CN102765796B - 一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，将一价可溶性盐溶液作为疏松剂与聚合氯化铝溶液和三氯化铁溶液混合，然后在温度为40-100℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂。本发明的优点是：该絮凝剂既有聚合氯化铝优良的絮凝性能和强大的电荷中和作用，又有氯化铁的吸附性强、沉降速度快，形成絮凝体大等特点，且出水色度比氯化铁好，具有混凝效果好、作用快、用量少和应用范围广等特点；其制备方法用到的基础材料聚合氯化铝和三氯化铁来源充足，为大规模产业化提供了有力的支持；生产过程中基本无废渣和废料的排放，减少了环境污染，是一种理想的环保型水处理絮凝剂。
Description
技术领域
本发明涉及生产生活用水的处理方法，特别是一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法。
背景技术
生产生活用水的处理方法主要是采用絮凝剂，絮凝剂主要包括铝盐系列、铁盐系列和聚合氯化铝铁。
早期的用于处理生活用水的絮凝剂主要是硫酸铝，通过水解产生氢氧化铝胶体吸附水中的悬浮物质，达到净水效果。硫酸铝的净水效果并不理想，后来发展的聚合氯化铝（PAC）有更好的絮凝效果。PAC在水中形成矾花快，颗粒大较易沉淀，絮凝效果优于传统的铝盐。PAC和传统的铝盐一样，铝残留量较大，残留的铝进入人体后，通过蓄积影响人类的健康。
目前三氯化铁也是一种良好的絮凝剂，三氯化铁在水中存在形态的变化规律大致与铝盐相似，水解速度比铝盐快。在水处理中具有沉降速度快、操作简单、费用低、受温度影响小、破乳能力强、对微生物的亲和力大等优点，能有效去除水中的悬浮物、胶体、好气性微生物及表面活性剂。相对于铝盐，三氯化铁还具有矾花比重大、易沉降、污泥脱水性能好、低温低浊时仍有较好效果等特点，且适宜的pH值范围较宽，更适合处理偏碱性的废水，具有较强的除BOD，COD等有机物和重金属的能力，并具有脱色，脱臭，除油等功效。另一方面，三氯化铁在使用中也有以下的缺点：1）药剂用量大、残留铁离子含量高，低分子铁盐在使用过程中对设备具有腐蚀性，处理后水的色度比铝盐高；2）形成的絮凝体较少，絮凝后的污泥无法有效利用；3）三价铁盐不宜处理含硫化物的工业废水，因为Fe3+离子与硫化物会生成硫化铁或硫化亚铁的胶体混合物，难以形成絮凝沉淀；4）当铁盐投加量不足时，水解形成的氢氧化铁胶体不但没有使杂质脱粒脱稳，反而自身成为稳定的体系，使原水浊度升高，且碱化度越高，残留浊度越大。当铁盐增加到一定剂量时，才表现出较佳的絮凝效果。
现在出现了一种新的聚合氯化铝铁（PAFC）絮凝剂，PAFC兼有铝盐和铁盐混凝剂的优良性能，该分子以长链为基本结构，具有多种聚合态。在其分子中，分子长链易弯曲、扭绞部分成环。在链链之间、面面之间以某种形式的链连接，构成复杂而有序的分子结构。它既有聚合氯化铝的优良的絮凝性能和强大的电荷中和作用，又有氯化铁的吸附性强、沉降速度快、形成絮凝体大等特点，且出水色度比氯化铁好，克服了PAC在低温低浊时的净水难点，除浊效果和絮体沉降性能优于聚铝。与传统的净水剂相比，它具有混凝效果好、作用快、用量少和允许投加范围广等特点。
目前PAFC的生产方法多是以矿物为原料，用强酸提取出铝成分。同样铁也是来自矿物和矿渣，用酸提取出铁，然后将提取出的铝盐和铁盐混和，在氢氧化钠的作用下进行反应生产出聚合氯化铝铁。已公开的专利：CN1463929；CN87103009A；CN1131642 A；CN1255458 A等就是以铝钒土矿为原料生产PAFC。专利CN86104833 A是以碳酸铝为原料；CN1036708 A以粉煤灰为原料：CN101215032 A以粘土为原料；CN101723471 A以造纸污泥为原料生产PAFC。由于这些生产工艺中都含有提取铝和铁的过程，所以工艺复杂，且都有残渣排放，不利于环境的保护。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种混凝效果好、作用快、用量少、应用范围广且无污染的疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，
本发明的技术方案：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在室温和150r/min转速搅拌下将质量百分比浓度为5-10%的聚合氯化铝溶液、质量百分比浓度为5-40%的三氯化铁溶液和质量百分比浓度为5-20%的疏松剂溶液混合，所述疏松剂为NaCl、KCl、NH4Cl、K2SO4、K2CO3或KNO3中一种或两种以上任意比例的混合物，混合液中铁元素和铝元素的质量比为60:1-1:20，疏松剂用量是铁、铝元素总质量的5-100%；
2）将上述混合液搅拌20-30分钟，然后在温度为40-100℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂。
本发明的反应机理：
采用三氯化铁，聚合氯化铝，一价可溶性盐为原料合成聚合氯化铝铁。三氯化铁和聚合氯化铝的反应形成聚合物分子的主体，一价可溶性盐的作用在于排除阴离子的影响，通过体积大且表面电荷密度小的阳离子提高胶体对悬浮物的吸附和卷扫的作用，得到性能良好的疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂，在本发明中涉及到的相关阳离子起到本专利设计的特殊作用。钠离子的半径是
