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水处理无机混凝剂的研究进展

时间:2021/05/12 点击:

摘要:概略评述了国内外无机混凝剂的研究进展。无机混凝剂可分为铝盐类、铁盐类、铁铝复合类、活化硅酸等,聚合氯化铝(简称PAC)是目前水处理中广泛应用的无机高分子混凝剂。无机复合类混凝剂是近来年发展十分迅速的水处理剂,聚硅酸铝盐类是其中的代表。文中对无机混凝剂今后的研究工作提出了建议,认为在无机混凝剂的研制开发中,要加强应用基础性研究,产品多样化、专门化,要降低生产成本,提高产品质量,进行优化研究。

混凝剂是一类主要用于水和废水混凝处理过程的化学药品的总称,其种类繁多,按其化学成分可分为无机与有机两大类(有机类常称为絮凝剂)。无机类的品种较少,主要是铝盐类、铁盐类、活化硅酸类、铁铝复合类等,但在水处理中的用量很大。近年来无机混凝剂发展了一些新品种,特别是复合类产品发展迅速,如硅铝或硅铁复合类等。有机类的品种较多,但用量不如无机类大,也不如无机类用的广泛。下面针对国内外无机混凝剂的发展情况作概略评述。

无机混凝剂的研究进展

1 铝系混凝剂

铝系混凝剂的主要品种为硫酸铝和聚合铝。由于硫酸铝用于水处理时存在低温、低浊,水处理效果差,用量大,产生大量的Al(OH)3沉淀污泥,处理后水中铝残留量高,需同时投加碱性物质等缺点,所以逐渐被聚合铝盐等无机高分子混凝剂所取代。

铝盐类无机高分子混凝剂主要有聚合氯化铝(简称PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚硫氯化铝(PACS)三种。近年来为了进一步提高PAC的混凝效果,胡勇有等开展了聚磷氯化铝(PPAC)的研究工作。聚合铝类混凝剂中,PAC的研究和应用较多。

PAC兼具有无机和有机混凝剂的所长,效率高低耗,低腐蚀性,适用范围宽,目前是国内外广泛使用的一种无机高分子混凝剂。国内生产PAC的厂家较多,生产工艺、原料不尽相同,产品质量参差不齐。

PAS是继PAC之后研制开发出的另一种聚合铝混凝剂,它的混凝效果和PAC差不多,混凝机理也相同,但由于PAS的贮存稳定性较差,因而其应用不如PAC广泛。

PACS是在PAC的基础上开发研制出的另外一种聚合铝混凝剂,是PAC的更新和提高。PACS的制备一般可在PAC的制备过程中加进适量的SO42-来完成,适量SO42-的加入可增加聚合铝的聚合度。目前,用SO42-增聚的聚合氯化铝的结构还未能确切证明,多数研究者认为SO42-的增聚作用是因为溶液中部分SO42-通过氢键把Al3+水解产物分子联接起来,生成了更大的聚合物;但也有学者认为SO42-的引入改变了聚合铝络合物的结构,形成了一种带更高正电荷的活性组分。和PAC相比,PACS在除油、去浊、脱除COD等方面有着更好的混凝效果。

二十多年来,对聚合铝与硫酸铝混凝性能的比较进行了大量的研究。目前的研究工作着重于借助多种现代测试手段研究聚合铝的形态,并比较聚合铝与硫酸铝在化学组成或形态分布上的不同,为解释它们在混凝作用上的不同以及混凝机理提供理论依据,为研制具有较优形态的聚合铝产物提供指导作用。

2 铁系混凝剂

铁系混凝剂主要包括三氯化铁、硫酸亚铁及聚合铁等品种。

三氯化铁和硫酸铁等无机低分子铁盐处理水时具有生成的絮体大,混凝性能受温度影响小,处理低温水或低浊水的效果比铝盐好等优点;但也存在着腐蚀性强,稳定性差,需要和碱性物质同时使用,残留于水中的铁会使处理后的水着色等缺点。因而在水处理中的应用受到了一定限制。为了克服无机低分子铁盐混凝剂的缺点,在聚合氯化铝研制的启发下,人们研制开发出了聚合铁无机高分子混凝剂。

聚合铁主要包括聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铁(PFC),最近又有聚合氯硫酸铁(PFCS)和含磷酸盐的聚合氯化铁的研究报道。

PFS于1976年在日本研制成功并投放市场,80年代投入工业性生产并应用于水处理中,欧美等国都在相继应用。我国80年代开始研制这类产品,目前国内研究和生产PFS的单位很多,并已广泛地用于水处理中。PFS产品有固、液两种,但不同厂家生产的产品质量参差不齐。PFC到目前为止还未形成工业规模生产,主要原因是高浓度铁氯聚合物易沉淀脱稳而失效。目前中科院生态环境研究中心等单位已研制出了能长期保存的高浓度PFC产品,预计贮存稳定的PFC的问世将在水处理中得到广泛的应用。就目前而言,在无机混凝剂中,聚合铝的用量大于聚合铁的用量。

