无机高分子絮凝剂是在传统的铝盐和铁盐絮凝剂的基础上发展起来的一类新型水处理。由于这类比原有传统具有适应性强,无毒,并可成倍提高效能而相对价廉等优点,因而在近几年得到了迅速的发展和广泛的应用,并已逐步发展成为水处理絮凝过程的逐流。目前在日本、俄罗斯、西欧、中国等国家或地区都已有相当规模的生产和应用。在美国,这类的研究和开发也已受到越来越多的重视。曾经提出并研究过的无机高分子絮凝剂主要有聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合磷酸铝(PAP)、聚合磷酸铁(PFP)、聚硅酸(PSI)、聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硫酸铝铁(PAFS)、聚合硅酸硫酸铝(PASS)及聚合硅酸硫酸铁(PFSS)等絮凝剂。 但目前得到广泛应用的主要是聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、聚硅酸(PSI)和聚合硅酸硫酸铝(PASS)。铝盐的凝聚、絮凝作用主要是以投入水中后产生的带适当电荷而聚合度较高的无机高分子形态进行的,它们实质上是铝盐在水解—聚合—沉淀的动力学过程中的中间产物,其化学形态属于多核羟基配合物。向原水中投加絮凝剂时,溶液中的影响因素错综复杂,诸如铝盐浓度,其他离子组成,悬浊物的性质和数量、吸附作用、温度、搅拌混合条件,反应时间等都会对生成无机高分子优形态的铝化合物产生影响和干扰,所以在水处理现场一般投加铝盐并不能经常保证达到佳的絮凝效果。可以设想,如果能够把铝盐在控制适宜的条件下预先制成优形态的产物。 然后投加到被处理的水中,可能会迅速发挥优异的絮凝作用,聚合铝絮凝剂的出现正是符合这一投想的。按照这一设想采取预制的方法制得的聚合氯化铝(PAC),不但能够更有保证地达到现场投加铝盐所能达到的优形态,而且可以制出现场投加后不能达到的更优异产物。由此可见,聚合铝的基本形态应该是多核羟基配合物形成的无机高分子。对聚合氯化铝的组成和形态进行了多年的研究,被广泛接受的化学式为[Al2(OH)nCl6-n]m,该化学式实际上是把羟基配合物Al2(OH)nCl6-n看成是高分子化合物的单体,而m为其聚合度。这种表达方式既考虑了Al数目为2的基本结构,又考虑了高分子聚合物的发展形态。近年来对PAC形态的研究取得了长足进展。 简述如下:用27AlNMR(核磁共振)对聚合氯化铝(PAC)的研究。根据对PAC样品进行测定实验后得出0.0和62.9这两个共振峰。对这两个共振峰所代表的铝离子水解聚合组分的解释,是与用其他实验方法获得的结果进行比较后得到的。一般的看法是:0.0共振峰是Al(H2O)63+及其他单核羟基配离子的特征峰;62.9共振峰是由多核组分Al13O4(OH)24(H2O)127+(简写为Al13)引起的。该组分由12个铝氯八面体(AlO6)围绕着1个铝氯四面体(AlO4)形成,成为一个近似球状的笼状结构(Keggin)原子团。实质上62.9共振峰是由Al13中的AlO4产生的,12个AlO6能产生共振峰。 其位置在0.0附件,因峰过于扁平而不能看出。Al13笼式结构的聚集模板在电镜下显示出的形貌像是向四面发散的树枝。多年来在絮凝化学领域中的重要进展当属对上述羟基聚未来十三铝的研究。羟基聚十三铝是碱化水解铝溶液中重要的组分,它有较高的分子量和正电荷,成为聚合氯化铝中有效的成分。聚合氯化铝作为无机高分子絮凝剂的主要品种,其发展的方向应是尽量提高聚十三铝在其制品中的主导成分地位。但是Al13的生成条件却一直是争论焦点。近年提出Al13生成需有前驱物(precursor)的论点得到较多赞同。由于Al13的笼状结构(Keggin)的核心是AlO4四面体配位,不符合其沉淀物以八面体配位的热力学规律,从而经实验研究。
聚合氯化铝(PolyaluminiumChloride)简称PAC。通常也称作碱式氯化铝或混凝剂等,它是介于ALCL3和AL(OH)3之间的一种水溶性无机高分子聚合物,化学试[AL2(OH)NCL6-NLm]其中m代表聚合程度,n表示PAC产品的中性程度。颜色呈黄色或淡黄色、深褐色、深灰色树脂状固体。该产品有较强的架桥吸咐性能,在水解过程中,伴随发生凝聚,吸附和沉淀等物理化学过程。聚合氯化铝对水中胶体和颗粒物具有高度电中和及桥联作用,并可强力去除微有毒物及重金属离子,性状稳定。检验方法:按国际GB-2003标准检验。又称碱式氯化铝,聚合氯化铝简称为PAC,又称聚氯化铝、复合聚合氯化铝、碱式氯化铝。
聚合氯化铝铁是高效无机絮凝剂,不仅具有铝盐和铁盐混凝剂的优点,还具有沉降速度快、形成絮状物体积大、适应pH值范围广等特点,且排水色度好于氯化铁,除浊效果和絮状物沉降性能优于聚铝采用羟基化聚合法制备了聚合氯化铝铁,并以其为絮凝剂用于净化黄河水之优点。浊度去除率在PAFC用量为6mg/L时出现大值,去除率达到9914%,尔后浊度去除率随PAFC用量的增加而下降,在用量为50mg时达到低,然后略有提高。这是因为当PAFC加入量小于6mg/L时,絮凝剂不能与黄河水中微粒充分接触,仍有部分未被絮凝,导致絮凝效果较差;同时,当PAFC加入量大于10mg/L后,由于铝铁离子带有大量的正电荷,从而使颗粒表面也带有正电荷。 使得颗粒相互碰撞变难,絮体间的架桥作用所必需的粒子表面吸附活性点被絮凝剂所包裹,吸附架桥作用变得困难,不易凝聚,因而絮凝效果变差。本工作PAFC加入量以6mg/L为佳。随着黄河水pH值的升高,浊度去除率逐渐增加,pH值为6时去除率达到9913%,当pH值增加至8后,去除率呈下降趋势。这说明pH值为6~8时,去除效果较好,表明PAFC有较宽的pH值使用范围。这主要是因为黄河水pH值影响到絮凝剂的水解过程以及终的水解形态。在pH值小于6时,PAFC水解生成的高价正电多核络离子占优势,后者对黄河水中微粒表有吸附脱稳作用,所以絮凝去浊效果不好。在pH值为6~8时,主要是PAFC水解生成的低电荷正电多核络离子或金属氢氧化物凝胶对脱稳的微粒产生黏接架桥絮凝和卷扫沉淀作用。
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