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        水處理無機混凝劑的研究進展

        時間:2021/05/12 點擊:

        摘要:概略評述了國內外無機混凝劑的研究進展。無機混凝劑可分為鋁鹽類、鐵鹽類、鐵鋁復合類、活化硅酸等,聚合氯化鋁(簡稱PAC)是目前水處理中廣泛應用的無機高分子混凝劑。無機復合類混凝劑是近來年發展十分迅速的水處理劑,聚硅酸鋁鹽類是其中的代表。文中對無機混凝劑今后的研究工作提出了建議,認為在無機混凝劑的研制開發中,要加強應用基礎性研究,產品多樣化、專門化,要降低生產成本,提高產品質量,進行優化研究。

        混凝劑是一類主要用于水和廢水混凝處理過程的化學藥品的總稱,其種類繁多,按其化學成分可分為無機與有機兩大類(有機類常稱為絮凝劑)。無機類的品種較少,主要是鋁鹽類、鐵鹽類、活化硅酸類、鐵鋁復合類等,但在水處理中的用量很大。近年來無機混凝劑發展了一些新品種,特別是復合類產品發展迅速,如硅鋁或硅鐵復合類等。有機類的品種較多,但用量不如無機類大,也不如無機類用的廣泛。下面針對國內外無機混凝劑的發展情況作概略評述。

        無機混凝劑的研究進展

        1 鋁系混凝劑

        鋁系混凝劑的主要品種為硫酸鋁和聚合鋁。由于硫酸鋁用于水處理時存在低溫、低濁,水處理效果差,用量大,產生大量的Al(OH)3沉淀污泥,處理后水中鋁殘留量高,需同時投加堿性物質等缺點,所以逐漸被聚合鋁鹽等無機高分子混凝劑所取代。

        鋁鹽類無機高分子混凝劑主要有聚合氯化鋁(簡稱PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚硫氯化鋁(PACS)三種。近年來為了進一步提高PAC的混凝效果,胡勇有等開展了聚磷氯化鋁(PPAC)的研究工作。聚合鋁類混凝劑中,PAC的研究和應用較多。

        PAC兼具有無機和有機混凝劑的所長,效率高低耗,低腐蝕性,適用范圍寬,目前是國內外廣泛使用的一種無機高分子混凝劑。國內生產PAC的廠家較多,生產工藝、原料不盡相同,產品質量參差不齊。

        PAS是繼PAC之后研制開發出的另一種聚合鋁混凝劑,它的混凝效果和PAC差不多,混凝機理也相同,但由于PAS的貯存穩定性較差,因而其應用不如PAC廣泛。

        PACS是在PAC的基礎上開發研制出的另外一種聚合鋁混凝劑,是PAC的更新和提高。PACS的制備一般可在PAC的制備過程中加進適量的SO42-來完成,適量SO42-的加入可增加聚合鋁的聚合度。目前,用SO42-增聚的聚合氯化鋁的結構還未能確切證明,多數研究者認為SO42-的增聚作用是因為溶液中部分SO42-通過氫鍵把Al3+水解產物分子聯接起來,生成了更大的聚合物;但也有學者認為SO42-的引入改變了聚合鋁絡合物的結構,形成了一種帶更高正電荷的活性組分。和PAC相比,PACS在除油、去濁、脫除COD等方面有著更好的混凝效果。

        二十多年來,對聚合鋁與硫酸鋁混凝性能的比較進行了大量的研究。目前的研究工作著重于借助多種現代測試手段研究聚合鋁的形態,并比較聚合鋁與硫酸鋁在化學組成或形態分布上的不同,為解釋它們在混凝作用上的不同以及混凝機理提供理論依據,為研制具有較優形態的聚合鋁產物提供指導作用。

        2 鐵系混凝劑

        鐵系混凝劑主要包括三氯化鐵、硫酸亞鐵及聚合鐵等品種。

        三氯化鐵和硫酸鐵等無機低分子鐵鹽處理水時具有生成的絮體大,混凝性能受溫度影響小,處理低溫水或低濁水的效果比鋁鹽好等優點;但也存在著腐蝕性強,穩定性差,需要和堿性物質同時使用,殘留于水中的鐵會使處理后的水著色等缺點。因而在水處理中的應用受到了一定限制。為了克服無機低分子鐵鹽混凝劑的缺點,在聚合氯化鋁研制的啟發下,人們研制開發出了聚合鐵無機高分子混凝劑。

        聚合鐵主要包括聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鐵(PFC),近段又有聚合氯硫酸鐵(PFCS)和含磷酸鹽的聚合氯化鐵的研究報道。

        PFS于1976年在日本研制成功并投放市場,80年代投入工業性生產并應用于水處理中,歐美等國都在相繼應用。我國80年代開始研制這類產品,目前國內研究和生產PFS的單位很多,并已廣泛地用于水處理中。PFS產品有固、液兩種,但不同廠家生產的產品質量參差不齊。PFC到目前為止還未形成工業規模生產,主要原因是高濃度鐵氯聚合物易沉淀脫穩而失效。目前中科院環境研究院等單位已研制出了能長期保存的高濃度PFC產品,預計貯存穩定的PFC的問世將在水處理中得到廣泛的應用。就目前而言,在無機混凝劑中,聚合鋁的用量大于聚合鐵的用量。