近年来,在聚合铁混凝剂混凝作用的研究中,铁的形态分布及混凝形态研究受到人们的的重视,这方面研究的开展将对了解铁盐类混凝剂的混凝机理、开发新型混凝剂和提高混凝效果起促进作用。

3 铁铝复合混凝剂

随着水质越来越复杂,单一混凝剂已不能满足水处理的需要,因此,新型复合混凝剂得到了发展。近年来,人们研制开发出了铁铝复合混凝剂,并开展了铁铝复合混凝剂的混凝性能、共聚机理及形态方面的研究工作。研究结果表明,铁铝复合高分子混凝剂可克服聚合铝及聚合铁单一种类混凝剂的某些缺点,具有更好地混凝效果和更广泛的应用范围。目前聚合铁铝混凝剂已应用到水处理中。此外,含镁的铝盐混凝剂,含有铁、铝、钙、镁、硅等成分的多种离子的复合混凝剂等新品种也得到了研制开发。

4 活化硅酸及改性活化硅酸类混凝剂

活化硅酸是在三十年代后期作为混凝剂开始在水处理中得到应用的,在通常条件下组分带负电荷,对胶粒的混凝是通过吸附架桥使胶粒粘连而完成的,活化硅酸通常采用硅酸钠(水玻璃)加酸制取,由于胶凝的时间和pH值不易控制,产品不能长期贮存,需在水处理的现场制备,应用不够广泛。但由于活化硅酸具有原料来源广,成本低,无毒,制备简便,处理低温、低浊水有较好效果等特点,所以近年来国内外开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属盐(主要是铁盐和铝盐)复配来完成的,复配方法主要有两种:一种是将硅酸钠和铝酸钠分别在强剪切下加人硫酸铝溶液中来制备,这种方法西欧等国研究的较多;另一种方法是将多价金属盐引入聚硅酸中来制取,这种方法日本研究的较多。

1989年1月加拿大Handy化学品公司首先发表了新型混凝剂聚硅硫酸铝(简称PASS) 研制成功的报道。该公司于1991年春天在加拿大魁北克省的Lapraivie建厂生产PASS,年产能力为272154t,由于市场情况良好,该公司于1991年7月又将生产能力扩大一倍。目前,PASS除在加拿大生产以外,还在日本和英国分别建设了年生产2万吨的工厂。经应用发现,PASS在水处理中适用于广泛的pH值范围,作用快且效果好,并可减少水中可溶性铝盐的残留量,非常适宜处理饮用水,在低温时仍能给出良好的净水效果。PASS已经得到全美科学财团(NSF)在饮用水处理上的认可,并已被应用到北美、欧洲等国饮用水的处理中。

目前,改性活化硅酸混凝剂的研究在国内是一热点。国内在研制改性活化硅酸时基本上都是将多价金属盐引入活化硅酸中来制取聚硅酸金属混凝剂,常用的多价金属盐是铁盐和锅盐,金属与硅酸的摩尔比可随不同的使用要求而调整。笔者研制出的商品代号为JX-Ⅱ型絮凝剂,已成功的应用于油田含油污水等废水的处理中,为了改进产品质量和提高混凝效果,近来对该类混凝剂又开展了形态、物化性能及混凝机理等方面的研究工作。目前,聚硅酸金属盐混凝剂的研究与开发引起了广泛的关注。已列为我国“九五”攻关中的一项研究内容,该类混凝剂的研究将为无机混凝剂开辟另一条新途径。

纵观上述几个主要混凝剂的研究发展过程,不难看出,无机混凝剂的发展趋势是由低分子到高分子,由单一到复合型,逐步形成系列化和多样化的产品。

研究工作建议

1 品种要多样化、专门化

由于水质对混凝效果影响很大,任何一种混凝剂都有一定适用范围,全能药剂是没有的,因此应针对不同水质特点研制某方面性能突出的专用混凝剂,实现产品的多样化、系列化和专门化是很有必要的。另外,应进一步加强复合混凝剂(包括无机复合混凝剂,无机与有机复合混凝剂)的研制开发工作,以提高混凝效果,扩大应用范围。

2 改进生产工艺、降低生产成本、提高产品质量

由于生产工艺、原料来源对产品性能、价格影响很大,因此,在一个较长时间内生产工艺及生产方法的研究仍是今后的一个主要课题。另外,应积极开展废物综合利用方面的研究工作,以降低生产成本。

3 混凝剂应用的优化

混凝剂的用法、用量和混凝效果之间存在着密切关系,因而现有的混凝剂在废水处理使用中的优化仍是个值得研究的课题。在给水处理中,应研究混凝剂的剂量控制,pH调查,药品投加顺序,以及与各种助凝剂的配合使用等问题。在废水处理中,应针对不同类型的废水,研究确定混凝剂的正确使用方法,以达到优化混凝剂的目的。

4 进一步开展基础研究

混凝剂新品种的开发,生产工艺的改进及应用优化应与基础研究同时进行。基础研究包括混凝剂在水中的形态研究,混凝剂与水及废水中胶体颗粒的相互作用研究,混凝剂机理研究,混凝动力学研究等,为开发研制新型混凝剂提供理论基础。