摘要：聚合氯化鋁是目前較廣泛使用的混凝劑，它具有用量少、污泥少、除濁高，對出水pH影響小等優點。通過對不同生產工藝取得的商品聚合氯化鋁和其它無機混凝劑的性能比較，并結合混凝實驗，發現以鋁礬土和鋁酸鈣為原料生產的聚合氯化鋁對實驗配置的混凝效果較好。
聚合氯化鋁（polyaluminum chloride，PAC）是一種無機高分子含不同量羥基的多核混凝劑，其通用分子式為[Alm(OH)n(H2O)x]Cl3m-n（n≤3m），自20世紀90年代以來，因其效能優異，已廣泛應用于污水和廢水處理。我國廣泛采用含鋁礦石酸溶法、鋁酸鈣酸溶法、氫氧化鋁和鋁酸鈣兩步法等多種生產工藝，使聚合氯化鋁成為水處理中使用較廣泛的無機混凝劑。我國采用了特色的工藝路線和生產體系，2010年聚合氯化鋁的產量達到了300萬t，基本滿足了全國用水和廢水處理的發展需求，同時每年出口聚合氯化鋁數萬t。
聚合氯化鋁，一般是指Al3+到Al(OH)3之間的一系列準穩態物質，即二鋁到氫氧化鋁之間的羥基絡合物，其中可能出現共享羥基絡合物或共享氧基配位的結構特征。當鋁鹽溶液缺乏酸時，即形成堿式鹽的情況，可形成一種更為復雜的體系，即多種多核聚合體。聚合氯化鋁的生產就是控制鋁、OH-、Cl-的比例和水解、聚合條件，生產出一系列的電荷中和能力、吸附架橋性能符合特定要求的鋁鹽混凝劑。在PAC生產過程中，H2O也參與了反應，提供了OH-。在穩定熟化后，pH值會有微小的下降。
1、聚合氯化鋁的主要制備方法
聚合氯化鋁的制備方法有很多，不同的制備方法所生產的聚合氯化鋁在產品的性能指標上也有所區別，目前應用較多的有結晶氫氧化鋁為原料的生產方法、以含鋁礦石為原料焙燒的生產方法以及以鋁土礦、粘土礦為原料的制備方法等。
1.1 含鋁礦石生產法
我國生產PAC的天然礦石主要有高嶺土、鋁土礦、高鋁粘土等，其中鋁以低活性的α-Al2O3形式存在，它與鹽酸反應活性很低，即使用高濃度的鹽酸溶解，鋁的溶出率也很低，需要經過焙燒或加壓等方式使礦物脫水相變為活性相對較強的γ-Al2O3，從而使氧化鋁活化，即易于和鹽酸反應，使鋁溶出。含鋁礦石生產法的傳統制備工藝：在高溫條件下，將鋁礦、粘土礦等焙燒，使惰性的Al2O3水合物轉變成活性的γ-Al2O3，從而提高Al2O3在酸中的反應率。
1.2 以鋁土礦原料的制造方法
目前國內普遍采用鋁礬土與鋁酸鈣兩步法生產聚氯化鋁。山東、河南、江蘇等地的大型企業都是采用這種工藝。產品的鹽基度為60%-90%，氧化鋁含量為25%-31%。兩步酸溶法可以采用常壓溶出法，也可以采用加壓溶出法；前者溶解時間長，溶出率低，但是可以大批量生產，例如一批生產50-100t；后者溶解時間短，溶出率高，但是一般采用10m3的反應釜，產量不及前者。
本研究以濁度的去除率為指標，分別對不同的生產工藝所制備的幾種聚合氯化鋁產品進行混凝性能的比較分析，同時并分析了聚合氯化鋁不同投加量以及水質pH值的變化因素，評價了各混凝劑的產品性能。
2、實驗內容及方法
2.1 儀器和試劑
儀器：ZR4型六聯電動攪拌器，2100P型濁度儀，PHS-3CpH計等。
藥劑：本試驗選取的幾種聚合氯化鋁（PAC）分別為河南生產高純PAC（以氫氧化鋁和鹽酸為原料，鹽基度50%，記為PAC高純）、江陰生產PAC（以鋁灰和鹽酸為原料，鹽基度60%，記為PAC鋁灰）、宜凈生產PAC（鋁釩土和鋁酸鈣兩部法生產工藝合成，記為PAC鋁礬土）、上海生產PAC（增強聚合氯化鋁，原料為鋁礬土、鋁酸鈣兩部法生產工藝，添加少量聚合物增強劑，記為PAC增強）、山東淄博PAC（原料為氫氧化鋁，記為PAC氫氧化鋁），含高鐵的聚合氯化鋁PACSDD和PACCFⅡ。
各種混凝劑以稀釋為1%的溶液投加，投藥量以Al2O3計。
2.2 操作方法
在一組燒杯中加入1000mL水樣后置于六聯電動攪拌器中。當攪拌儀轉速達到300r/min時，同步加入混凝劑。根據不同的操作條件改變攪拌的轉速和反應時間，充分反應后靜置沉淀30min于液面下約2cm處取上清液測定其濁度、溫度、堿度，并觀察記錄絮體形成時間。
3、結果和討論
3.1 不同的聚合氯化鋁（PAC）去除濁度的效果