        近年來,在聚合鐵混凝劑混凝作用的研究中,鐵的形態分布及混凝形態研究受到人們的的重視,這方面研究的開展將對了解鐵鹽類混凝劑的混凝機理、開發新型混凝劑和提高混凝效果起促進作用。

        3 鐵鋁復合混凝劑

        隨著水質越來越復雜,單一混凝劑已不能滿足水處理的需要,因此,新型復合混凝劑得到了發展。近年來,人們研制開發出了鐵鋁復合混凝劑,并開展了鐵鋁復合混凝劑的混凝性能、共聚機理及形態方面的研究工作。研究結果表明,鐵鋁復合高分子混凝劑可克服聚合鋁及聚合鐵單一種類混凝劑的某些缺點,具有更好地混凝效果和更廣泛的應用范圍。目前聚合鐵鋁混凝劑已應用到水處理中。此外,含鎂的鋁鹽混凝劑,含有鐵、鋁、鈣、鎂、硅等成分的多種離子的復合混凝劑等新品種也得到了研制開發。

        4 活化硅酸及改性活化硅酸類混凝劑

        活化硅酸是在三十年代后期作為混凝劑開始在水處理中得到應用的,在通常條件下組分帶負電荷,對膠粒的混凝是通過吸附架橋使膠粒粘連而完成的,活化硅酸通常采用硅酸鈉(水玻璃)加酸制取,由于膠凝的時間和pH值不易控制,產品不能長期貯存,需在水處理的現場制備,應用不夠廣泛。但由于活化硅酸具有原料來源廣,成本低,無毒,制備簡便,處理低溫、低濁水有較好效果等特點,所以近年來國內外開展了大量的改性活化硅酸的研制工作。

        活化硅酸的改性是利用硅酸和其它金屬鹽(主要是鐵鹽和鋁鹽)復配來完成的,復配方法主要有兩種:一種是將硅酸鈉和鋁酸鈉分別在強剪切下加人硫酸鋁溶液中來制備,這種方法西歐等國研究的較多;另一種方法是將多價金屬鹽引入聚硅酸中來制取,這種方法日本研究的較多。

        1989年1月加拿大Handy化學品公司首先發表了新型混凝劑聚硅硫酸鋁(簡稱PASS) 研制成功的報道。該公司于1991年春天在加拿大魁北克省的Lapraivie建廠生產PASS,年產能力為272154t,由于市場情況良好,該公司于1991年7月又將生產能力擴大一倍。目前,PASS除在加拿大生產以外,還在日本和英國分別建設了年生產2萬噸的工廠。經應用發現,PASS在水處理中適用于廣泛的pH值范圍,作用快且效果好,并可減少水中可溶性鋁鹽的殘留量,非常適宜處理飲用水,在低溫時仍能給出良好的凈水效果。PASS已經得到全美科學財團(NSF)在飲用水處理上的認可,并已被應用到北美、歐洲等國飲用水的處理中。

        目前,改性活化硅酸混凝劑的研究在國內是一熱點。國內在研制改性活化硅酸時基本上都是將多價金屬鹽引入活化硅酸中來制取聚硅酸金屬混凝劑,常用的多價金屬鹽是鐵鹽和鍋鹽,金屬與硅酸的摩爾比可隨不同的使用要求而調整。筆者研制出的商品代號為JX-Ⅱ型絮凝劑,已成功的應用于油田含油污水等廢水的處理中,為了改進產品質量和提高混凝效果,近來對該類混凝劑又開展了形態、物化性能及混凝機理等方面的研究工作。目前,聚硅酸金屬鹽混凝劑的研究與開發引起了廣泛的關注。已列為我國“九五”攻關中的一項研究內容,該類混凝劑的研究將為無機混凝劑開辟另一條新途徑。

        縱觀上述幾個主要混凝劑的研究發展過程,不難看出,無機混凝劑的發展趨勢是由低分子到高分子,由單一到復合型,逐步形成系列化和多樣化的產品。

        研究工作建議

        1 品種要多樣化、專門化

        由于水質對混凝效果影響很大,任何一種混凝劑都有一定適用范圍,全能藥劑是沒有的,因此應針對不同水質特點研制某方面性能突出的專用混凝劑,實現產品的多樣化、系列化和專門化是很有必要的。另外,應進一步加強復合混凝劑(包括無機復合混凝劑,無機與有機復合混凝劑)的研制開發工作,以提高混凝效果,擴大應用范圍。

        2 改進生產工藝、降低生產成本、提高產品質量

        由于生產工藝、原料來源對產品性能、價格影響很大,因此,在一個較長時間內生產工藝及生產方法的研究仍是今后的一個主要課題。另外,應積極開展廢物綜合利用方面的研究工作,以降低生產成本。

        3 混凝劑應用的優化

        混凝劑的用法、用量和混凝效果之間存在著密切關系,因而現有的混凝劑在廢水處理使用中的優化仍是個值得研究的課題。在給水處理中,應研究混凝劑的劑量控制,pH調查,藥品投加順序,以及與各種助凝劑的配合使用等問題。在廢水處理中,應針對不同類型的廢水,研究確定混凝劑的正確使用方法,以達到優化混凝劑的目的。

        4 進一步開展基礎研究

        混凝劑新品種的開發,生產工藝的改進及應用優化應與基礎研究同時進行?;A研究包括混凝劑在水中的形態研究,混凝劑與水及廢水中膠體顆粒的相互作用研究,混凝劑機理研究,混凝動力學研究等,為開發研制新型混凝劑提供理論基礎。

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