聚合氯化鋁鈣的合成與應(yīng)用
聚合氯化鋁是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的絮凝劑之一[1-5]。在混凝過程中使用聚合氯化鋁作為混凝劑，混凝效果雖然很好，但在后續(xù)的污泥處理過程中由于污泥中存在氫氧化鋁，其脫水性不是很好。有關(guān)研究表明，鈣離子具有良好的脫水性能，因而在聚合氯化鋁中引進(jìn)鈣離子，研制一種新型高效的無機(jī)高分子絮凝劑，增強(qiáng)混凝效果和污泥脫水性能具有重要的意義。本工作以氧化鋁和碳酸鈣為原料制備了新型的無機(jī)高效水處理劑聚合氯化鋁鈣，對合成條件進(jìn)行了研究，確定了最佳的工藝參數(shù)。
l 實(shí)驗(yàn)部分
1．1 試劑和儀器
試劑：氧化鋁，碳酸鈣，鹽酸，皆為工業(yè)純。
儀器：馬弗爐，沈陽電爐廠；坩堝，沈陽陶瓷廠；加熱套，河北省黃驊市新興電器廠；電磁攪拌器，江蘇金壇榮華儀器制造有限公司；JJ一1精密定時(shí)電動
攪拌器；三口燒瓶(500 mL)和冷凝管，沈陽玻璃儀器廠；污泥比阻測定儀。自制。
1．2 反應(yīng)原理
氧化鋁和碳酸鈣于高溫條件下反應(yīng)生成的鋁酸鈣在鹽酸中溶解后，在一定pH條件下聚合生成聚合氯化鋁鈣，干燥后得到固體產(chǎn)品，主要反應(yīng)為：
1．3 合成工藝
聚合氯化鋁鈣的合成工藝如圖1所示。取一定量的氧化鋁和碳酸鈣混合勻，放入坩堝中，置馬弗爐中高溫下焙燒一定時(shí)間，冷卻，研磨后放入三口燒瓶中，加入酸，在加熱條件下使其溶解，冷卻后，過濾，再聚合、烘干，最后得到產(chǎn)品。
1．4 產(chǎn)品分析方法
產(chǎn)品主要性能參照工業(yè)聚合氯化鋁的性能指標(biāo)，產(chǎn)品中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用EDTA絡(luò)合滴定法測定，鹽基度用氫氧化鈉溶液滴定[7-8]。
2 結(jié)果與討論
2．1 焙燒溫度對聚合氯化鋁鈣性能的影響
將12 g氧化鋁與8 g碳酸鈣混合均勻，于馬弗爐中在不同高溫條件下焙燒數(shù)小時(shí)后，得到鋁酸鈣。
將所得鋁酸鈣碾成粉末，稱取10 g，加入70 mL鹽酸，沸騰蒸餾數(shù)小時(shí)，經(jīng)冷卻后過濾，結(jié)晶得到聚合氯化鋁鈣固體產(chǎn)品。取一定量的固體產(chǎn)品溶解后測定氧化鋁含量、鈣含量、鹽基度。結(jié)果見圖2。
由圖2可見，氧化鋁含量隨焙燒溫度的增加而增大；鈣含量隨焙燒溫度的增加而減；鹽基度在初始階段隨焙燒溫度的增加而增大，但超過1 200℃ 以后變化不大。而且在高溫條件下消耗較多的能量，對設(shè)備的要求高，因而確定適宜的焙燒溫度為1 200℃ 。
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2．2 鹽酸加入量對聚合氯化鋁鈣性能的影響
固定焙燒溫度1 200℃ ，其它條件同第2．1節(jié)，考察鹽酸加入量對產(chǎn)品性能的影響，結(jié)果見圖3。
由圖3可見，隨鹽酸加入量的增加，氧化鋁含量隨之增大，當(dāng)鹽酸加入量為70 mL時(shí)氧化鋁含量達(dá)到最大值，鹽酸加入量再增加時(shí)，氧化鋁含量減小。
隨鹽酸加入量的增加，鹽基度先增加，然后逐漸減小。綜合考慮，確定適宜的鹽酸加入量為70 mL。
2．3 酸溶時(shí)間對聚合氯化鋁鈣性能的影響
固定鹽酸加入量70 mL，其它條件同第2．2節(jié)，考察酸溶時(shí)間對產(chǎn)品性能的影響，結(jié)果見圖4。
由圖4可以看出，隨著酸溶時(shí)間的延長，氧化鋁含量增加，但增加速度緩慢，最后氧化鋁的含量基本穩(wěn)定。鹽基度在開始一段時(shí)間內(nèi)增加，但反應(yīng)3h時(shí)，聚合氯化鋁鈣已經(jīng)聚合到一定程度，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間再延長時(shí)鹽基度不再增加，反而減小。酸溶適宜的時(shí)間為3 h。
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2．4 反應(yīng)物配比對產(chǎn)品性能的影響
