论文部分内容阅读
聚氯化铝(PAC)是水处理领域应用范围最广、使用量最大的无机高分子混凝剂。近100年来，科学家们对铝盐的水解-络合-聚合-胶凝-沉淀-晶化机理进行了广泛的试验研究和模式分析，并取得了很大进展。目前主要有广泛引用的两个模式，即“核链”模式(the“Core-links’model)和“笼状”模式(the“Keggin-Al<,13>”model)。根据“笼状”模式的观点，许多研究者认为，Al<,b>或Al<,13>等高聚物是发挥混凝作用的最佳成分，因此在PAC生产过程中应当尽量提高．Alb或Al<,13>的含量。
已有研究绝大多数局限于试验室理论样品，而针对工业样品的系统研究几乎没有。目前主流工业PAC产品中Al<,b>或Al<,13>的变化规律如何，是否提高工业品中Al<,b>或Al<,13>的含量就会导致产品混凝效果的提高，迄今为止还没有研究者能够给出满意的回答。为了揭示PAC形态分布的全貌以及提高理论对实践的指导作用，非常有必要对PAC试验室样品和工业样品进行全盐基度和全浓度范围的形态分布研究，并得到在相同试验条件下PAC的形态分布规律。特别要弄清楚工业PAC产品中Al<,b>或Al<,13>的含量，以及其含量与混凝效果的关系，以进一步指导PAC的理论研究和生产实践。
本研究采用分析纯氢氧化铝和盐酸加压反应，调整盐基度制得8个Al浓度为2.50mol·L<-1>，盐基度为20﹪～90﹪的A系列样品。采用慢速滴碱法制得8个Al浓度为0.150～0.336mol·L<-1>，盐基度为20﹪～92﹪的B系列样品。采用铝酸钙调整法，同时引入SO<,4><2->等多价阴离子制得8个Al浓度为2.50mol·L<-1>，盐基度为20﹪～85﹪的C系列样品。采用铝酸钙调整法制得8个Al浓度为2.50mol·L<-1>，盐基度为20﹪～92﹪的D系列样品。A系列样品代表了国外主要生产工艺的工业产品，B系列样品代表了国内外研究者使用的试验室样品，C、D系列样品则代表目前国内的主流工业产品。本研究采用Al-Ferron逐时络合比色、核磁共振<27>Al-NMR、烧杯混凝试验、红外光谱、透射电镜、ξ电位等方法对四个系列32个样品的形态分布和混凝性能进行了系统研究。
Ferron试验结果表明：(1)A、C、D工业系列样品的Alb值先随盐基度的升高而增加，然后随盐基度的升高而减小，最大值分别为27.15﹪、23.12﹪、28.41﹪。B系列样品的Al<,b>-直随盐基度的升高而增加，在盐基度为92﹪时，Al<,b>最大值为74.02﹪。(2)A、B、C、D四个系列所有样品的Al<,a>均随盐基度的升高而减小，Al<,c>则随盐基度的升高而增加。(3)低盐基度B≤20﹪时，工业系列样品中的Al<,b>均比实验室系列样品中的Al<,b>高，Al<,b>从大到小的顺序依次为C>D>A>B。(4)高盐基度B>30﹪时，Al<,b>值的变化规律正好与B≤20﹪时相反。实验室系列样品中的Alb比工业系列样品中的Al<,b>高，Al<,b>从大到小的顺序依次为B>A>D>C。(5)中间盐基度20﹪的大小关系与B>30﹪时一致，为A>D>C。该阶段Alb从大到小的顺序依次为A>D>B>C。
