水处理剂聚硫氯化铝(PACS)的研究进展

Posted 2023-01-12 煤矸石

篇首语：再冷的石头，坐上三年也会暖。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水处理剂聚硫氯化铝(PACS)的研究进展相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

聚硫氯化铝([Al2(OH)nCl6-n].(SO4)x，PACS)是一种新型的无机高分子絮凝剂，它可在不加碱性助剂或其他助凝剂的条件下，起到传统无机絮凝剂无法比拟的效果。从聚硫氯化铝的制备方法以及在水处理方面的应用两个方面综述了PACS目前的研究现状。其中，PACS的制备分别介绍了以煤矸石、铝矾土、铝灰渣为原料的PACS制备工艺，PACS的应用中主要介绍了PACS在钢铁废水、含油废水、运河废水处理三方面的应用，最后笔者针对PACS净水剂的发展提出了几点建议。
目前工业废水、城市生活污水造成水资源的污染日益严重，水处理剂的制备与水处理技术的研究一直受到高度重视。聚硫氯化铝(PACS)实质上是一种改性液体聚合氯化铝，是在聚合氯化铝结构中增加了硫酸根配位基，其稳定性和絮凝效果均优于聚合氯化铝，具有絮凝效果好、投加量少、效率高、适用范围广泛等特点，是国内外公认的优质无机高分子絮凝剂之一。目前关于聚硫氯化铝的研究较少，多集中在PACS的制备和应用方面，本文主要介绍了不同原料的聚硫氯化铝制备工艺以及聚硫氯化铝在废水处理中的应用。
1.制备聚硫氯化铝技术研究
1.1以煤矸石为原料
煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，它资源丰富，经过酸浸后可以作为原料制备聚硫氯化铝。李俊梅以太原某煤矿的煤矸石为基本原料，利用聚合反应得到氧化铝含量为10%～11%、碱化度为60%～70%、SO42-浓度为2.3%～3%的聚硫氯化铝。工艺流程如图1所示。

当T(焙烧温度)=700～750℃，t(焙烧时间)=1～1.5h，盐酸浓度为20%，矸粉投加比=1.0～1.5时，制备的聚硫氯化铝最优。研究还表明聚合率随聚合时间的延长而增加，当聚合时间大于2h时，反应体系中的单体聚合完全。因此，作者建议煤矸石制备聚硫氯化铝时，聚合时间应控制在2h。赵银以煤矸石为主要原料，经过活化和酸浸，制得含A12O38%～11%、pH值为3.0～3.5、碱化度为60%～75%、比重在1.10以上、含硫酸根的聚硫氯化铝，其中关键步骤是对煤矸石的活化和酸浸。煤矸石中氧化铝的活性随着焙烧温度和焙烧时间的变化而变化，活性越低就越难浸取。作者研究表明，盐酸的投放量、浓度以及酸浸时间均会影响到产品的质量。以煤矸石为原料制备聚硫氯化铝的方法工艺路线先进，产品的附加值高，不会对环境造成新的污染，有较高的经济效益。
1.2以铝矾土为原料
矾土矿的主要成分为Al2O3，含量约为25%～40%。且Fe2O3的含量大于2%，含铁量相对较高，用于生产工业铝会比较困难，可将其应用到聚硫氯化铝的制备中。郝玉凤等人以铝矾土、工业盐酸、工业硫酸为原料，交替进行水解和聚合反应，制得含Al2O318.2%、碱化度55.35%、pH值为4的样品1和含Al2O321.8%、碱化度78.41%、pH值为4.5的样品2。研究表明发现，Al2O3的含量在25%以上、碱化度控制在45%～80%范围内的聚硫氯化铝质量更稳定。工艺流程如图2所示。

朱少敏等人以铝矾土为原料，采用盐酸/硫酸溶出法制备聚硫氯化铝。并分别考察了盐酸用量、加热时间、硫酸用量对铝矾土中铝溶出量的影响以及硫酸对溶出液中AlCl3结晶的影响。结果表明，用铝矾土制备聚硫氯化铝的最佳条件为：铝矾土36%、反应温度为100℃、Cl-/SO42-=4︰1、加热时间为2h。以铝矾土矿为原料制备聚硫氯化铝既不会造成资源的浪费，又不会污染环境，有较高的经济效益和社会效益，但缺点是铝土矿资源有限，不适用于长期大量生产。
1.3以铝灰渣为原料
铝灰渣的主要成分是铝及其氧化物，是铝加工厂中熔铝过程所产生的废渣。尚谦等以铝灰渣为基本原料，使其与硫酸、盐酸反应，经过熟化后得到含Al2O37.0%～9.0%、碱化度60%～80%、pH值3.0～3.5的聚硫氯化铝。通过试验发现，若要制得净水效果较好的PACS，需严格控制SO42-浓度，水量以及铝灰渣的加入方式，并控制烘干温度，使其不能超过110℃。刘永生利用江苏省东台市钨酸厂产生的废铝为原料，经过水解、聚合等一系列反应后得到含Al2O3≥10%、SO42-≤3.5%、pH值3.5～5.0的聚硫氯化铝。工艺流程图如图3所示。

