新型絮凝剂聚合硫酸铝的研究及应用

Posted 2023-01-11 絮凝

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杨叶毅卢建业梁伟杰冯蔚龙
广东奇力士石油化工有限公司
1 前言
随着工业生产的发展，用水量急剧增加，工业废水也相应增加，不论饮用水、工业用水，还是废水都必须经过处理才能使用或排放。水处理方法很多，如絮凝沉淀法、生化法、离子交换法等等。但应用最广泛、成本最低的处理方法还是絮凝沉淀法。
絮凝沉淀法的关键是絮凝剂，作为水处理方面的絮凝剂主要是无机絮凝剂和有机絮凝剂，无机絮凝剂主要有铁盐和铝盐两大类[1，2]。由于有机絮凝剂可能存在的毒性，加之其价格昂贵等原因，很少在净水处理上应用。铁盐絮凝剂，其絮凝效果不错，但由于铁离子对饮用水及各种工业用水有着不良影响及其使用时对设备的强烈腐蚀性，在水处理上没有得到广泛应用。在水处理方面，应用最广泛的还是铝盐絮凝剂，它主要有硫酸铝、聚合氯化铝等，但随着水处理工业的发展，对它们提出了更高的要求，为改善铝盐的絮凝效果和减少铝盐药剂的投加量，我们进行了聚合硫酸铝絮凝剂的研究。聚合硫酸铝絮凝剂在国外已有报道，但在国内，这方面的工作还相对较落后，因此积极研究和开发聚合硫酸铝絮凝剂具有重要的现实意义。
2 基本原理
2.1 以氢氧化钙为碱化剂
反应方程式为：

其中1≤m≤5，n≤10。
2.2以碳酸氢钠为碱化剂
反应方程式为：

其中1≤n≤5，k≤10。
2.3 以尿素为碱化剂
反应方程式为：

3　实验部分
3.1主要原料
硫酸铝，氢氧化钙，尿素，碳酸氢钠，柠檬酸，酒石酸，酒石酸钠等。
3.2主要仪器及设备
恒温水浴锅，电动搅拌器，721分光光度计，光电式浊度仪，酸度计，其它玻璃仪器。
3.3工艺流程图

3.4聚合硫酸铝的合成
将定量的液体硫酸铝加入到聚合反应釜中，缓慢加入碱化剂，进行碱化聚合反应，控制一定温度，并在低碱化度(20%左右)时，加入稳定剂，再继续进行高速乳化反应，全部反应控制2小时左右。聚合反应后的液体放入熟化池熟化约一天后进行压滤，压滤液体即为高浓度聚合硫酸铝产品。
4　结果与讨论
4.1聚合硫酸铝絮凝剂的研制
4.1.1碱化剂的选择
分别以尿素、碳酸氢钠、氢氧化钙为碱化剂，在其它条件都已成熟的情况下各做三次实验，并用这些实验样对统一水样做絮凝对比试验，其结果见表1。

从表1中我们可以看出，以氢氧化钙为碱化剂所得到的聚合硫酸铝产品相对于以其它物质为碱化剂所得的聚合硫酸铝产品更为稳定。这可能时由于产品杂质的含量不同造成的，以氢氧化钙为碱化剂时，其副产物硫酸钙是以沉淀的方式从产品中分离出来的，所得聚合硫酸铝产品更为稳定；而当以其它物质为碱化剂时，其副产物是与产品混合在一起的，不能够分离出来，由于这些杂质的存在，可能催化了聚合硫酸铝的分解，导致了产品的不稳定，从而影响了絮凝效果。因此，以氢氧化钙为碱化剂更为合适。
4.1.2碱化度的确定
碱化度，又称盐基度，是衡量聚合硫酸铝质量好坏的一个重要指标，是指氢氧根与铝的摩尔比，即碱化度(B)=[OH-]/3[Al3+]×100%。聚合硫酸铝的碱化度不同，其絮凝效果也不同，我们制备了不同碱化度的聚合硫酸铝，并对其絮凝效果做对比试验，结果见表2。

从表2可知，当碱化度较低时，随着碱化度的增加，剩余浊度减少，说明聚合硫酸铝的絮凝作用在增强，但当碱化度达到45%以上时，情况则相反，这是因为碱化度的增加，聚合硫酸铝的稳定性下降而导致絮凝效果下降。试验表明，碱化度在30%～40%为最宜。
4.1.3最佳聚合反应温度的确定
在其它条件相同的情况下，只改变聚合反应温度，得出聚合反应温度于絮凝效果之间的关系，结果见表3。结果表明，聚合反应温度在65～70℃为最佳。

4.1.4最佳PH值的确定
在聚合硫酸铝的合成过程中，反应混合体系的PH值将不断发生变化，根据PH值的变化可确定反应时间，并确定最佳PH值，结果见表4

从表3可知，随着碱化剂的加入和反应时间的进行，体系中PH值不断增加，开始时PH值增加幅度很大，表明聚合反应较快，到一定反应时间后(约40min)，PH值在3.5时趋于稳定，表明聚合反应趋于平衡。然后随着碱化剂的不断加入，PH 值继续增加。为了验证PH值等于3.5是制备聚合硫酸铝的最佳PH值，进行了最佳PH值的确认试验，其结果见表5。很明显，PH值等于3.5时，所得聚合硫酸铝产品的絮凝效果时最好的。

4.1.5稳定剂的选择
聚合硫酸铝絮凝效果优异，但其稳定性相对较差，碱化度越高，稳定性越差，因此添加稳定剂以提高其稳定性能。在其他条件不变的情况下我们选择柠檬酸、酒石酸、酒石酸-酒石酸钠三种常见的稳定剂分别做稳定试验，将做得的聚合硫酸铝放置30天和60天后做絮凝试验，其结果见表6。结果表明，以酒石酸-酒石酸钠作为稳定剂效果最佳。

4.2 聚合硫酸铝絮凝性能的研究
4.2.1聚合硫酸铝投加量对其絮凝性能的影响
将用上述最佳条件制的聚合硫酸铝(PAS)和传统硫酸铝絮(AS)、聚合氯化铝(PAC)凝剂作比较来考察投加量与絮凝性能的关系，结果见表7。

从表7可以看出，在相同投加量的情况下，聚合硫酸铝的絮凝效果大大优于传统的硫酸铝，比聚合氯化铝略好，当投加量达到10mg/L时，原水浊度达到2.2NTU，絮凝效果显著。
4.2.2原水PH值对聚合硫酸铝絮凝性能的影响
原水PH值对无机絮凝剂的性能有很大影响，在某些PH值时，有些无机絮凝剂根本不能发挥其絮凝作用，因此，我们进行了原水PH值对聚合硫酸铝絮凝性能的研究，其研究结果见表8。

从表8可知，当原水PH<5时，加入聚合硫酸铝几乎没有絮体形成，絮凝效果很差；当PH在5～9范围内，絮凝效果良好；而PH>10时，其絮凝效果亦不好。因此聚合硫酸铝的PH值适用范围应在5～10之间，适用于饮用水、工业用水及绝大多数废水的絮凝处理。
5 结论
(1)氢氧化钙作为聚合硫酸铝制备的碱化剂比较合适。
(2)最佳聚合反应温度在65～70℃，PH值在3.5左右，碱化度在30～40%，在此条件下做得的聚合硫酸铝性能最好。
(3)聚合硫酸铝的稳定性相对较差，但可通过添加稳定剂(如酒石酸-酒石酸钠)的方法提高其稳定性，以达到长期储存的目的。
(4)聚合硫酸铝除浊性能效果显著，并且有较宽广的对原水PH值适用范围。