摘要：從理論上分析了用氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈉和鋁酸鈉提高聚合氯化鋁鹽基度的可行性，同時對各種方法的利弊進行了對比分析。對應用鋁屑提高聚合氯化鋁鹽基度的方法進行了理論分析，不僅增加了聚合氯化鋁的有效成份含量，同時給出了各物料間的定量關系，完全可以指導生產。
1、簡介
無機高分子聚合氯化鋁與傳統鋁鹽和鐵鹽混凝劑相比，具有投藥量小、絮凝體形成速度快、顆粒密實、沉降速度快等特點，廣泛應用于工業用水、飲用水及污水處理方面，取得了良好的經濟效益和社會效益。
聚合氯化鋁可以看作是氯化鋁水解反應的中間體，是由水合鋁離子在不同的pH值條件下，通過羥基和氧原子的架橋作用形成的具有一定聚合度的聚合鋁離子，其聚合度和分子量尚不能測定，通常以鹽基度或堿化度B（B為聚合鋁中羥基與3倍鋁離子的摩爾比值）衡量。一般來說聚合鋁的鹽基度應控制在適當的范圍內，以使絮凝效果達到較優，又使工業化生產成為可能。
隨B值不斷增加，聚合鋁中聚合鋁離子Al13(OH)327+ 、Al10(OH)223+的Al13O4(OH)247+等含量不斷增多。聚合鋁離子具有較強的架橋絮凝能力，尤其是處理低溫、低濁度水時效果很明顯；如果B值高于75%，則聚合鋁離子很容易發生水解形成不溶性氫氧化鋁沉淀，失出絮凝作用。因此生產中將聚合氯化鋁的鹽基度控制在45%-65%范圍內比較合適。
根據不同的含鋁原料有不同的聚合氯化鋁生產工藝。主要有鋁礬土和煤矸石分步酸溶法、鋁灰酸溶法以及氫氧化鋁加壓酸溶法等。鋁灰酸溶法，一次酸溶就可制成鹽基度高于60%的產品，但由于工業鋁灰中雜質太多，在飲用水處理中應用受到限制。利用鋁礬土和煤殲石生產時，由于這些原料中Al2O3的溶出困難，即使加壓溶解，Al2O3的含量也不高，一次酸溶法聚合鋁鹽基度僅在20%-40%，很難達到40%以上。
2、調整鹽基度的方法
為了提高產品中聚合鋁離子的羥基含量或者說提高鹽基度，目前多采用氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰等進行調整，使低鹽基度產品酸性降低，加羥基橋聯提高鹽基度。例如可將聚合鋁的鹽基度由33%提高到50%，方程式如下：
Al2(OH)2Cl4+NaOH→Al2(OH)3Cl3+NaCl（1）
2Al2(OH)2Cl4+Na2CO3+H2O→2Al2(OH)3Cl3+2NaCl+CO2（2）
2Al2(OH)2Cl4+Ca(OH)2→Al2(OH)3Cl3+CaCl2（3）
上述三種物質都可以用來提高鹽基度，聚合鋁與氫氧化鈉、碳酸鈉、石灰水反應的摩爾比分別為1：1，1：0.5，1：0.5，堿的化合價越高，分子量越小，提高相同值的鹽基度時所用的堿量就越小，另外生成的副產物氯化鈉或氯化鈣無法與聚合氯化鋁分離。它們不僅會降低聚合物中的有效成分，還會增加固體產品的吸濕性和后處理的難度。因此在調整鹽基度時要求加入的堿應盡可能含較多的氫氧根，同時引入的副產物盡量少，保證不會引起聚合氯化鋁性能的變化。
鋁酸鈉是一種含鋁的弱堿，也可以用來調整聚合氯化鋁的鹽基度：
2.5Al2(OH)2Cl4+NaAl(OH)4→3Al2(OH)3Cl3+NaCl（4）
由上述反應可知，利用鋁酸鈉調整可將聚合氯化鋁的產量提高16.7%，而副產物氯化鈉的量僅是氫氧化鈉和碳酸鈉的40%。因此用鋁酸鈉調整鹽基度是比較理想的。
低鹽基度聚合氯化鋁溶液仍是一種酸性比較強的液體，它可以與鋁屑發生作用，生成氫氣和高鹽基度聚合氯化鋁，反應方程式如下：
Al2(OH)nCl5-n+2mAl+6mH2O→A2+2m(OH)n+6mCl5-n+3mH2↑（5）
調整后的鹽基度為B
B=(n+6m)/3(2+2m)×100%（6）
利用鋁屑可以將鹽基度調整到75%，同時不會將任何副產物引入產品，既可以提高鹽基度，也可以增加氧化鋁含量。在采用此法時，需要妥善處理好氫氣的排放，以免引起爆炸。
3、物料計算與調整方法
設低鹽基度聚合氯化鋁的指標為：Al2O3為18%，鹽基度B為40%，根據聚合氯化鋁的分子式Al2(OH)nCl6-n可知：B=n/6×100%=40%，則n=2.4。因此分子式為Al2(OH)2.4Cl3.6，根據鹽基度定義和方程式（5），在達到要調整的鹽基度B時，物料的定量反應關系式按（6）式計算：
B=(n+6m)/3(2+2m)×100%
如果調整后鹽基度B=70%，則
B=(n+6m)/3(2+2m)×100%=70%
n=2.4，B=70%，解出m=1
因此，以鹽基度40%的聚合氯化鋁與鋁屑作用的反應方程式為：
Al2(OH)2.4Cl3.6+2Al+6H2O→Al4(OH)8.4Cl3.6+3H2↑（7）
根據方程式（7）就可計算出調整定量聚合氯化鋁鹽基度所需鋁屑的量。如設1000g低鹽基度聚合氯化鋁中含氧化鋁含量和含鋁量分別為M1和M2。
M1(Al2O3)=10000×18%=180g
M2(Al)=180×(27×2)/(27×2+16×3)×1/27=3.53mol
按式（7）所需鋁屑的量M3為：
M3=3.53/2×27×2×1=95.31g
即95.31鋁屑與上述溶液反應，就可以將鹽基度提高70%。同時，上述例題中若將鹽基度提高到60%時，解出m=0.5，需加鋁屑量M3為
M3=3.53/2×27×2×0.5=47.66g
另外利用方程式（7）還可以計算定量的聚合氯化鋁與定量鋁屑反應后產物的鹽基度。1000g上述溶液與150g鋁屑反應，根據方程式（8）可以計算B，上述溶液中含聚合氯化鋁的量為：
Al2(OH)2.4Cl3.6+2mAl+6mH2O→Al2+2m(OH)2.4+6mCl3.6+3mH2↑（8）
1000×18%×(2×27)/(2×27+3×16)/(2×27)=1.765mol
按方程式（8）反應時：
m=150/(2×27×1.765)=1.574mol
B=(2.4+6×1.574)/3(2+2×1.574)×100%=76.7%
在調整鹽基度時對于定量的聚合氯化鋁，即可以計算達到所需鹽基度時投加鋁屑的量，也可以預測加定量鋁屑后終反應產物的鹽基度。理論計算值與實際加鋁定值間誤差不超過1%，調整聚合鋁鹽基度時應加適量的水，控制終產品中三氧化二鋁的濃度不要超過20%，濃度過大容易出現混濁沉淀。
4、結論
利用鋁屑法提高聚合氯化鋁的鹽基度具有操作簡單，容易控制，鋁屑利用率高、高鹽基度產品穩定性高等特點，可以廣泛用于低鹽基度產品的性能提高。
