总铝浓度对聚合氯化铝中Al形态分布的影响

吕建晓,崔英

（河南科技学院,河南新乡453003）

总铝浓度对聚合氯化铝中Al形态分布的影响

吕建晓,崔英

（河南科技学院,河南新乡453003）

通过微量加碱法制备了具有不同总铝浓度、相同碱化度的聚合氯化铝（PAC）溶液.然后通过Al-Ferron逐时络合比色法以及废水混凝实验,分析了不同条件下制备的PAC样品中各种铝形态的含量及混凝效果.结果表明：高的总铝浓度有利于聚合度较高的铝形态的形成,但过高会导致不溶性氢氧化铝沉淀的含量过高,从而影响其混凝效果.常温条件下,碱化度为2.5时,总铝浓度为0.5 mol/L条件下制备的的PAC溶液混凝效果最好.

聚合氯化铝；Al形态分布；总铝浓度

混凝是水处理中应用非常广泛的一个操作.当前,聚合氯化铝（PAC）是一种占据相当大市场份额的主流混凝剂,其具有投药量低、适应性高、电中和能力强、形成絮体密度大、絮体生长快、产污泥量少等特点[1-4].而这些特点与PAC中所含的高荷电的羟基聚合铝阳离子密切相关.铝的水解反应及水解聚合铝形态研究,一直是分析、材料、环境等众多领域研究的热点.

铝水解聚合反应过程及其形态分布极其复杂,涉及制备途径、反应条件和溶液化学组成等诸多方面,因此对水解聚合铝形态分布产生影响的因素就包括总铝浓度、碱化度、反应温度、反应时间、碱化剂种类以及加碱方式和碱化速率等[5-9].

本研究采用Al-Ferron逐时络合比色法以及废水混凝实验,对不同总铝浓度条件下制备的具有相同碱化度的PAC样品中各种铝形态的分布以及混凝效果进行研究,探讨总铝浓度对PAC中铝形态分布的影响.

1 实验部分

1.1 仪器与药品

TU-1901双光束紫外—可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；ACCULAB电子分析天平（德国赛多利斯集团）；XK78-1磁力搅拌器（姜堰市新康医疗器械有限公司）.

KAl（SO4）2·12H2O,AlCl3·6H2O,8-羟基-7-碘-5-喹啉磺酸,NaOH,HCl等,均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水.

1.2 PAC样品的制备

向锥形瓶中放入一定量的AlCl3水溶液,边快速搅拌边向瓶中滴加NaOH溶液,每滴加一滴后,当溶液中的絮状物溶解后,再滴加另一滴,样品达到预定碱化度（B=2.5）后,停止滴加NaOH,继续搅拌1 h,然后在室温下熟化24 h,从而制得总铝浓度（AlT）分别为0.2、0.5和0.75 mol/L的PAC样品.

1.3 Al形态分析

采用Al-Ferron逐时络合比色法.Ferron试剂俗称试铁灵,即8-羟基-7-碘-5-哇啉磺酸.在水溶液中,Al（Ⅲ）的单核羟基化台物以及各种共聚物可与Ferron试剂进行反应,改变溶液颜色的深度.共聚物的聚合度与形态不同,反应速率也不同,因而可根据溶液颜色改变的速率来区分不同的形态分布[10].1min内参与反应的为Ala,即Al单体部分；1～120 min内参与反应的为Alb,即聚合态的铝物种,其中1～60 min内反应的记作Alb1,聚合度较小,而60～120 min内反应的记作Alb2,为聚合度较高的Al形态；120 min内不能参与反应的记作Alc,主要指不溶性的Al（OH）3.

1.4 废水混凝实验

以1 g/L的高岭土悬浊液作为模拟废水,取200 mL在快速搅拌下分别加入相同含铝量的各种PAC样品,然后慢速搅拌20 min,静置沉降后,以相同投加量条件下的除浊率为指标,比较不同PAC样品的混凝效果.

2 结果与讨论

2.1 总铝浓度对Al形态分布的影响

图1为25℃条件下,PAC溶液中各形态摩尔百分比随总铝浓度AlT的变化情况.

图1 几种混凝剂中不同Al形态摩尔百分比的对比Fig.1 Comparison of the molar percent of various Al-species in the several flocculants

由图1可知,当碱化度及制备温度一定时,总铝浓度AlT对PAC中含各形态的量有很大影响.PAC样品中单体态的含Ala量远低于AlCl3溶液,且随AlT的增加而略有减少；但不溶性含Alc的量在PAC样品中要高于AlCl3溶液中,且随着AlT的增加而有所增加.

对于聚合态的Alb,PAC样品中的含量均高于AlCl3溶液,且随AlT的增加也略有减少,但1～60 min内与Ferron反应的低聚体Alb1随AlT的增加减少比较明显,而60～120 min内与Ferron反应的高聚体Alb2随AlT的增加则略有增加.