核磁共振<27>Al-NMR．测试结果表明：(1)A、B、C、D四个系列所有样品的Al<,单>单均随盐基度的升高而减小。(2)A、c、D工业系列样品的Al<,13>值均较小，C系列的Al<,13>均为0﹪，A、D系列的Al<,13>最大值仅5.05﹪。A、C、D工业系列样品中Al<,13>不是其主要形态。B系列样品的Al<,13>一直随盐基度升高而升高，最大值为B8样品的68.69﹪，高盐基度时Al<,13>为其中主要形态。(3)A、C、D工业系列样品的Al<,其他>均随盐基度的升高而增加，其最大值分别为95.15﹪、85.40﹪、93.30﹪。B系列样品的Al<,其他>则先随盐基度的升高而增加，达到最大值后开始降低，然后再开始上升，最大值为B4．样品的44.40﹪。
Al<,b与Al<,13>比较分析表明：A、C、D工业系列样品中Al<,b>、Al<,13>的绝对数值均较小，Al<,b>最大值为28.41﹪，Al<,13>最大值为5.50﹪，Al<,b>、Al<,13>不是其中的优势形态。B系列样品中Al<,b>、Al<,13>的绝对数值相对较大，盐基度大于60﹪时，Al<,b>、Al<,13>成为优势形态。
混凝试验结果表明：同一系列PAC样品加药量相同时，盐基度越高，混凝效果越好。相同盐基度的不同系列样品加药量相同时，混凝效果由好到差依次为C>D>A>B，混凝效果最好的是C系列样品。而前面试验结果又表明，相同盐基度不同系列样品中Al<,b>、Al<,13>值大小顺序为B>A>D>C，也就是说，Al<,b>、Al<,13>含量高的样品混凝效果反而较差，Al<,b>、Al<,13>含量较低的工业系列样品的混凝效果却比Al<,b>、Al<,13>含量相对较高的实验室系列样品好得多。因此聚氯化铝工业生产的质量控制应以尽可能提高产品的盐基度或Al<,c>为目标，而不是Al<,b>、Al<,13>含量最大。红外光谱测试结果表明：对于同一系列PAC样品，随盐基度的增大，3417 cm<-1>、1642cm<-1>和615 cm<-1>处的吸收峰面积均略有增大，表明盐基度的增大增强了Al-OH的健合力，有利于保持聚合物的稳定性。在989cm<-1>不同系列样品吸收峰强度从大到小的变化趋势依次为C>D>A>B，也就是说不同系列样品水解时形成多核羟铝络合物的能力为C>D>A>B。
透射电镜测试结果表明：A、C、D三个工业系列PAC样品颗粒均呈分散颗粒状，没有絮团状或树枝状颗粒出现，而B系列样品在中低盐基度时颗粒呈絮团状或树枝状，高盐基度时颗粒呈分散颗粒状。
ξ电位测试结果表明：不同系列、不同盐基度样品混凝后溶液的ξ电位均呈上升趋势，并在投加量达到某一最佳值时电位由负变正。同一系列样品中，盐基度越大，到达零电位时的药剂加量越小。相同盐基度的不同系列样品加药量相同时，溶液的毛电位大小顺序为C>D>A>B。
PAC的经济分析表明：采用铝酸钙调整法生产的PAC产品经济指标明显优于比较的其它工业混凝剂。
综合本研究的试验结果，作者提出了基于“双水解”模型的PAC形态分布及转化的“双水解连续”模型，并应用该模型对四个系列PAC样品的形态分布进行了成功解释。该模型认为高聚物与多核聚合物之间、多核聚合物之间可以相互转化，只要条件改变，就会由一种形态转变为另外一种形态。
最后本研究认为：PAC中聚合物的形态分布非常复杂，各种形态之间存在随机相互转化的可能，在目前已有技术条件下很难对其进行完全定性或定量的鉴定，已有研究成果或结论大多数只能适用于较小的条件范围，Al<,b>或Al<,13>值的大小并不能反映工业系列样品凝效果的好坏。在加药量相同的条件下，混凝效果随盐基度或Al。的增加而提高，因此聚氯化铝工业生产的质量控制应以尽可能提高产品的盐基度或Al<,c>为目标，而不是．Al<,b>、Al<,13>含量最大。