在原水中分別加入1%的聚合氯化鋁（PAC）20、40、60、80mg/L，在300r/min、50r/min情況下分別攪拌1min、10min，靜止沉淀30min后取出上清液進行濁度分析。其中實驗原水為景觀湖泊水，濁度為3.74NTU。
由圖1所示，各種聚合氯化鋁混凝劑的剩余濁度均隨著使用量的增加而下降，而以氫氧化鋁為原料制備的PAC氫氧化鋁和PAC高純的混凝效果要明顯低于其它各藥劑。以鋁礬土和鋁酸鈣為原料生產的宜豐生產PAC鋁礬土、上海生產PAC增強，當各自投藥量為60mg/L時，剩余濁度＜0.75NTU，之后剩余濁度曲線逐漸平穩。以鋁灰為原料制備的PAC鋁灰的混凝效果介于上述幾種混凝劑之間。一般認為，在一定pH和溫度下處理同一水體，在氧化鋁投加量保持一致的情況下，混凝效果主要與鹽基度有關，而且是隨著鹽基度的提高，混凝效果提高。可見相對而言以鋁礬土和鋁酸鈣為原料生產的聚合氯化鋁的鹽基度更高，對于配置水的混凝性能更好。另外對于工業生產而言，若采用同一生產工藝，PAC產品的鹽基度越高，所需原材料的消耗越少，成本越低。因此提高聚合氯化鋁產品的鹽基度對降低生產成本和提高產品效果都很有利。
3.2 聚合氯化鋁（PAC）對于處理不同水質低溫低濁水的效果比較
針對三種不同地區（Ng'ethu、Sasumu和Kabete）的原水，分別加入1%的含高鐵的聚合氯化鋁樣品（PACSDD、PACCFⅡ和硫酸鋁）10、12、14、18和20mg/L，在300r/min、50r/min情況下分別攪拌1min、10min，靜止沉淀30min后取出上清液進行濁度分析。其中Ng'ethu、Sasumua和Kabete地區的原水濁度分別15.46NTU、17.21NTU和6.69NTU。混凝實驗后的剩余濁度變化如下圖2至圖4所示，其余的參數如表1。
由圖2至圖4所示，含高鐵的混凝劑PACSDD和PACCFⅡ對三種地區的原水的較佳投藥量在16-18mg，混凝效果基本相當，均優于硫酸鋁，其中Ng'ethu地區原水的濁度去除率可達到97%以上。而PACSDD的絮體形成時間較快，PACCFⅡ次之，硫酸鋁的形成時間較長。其原因是硫酸鋁的水解時間較長，較之其他藥劑無法在短時間內發揮混凝的作用。快速攪拌使混凝劑快速地均布于水中，有助于原水中膠體顆粒外部雙電層的有效壓縮，降低zeta電位，使顆粒脫穩。慢速攪拌促使水中較大顆粒之間的碰撞和接觸，有利于絮體的成長。
從實驗數據可見，含高鐵的聚合氯化鋁PACSDD反應迅速、充分，具有良好的處理低溫低濁水的能力。
表1 投藥量和混凝實驗后的其他實驗參數
| 地區 | 投藥量/（mg/L） | 溫度/℃ | 剩余濁度/（NTU） | pH值 | 堿度/（mg/L） | 絮體形成時間/（min） | ||||
| PACSDD | PACCFⅡ | 硫酸鋁 | PACSDD | PACCFⅡ | 硫酸鋁 | |||||
| Ng'ethu | 16/16/16 | 19/20/18 | 0.42 | 0.36 | 1.87 | 6.5 | 18.0 | 1 | 3 | 3 |
| Sasumua | 16/18/18 | 16/16/15 | 0.39 | 2.32 | 3.51 | 6.5 | 17.0 | 1 | 3 | 4 |
| Kabete | 16/16/18 | 20/20/19 | 0.79 | 0.78 | 1.02 | 6.5 | 19.3 | 1 | 3 | 3 |
4、結論
本研究分別比較了幾種以不同原料、工藝生產的聚合氯化鋁混凝劑，并針對幾種不同水質的原水進行混凝試驗，對混凝劑的投藥量、絮體形成時間等因素的影響進行了探討，取得如下結論：
（1）以鋁礬土，鋁酸鈣為原料生產的PAC產品顯示出比其它工藝生產的PAC產品更好的混凝性能。
（2）含高鐵的聚合氯化鋁PACSDD對低溫低濁水具有良好的混凝效果，絮體形成時間快，反應后剩余濁度低。
（3）隨著混凝劑投加量增加，除濁效果提高，但如果投加量超過一定的含量，提高的幅度不明顯。因此，在混凝實驗中，選擇合適的投加量是非常重要的。
（4）在中性條件，即pH范圍為6-8條件下，PAC的混凝效果較佳。