陈朝阳等[11]曾通过27Al-NMR法研究发现,PAC溶液中Al13的含量随总铝浓度AlT的增加而减少,而含Al30的量则随总铝浓度AlT的增加而增加,Al13与Al30之和随AlT的增加而略有减少,若将Al13和Al30分别与Alb1和Alb2对应起来,这与本研究所得结论基本一致.

2.2 混凝效果比较

图2为几种混凝剂对高岭土悬浊液的除浊效果.

图2 几种混凝剂对高岭土悬浊液的除浊效果比较Fig.2 Comparison of turbidity removal efficiency to Kaolin suspension of the several flocculants

由图2可以看出,几种PAC的混凝效果均明显好于AlCl3,这与前述实验结论一致.由于Alb是PAC中起主要混凝作用的物种,由图1可知,几种PAC样品中Alb的含量均远高于AlCl3,因此,几种PAC的混凝效果均明显好于AlCl3.

由图2还可以看出,3种不同总铝浓度条件下制备的具有相同碱化度的PAC溶液相比,总铝浓度为0.5 mol/L条件下制备的PAC溶液混凝效果较好.PAC2.5（AlT=0.5 mol/L）与PAC2.5（AlT=0.2 mol/L）相比,二者Alb含量相差不大,前者Alb2含量较高,而其恰是混凝效果最佳的成分[11-12]；而PAC2.5（AlT=0.5mol/L）与PAC2.5（AlT=0.75 mol/L）相比,后者Alb含量较低,而不溶性Alc含量则较高,故导致其混凝效果差于前者.

3 小结

总铝浓度对聚合氯化铝中Al形态分布有很大影响,高的总铝浓度有利于聚合度较高的铝形态的形成,但过高会导致不溶性氢氧化铝沉淀的含量过高,从而影响其混凝效果.本研究条件下,总铝浓度为0.5mol/L条件下制备的碱化度为2.5的PAC溶液混凝效果最好.

[1]李润生,李凯.聚氯化铝水解聚合形态与混凝效果研究[J].中国给水排水,2002,18（10）：45-48.

[2]章小芬.聚合氯化铝的制备及其应用[J].化工时刊,2012,26（3）：29-31.

[3]郑怀礼,陆兰英,范伟,等.聚合氯化铝的制备及在微污染水处理中的应用[J].化学研究与应用,2012,24（4）：626-629.

[4]陈桂霞,胡承志,朱灵峰,等.铝盐混凝除砷影响因素及机制研究[J].环境科学,2013,34（4）：1386-1391.

[5]栾兆坤,冯利,汤鸿霄.水解聚合铝溶液中形态分布的定量模拟研究[J].环境科学学报,1995,15（1）：39-47.

[6]王东升,汤鸿霄,栾兆坤.颗粒物悬浮体系中聚合铝凝聚絮凝形态表征（Ⅰ）：Al-Ferron法的应用研究[J].环境科学,1999,20（5）：1-5.

[7]刘敏,湛含辉,戴玉春.从铝形态转化角度分析AlCl3的混凝性能[J].环境科学研究,2009,22（10）：1224-1230.

[8]郑蓓,李涛,葛小鹏,等.不同铝聚合形态对聚合铝混凝效果的影响[J].环境科学,2010,31（8）：1813-1817.

[9]叶长青,杨玉环,石健.PAC1-Al30絮凝剂研究现状和展望[J].环境科学与技术,2011,34（6G）：148-151.

[10]王趁义,张彩华,毕树平,等.Al-Ferron逐时络合比色光度法测定聚合铝溶液中Ala,Alb和Alc三种铝形态的时间界限研究[J].光谱学与光谱分析,2005,25（2）：252-256.

[11]陈朝阳,栾兆坤,张忠国,等.总铝浓度对纳米Al13向Al30形态转化的影响[J].科学通报,2005,50（14）：1445-1449.

[12]温丽霞,赵雅芝,全燮,等.熟化对PAC样品聚合形态及絮凝效果的影响[J].环境科学学报,2008,28（5）：906-909.

（责任编辑：卢奇）

Influence of total aluminum concentration on Al species distribution in polyaluminum chloride

Lv Jianxiao,Cui Ying
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Polyaluminum chloride （PAC）solutions with different total aluminum concentration and the same alkalization degree were prepared through trace addition of alkali method.Al-Ferron complex timed colorimetric method and wastewater flocculation experiments were carried out to analysis the content of every Al species and flocculation effect of different PAC samples.The results showed that the higher of the total aluminum concentration, the more of the high-polymerized Al species.Yet the much higher total aluminum concentration could lead to the formation of insoluble aluminum hydroxide and thus resulted in the worsen of its flocculation effect.Under room temperature and the alkalization degree was 2.5,PAC sample with the best flocculation effect could be prepared when the total aluminum concentration was 0.5 mol/L.

polyaluminum chloride；Al species distribution；total aluminum concentration

X703.5

A

：1008-7516（2015）01-0034-03

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.008

2014-11-06

河南省教育厅科学技术研究重点项目（12B610004）

吕建晓（1979—）,女,河南南阳人,讲师,博士.主要从事水污染控制的教学与研究.