实验中应控制反应温度在90℃以上，且使pH值≥3.5，所投入的铝量应为理论值的1.3倍以上。用铝灰渣制聚硫氯化铝的方法可行，产品性能优良，但铝灰中含有较多的有害物质。
2.聚硫氯化铝在水处理中的应用
2.1聚硫氯化铝处理钢铁废水
处理来自炼钢、炼铁的钢铁废水通常采用PAC或PAM絮凝剂进行沉淀处理。但在实际应用中，利用PAC处理的废水回用率较低，且在温度低时PAM的絮凝效果也较差。用聚硫氯化铝处理钢铁废水不但可以减少运输成本，还能取得理想的处理效果。胡义纯将新型混凝剂PACS应用到某钢铁综合废水的处理过程中，研究发现，与传统PAC相比，PACS的投加量仅为PAC的一半左右，且出水SS相对较低，由518mg/L下降到6.4mg/L。PAM的用量仅为1.8mg/L，PAM的投加减小了对后续设备的影响以及处理成本。且现场考察发现，聚硫氯化铝产生的矾花大且密实，沉淀效果明显。此外，PACS使废水对水温的适应性较强，因此当气温变化时PAC投加量变化并不大，这样就减少了投加泵频率和冲程的调节，同时减少设备的损坏。吉民等人研究了絮凝剂的投加量和温度对其絮凝效果的影响，发现水温与混凝剂投加量均与处理效果成反比。实际生产研究发现，PAC的月处理水量为29×104t，吨水成本为0.205元，而PACS的月处理水量为31×104t，吨水成本为0.167元。PACS的投加量为PAC的一半，且出水SS的质量浓度小于10mg/L，其净水效果远要好于PAC。另外PACS的聚合度高，可减少PAM的使用量，减少其对设备的损伤。利用PACS处理钢铁废水，可减少运输次数，从而减少了运输成本，但由于PACS的碱化度相对较高，pH值也较高，可能会对设备造成一定的腐蚀。
2.2聚硫氯化铝处理含油废水
含油废水的来源广泛，如石油工业、机械工业以及食品工业等在生产中都会产生大量的含油废水。利用絮凝剂处理含油废水是应用较为广泛且便利的方法，其中PACS絮凝剂的除油效果显著。李爱阳从炼油厂废水总进水口处取500mL的含油废水进行实验，研究发现当PACS的投加量为3～5mg/L、SO42-的投加量为12～15(摩尔比)、碱化度为70%时，PACS的除油效果较好。作者又将PACS与PAC的絮凝效果进行比较，结果显示，100mg/L的PAC，浊度为12NTU，CODCr去除率为58.7%，而100mg/L的PACS，浊度为2NTU，CODCr去除率为81%。相同条件下，PACS的除油效果比PAC明显且制备成本较低。且PACS在处理含油废水时受pH值影响较小，pH值为6～9时絮凝效果较好。何伟光等人从高峰期的餐馆厨房中取1500mL的含油污水进行试验，研究表明，当处理1t的含油废水时，最佳条件是：浓度为1%的PACS17mg/L，溶气水用的含量为35%，pH值为7，处理后残存油量低于10mg/L。作者将PACS与碱式氯化铝的pH适用范围进行比较，得到碱式氯化铝为6～7，PACS则为5～8，适用范围较广。作者又将PACS与其他絮凝剂进行比较，发现PACS试剂的用量相对较少且效果显著，当用药量过多时不会发生反絮凝现象，且处理费用也相对较低。PACS絮凝剂具有良好的破乳、絮凝及气浮活性，并利用气浮法使固液迅速分离，除油效果好，但是PACS药剂在净水过程中产生的污泥量较多，为后续处理造成困难。
2.3聚硫氯化铝处理运河废水
近几年由于工业废水和生活污水的大量排放导致运河水污染严重，传统的混凝剂不适用于处理运河水的污染，目前大量研究表明，新型絮凝剂PACS在处理运河污染时，可以取得较好的效果。俞筱瑞将聚硫氯化铝与硫酸铝进行了比较试验，发现当在水温为10℃，浊度为124mg/L，pH为7.26的原水中，加入99mg/L，浊度为4.7mg/L，pH为7.20的PACS后，出现矾花的时间为0.25～0.5min，得到澄清水COD为6.56mgO2/L，净水效果好于硫酸铝。利用PACS可减少反应停留时间，从而提高设备的生产能力。当利用PACS处理浊度为200～240mg/L的运河水时，药品投加量大约为120mg/L，澄清水浊度﹤10mg/L。此外，处理系统在加入PACS前后的pH值改变并不大，当投加量过大时，出水pH值的下降趋势会有所减缓。利用PACS处理运河水，所形成絮凝体量大，且沉降速度快，出水浊度和色度基本可以达到标准中规定的要求，因此具有一定的发展前景。
3.结论
聚硫氯化铝是新型无机高分子絮凝剂，是净水技术研发的重要课题。本文对近几年国内外聚硫氯化铝的研究现状进行了简单归纳，笔者建议今后应在以下几个方面开展研究工作：高效廉价的制备原材料和制备工艺的探索；聚硫氯化铝在生活饮用水处理方面的应用；净水过程中产生的污泥的后续处理研究等。目前，国内外对聚硫氯化铝的研究和应用还处于早期阶段，若想大规模应用到实际生产还需要进行大量的研究和实践。