將氧化鋁與碳酸鈣按不同的質(zhì)量比混合均勻，其它條件同第2．3節(jié)，考察反應(yīng)物配比對產(chǎn)品性能的影響，結(jié)果見圖5。
由圖5可見，隨著氧化鋁加入量的增加，產(chǎn)品中氧化鋁的含量也隨之增加，但增加幅度不是很大。因?yàn)榧尤氲难趸X多了，所以酸溶時(shí)溶出的Al”就隨之增多。隨著氧化鋁加入量的增加，鹽基度先增大后減小，在氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% 時(shí)有最大的鹽基度；當(dāng)氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大時(shí)，鹽基度反而減小。因此，確定氧化鋁與碳酸鈣適宜的配比為3：2(質(zhì)量比)。
2．5 與工業(yè)聚合氯化鋁混凝性能的對比
以某鋼鐵廠的煤氣洗滌水為研究對象，以工業(yè)聚合氯化鋁和自制的聚合氯化鋁鈣為混凝劑做對比實(shí)驗(yàn)。取300 mL水樣，分別投加相同濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)、不同量的聚合氯化鋁鈣和工業(yè)聚合氯化鋁，攪拌，再加等量的聚丙烯酰胺(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．1%)0．15 mL，攪拌，靜止沉降15 min后，用重量法測定處理后水樣上清液中懸浮物的含量，結(jié)果見表1。
由表1可見，在混凝劑加入量相同的條件下，用合成的聚合氯化鋁鈣比用工業(yè)聚合氯化鋁處理鋼鐵廠的煤氣洗滌水的效果要好，懸浮物的去除率高。通過測定可知，用工業(yè)聚合氯化鋁作為混凝劑的污泥比阻為4．1×10 m/kg，用合成的聚合氯化鋁鈣作為混凝劑的污泥比阻為6．I×10?m/kg，聚合氯化鋁鈣作為混凝劑的污泥的脫水性能優(yōu)于工業(yè)聚合氯化鋁。
3 結(jié)論
a)提高反應(yīng)溫度有利于聚合氯化鋁鈣產(chǎn)品的生成，溫度越高，產(chǎn)品的性能越好，確定焙燒溫度為1 200 oc。
b)反應(yīng)物中氧化鋁與碳酸鈣的質(zhì)量比為3：2、酸溶時(shí)間為3 h、在10 g鋁酸鈣粉末中鹽酸的加入量為70 mL時(shí)，產(chǎn)品的性能最好。
C)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證明，在相同的加藥量時(shí)，合成的聚合氯化鋁鈣的混凝性能優(yōu)于工業(yè)聚合氯化鋁；其污泥脫水性能比工業(yè)聚合氯化鋁好。
參考文獻(xiàn)
1 常青．水處理絮凝學(xué)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
2 Scriven R J．The impact of physico—chemical water treat—ment On a novel flotation/filtration process． W ater Sci Technol，1999．39(10～11)：211～215
3 劉文彬．液體聚合氯化鋁使用條件初探．工業(yè)水處理，1998，18(2)：11～14
4 湯鴻宵，欒兆坤．聚合氯化鋁與傳統(tǒng)混凝劑的凝聚一絮凝行為差異．環(huán)境化學(xué)，1997，16(6)：497～505
5 湯鴻宵．無機(jī)高分子絮凝劑的基礎(chǔ)研究．環(huán)境化學(xué)，1990，9(3)：1～3
6 蘇永渤，張秀娟．石灰在煤泥水混凝中的作用機(jī)理．東北大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，19(2)：215～217
7 GB15892-1995，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)
8 武漢大學(xué)．分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)．北京：高等教育出版社，2002
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