在于，外观为无色液体，摩尔浓度为0.8～1.5mol/L，20℃时，密度为1.1～1.2，有效浓度以Al2O3计，质量百分比为4.0％～7.5％，碱化度为2.3～2.4，pH为3.8～4.2，Alb含量以质量百分比为70％～80％。
8.权利要求7所述的高Alb含量聚合氯化铝混凝剂作为水处理絮凝剂在给水、废水处理，石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工领域的应用。
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