钾离子的半径是
铵根离子的半径是离子的半径越大，离子表面的电荷密度越小，则电场作用越小，所以当聚合氯化铝铁水解形成胶体后，半径越大的阳离子产生的絮凝效果越好：1）由于其电场作用小，对胶体的拉紧作用小，使胶体结构密度小，结构比较疏松，增大了胶体的表面积，有利于胶体的吸附作用；2）其作为胶体电荷与胶体本身结合力也较小，容易被水中的带电粒子取代，对胶体的吸附作用的阻碍较小，有利于胶体的吸附作用。基于这样的设计，本发明采用一价可溶性盐酸盐，获得了较好的絮凝效果。
本发明的优点及积极效果是：该疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂既有聚合氯化铝优良的絮凝性能和强大的电荷中和作用，又有氯化铁的吸附性强、沉降速度快，形成絮凝体大等特点，且出水色度比氯化铁好，克服了PAC在低温低浊时的净水难点，除浊效果和絮体沉降性能优于聚铝，与传统的净水剂相比，具有混凝效果好、作用快、用量少和应用范围广等特点；其制备方法用到的基础材料聚合氯化铝和三氯化铁，均为现今市场上极为普遍的原料，故可保证来源充足，为大规模产业化提供了有力的支持；制备过程中所用到的疏松剂为无机盐类，对人体无害，符合国家标准，生产过程中基本无废渣和废料的排放，减少了环境污染，是一种理想的环保型水处理絮凝剂。
具体实施方式
实施例1：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入122g质量百分比浓度为10%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加38g质量百分比浓度为8.4%的三氯化铁溶液和37g质量百分比浓度为18.9%的碳酸钾溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为1：6，碳酸钾用量是铁、铝元素总质量的92.4%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-19）。
实施例2：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入122g质量百分比浓度为10%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加38g质量百分比浓度为8.4%的三氯化铁溶液和33.64g质量百分比浓度为10.8%、质量比为1:1的碳酸钾和氯化钠混合溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为1：6，碳酸钾和氯化钠用量是铁、铝元素总质量的48.05%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-21）。
实施例3：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入366g质量百分比浓度为10%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加27.5g质量百分比浓度为10.9%的三氯化铁溶液和12g质量百分比浓度为16.7%的氯化钾溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为1：19，氯化钾用量是铁、铝元素总质量的9.8%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-59）。
实施例4：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入13.1g质量百分比浓度为5%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加293g质量百分比浓度为18.4%的三氯化铁溶液和23g质量百分比浓度为13%的氯化钾溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为60：1，氯化钾用量是铁、铝元素总质量的15.6%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-83）。
实施例5：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入122g质量百分比浓度为10%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加35.6g质量百分比浓度为40%的三氯化铁溶液和26.6g质量百分比浓度为6%的氯化钠溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为10：13，氯化钠用量是铁、铝元素总质量的14%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-115）。
实施例6：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入122g质量百分比浓度为10%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加35.6g质量百分比浓度为40%的三氯化铁溶液和27.7g质量百分比浓度为9.7%的硝酸钾溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为10：13，硝酸钾用量是铁、铝元素总质量的26.3%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-118）。
实施例7：
一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，步骤如下：
1）在装有搅拌、回流冷凝管、温度计的500ml四口瓶中加入122g质量百分比浓度为10%的聚合氯化铝溶液，然后在室温和150r/min转速搅拌下依次滴加35.6g质量百分比浓度为40%的三氯化铁溶液和26.4g质量百分比浓度为5.3%的氯化铵溶液混合，混合液中铁元素和铝元素的质量比为10：13，氯化铵用量是铁、铝元素总质量的12.2%；
2）将上述混合液继续搅拌30分钟，然后在温度为80℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂（编号TW-119）。
用絮凝实验验证实施效果：
1）试验方法：采用武汉梅宇MY3000-6六联混凝试验搅拌仪进行烧杯试验，将原水置于一系列1000ML的烧杯中，分别投加适量的絮凝剂，在不同条件下搅拌，测定其浊度，静置沉后水浊度控制点确定为1.0NTU。
试验仪器：
混凝：武汉梅宇MY3000-6混凝试验搅拌仪
浊度：上海昕瑞WGZ-100浊度仪
混凝数据设定：
实验以300r/min快速搅拌1.5min，然后以40r/min慢速搅拌20min，分别静置沉淀5min、10min、30min后，取上层清液测定浊度，沉后水浊度控制点确定为1.0NTU。
2）不同配方絮凝剂效果对比
表1（源水浊度4.486NTU）
| 絮凝剂 | TW-19 | TW-19 | TW-19 | TW-19 | TW-19 | TW-19 |
| 加药量（mg） | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| 余浊(NTU)5min | 4.231 | 3.843 | 1.860 | 0.820 | 0.702 | 0.530 |
表2（源水浊度4.349NTU）
| 絮凝剂 | TW-21 | TW-21 | TW-21 | TW-21 | TW-21 | TW-21 |
| 加药量（mg） | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| 余浊(NTU)5min | 4.400 | 4.122 | 1.324 | 0.902 | 0.766 | 0.365 |
表3（源水浊度6.432NTU）
| 絮凝剂 | TW-59 | TW-59 | TW-59 | TW-59 | TW-59 | TW-59 |
| 加药量（mg） | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| 余浊(NTU)5min | 5.978 | 1.942 | 0.926 | 0.398 | 0.271 | 0.180 |
表4（源水浊度4.061NTU）
| 絮凝剂 | TW-83 | TW-83 | TW-83 | TW-83 | TW-83 | TW-83 |
| 加药量（mg） | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| 余浊(NTU)5min | 3.579 | 2.540 | 0.858 | 0.574 | 0.475 | 0.330 |
表5（源水浊度7.875NTU）
表6（源水浊度8.047NTU）
表7与传统絮凝剂效果对比（源水浊度7.163NTU）
表1-6中所用到的疏松剂为一价可溶性盐酸盐包括氯化钠、氯化钾和氯化铵等，其中NH4 +和K+因具有更大的半径，提高了絮凝效果，充分说明本专利所制备的絮凝剂其阳离子的半径越大，离子表面的电荷密度越小，则电场作用越小，所以当聚合氯化铝铁水解形成胶体后，半径越大的阳离子产生的絮凝效果越好。同时改变阴离子种类，仍可得较好的絮凝效果。
表7表明：与传统絮凝剂聚合氯化铝（表7中简称为PAC）、三氯化铁相比较，本专利制备的絮凝剂取得了类似的絮凝效果，其优势在于：疏松型絮凝剂的有效浓度低于传统絮凝剂，节约了净水成本，且出水色度较好，经济环保。
Claims (1)
1.一种疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）在室温和150r/min转速搅拌下将质量百分比浓度为5-10%的聚合氯化铝溶液、质量百分比浓度为5-40%的三氯化铁溶液和质量百分比浓度为5-20%的疏松剂溶液混合，所述疏松剂为NaCl、KCl、NH4Cl、K2SO4、K2CO3或KNO3中一种或两种以上任意比例的混合物，混合液中铁元素和铝元素的质量比为60:1-1:20，疏松剂用量是铁、铝元素总质量的5-100%；
2）将上述混合液搅拌20-30分钟，然后在温度为40-100℃、150r/min转速搅拌下继续反应4h，即可得到疏松型聚合氯化铝铁絮凝剂。
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