1、聚合氯化铝铁（PAFC）絮凝剂的性能研究来源：中 国 论 文 下 载 中 心 06-03-05 16:06:00 作者：董华良 编辑：studa9ngns摘要：通过对比实验研究 PAFC 配置浓度、投加方式、搅拌条件、PH 值、温度对污泥脱水效果的影响;研究结果表明: PAFC 既具有铝盐絮凝剂矾花大、水处理面宽、除浊效果好、对设备管路腐蚀性小等优点；还具有铁盐絮凝剂絮题沉降快、易于分离、低温水处理性能好、水处理 PH 值范围大。 关键词：PAFC 污水处理 PAFC 最佳配置状况 2005 年城市生活污水处理率已达到 38.5%,但这还不能满足控制生活污水中污染物质排放总量的要求,因此,还须
2、加快城市污水处理厂的建设。选取常用的铝盐、铁盐系列混凝剂,以 pH、浊度、碱度、总氮、总磷等为检测指标,试验不同混凝剂投加量、原水不同 pH 值等变化对处理效率的影响，进行研究具有迫切性。在水处理中,絮凝是一种重要而被广泛采用的工艺方法。它是通过化学机理把胶体物质和小的悬浮粒聚集成大的集合体,以提高这些集合体对溶解的各种杂质的吸收,从而有利于在随后的沉积/浮选过滤过程中排除这些物质。Kuo 和 Wamser 首先合成了复合型混凝剂聚碱式氯化铝铁(简写 PAFC),发现该聚合物具有较好的混凝效果。聚合氯化铝铁(PAFC)是一种新型，高效无机阳离子复合絮凝剂，PAFC 既具有铝盐絮凝剂矾花大、水处
3、理面宽、除浊效果好、对设备管路腐蚀性小等优点；还具有铁盐絮凝剂絮题沉降快、易于分离、低温水处理性能好、水处理 PH 值范围大等特点。目前，PAFC 已成功用于饮用水、工业用水及多种工业废水的处理。1. 絮凝剂的作用机理1.1 胶体颗粒失去稳定性的过程称为脱稳过程。脱稳即意味着液体中原来均匀分散的固体微粒结合成了较大的颗粒，从液体中沉淀下来。这种现象即称为凝聚。在凝聚的程度上可分为凝结和絮凝；聚集程度不大，甚至通过简单的搅拌可以使固体微粒重新分散的这种可逆性聚集被称为絮凝，而凝结则是在固体微粒间距离相对较小时发生的聚集，这种聚集是不可逆的，仅用简单的搅拌是不可能使固体微粒重新分散的。投加絮凝剂可
4、以加速水中胶体颗粒凝聚成大颗粒，其作用机理的解释有以下几种：a. 压缩双电层与电荷中和作用b. 高分子絮凝剂的吸附架桥作用c. 絮体的卷扫沉淀作用1.2 PAFC 的作用机理聚合氯化铝铁由廉价的氯化铝的和氯化铁共聚合而成。因此它兼具铝盐和铁盐的絮凝特性。铝盐和铁盐在水处理过程中发生水解和聚合反应过程，水中的胶体颗粒能强烈吸附水解和聚合反应过程中出现的各种产物：各种 Al3+ 和 Fe3+的化合物和多种多核羟基络离子。被吸附的带正电的多核羟基络离子能够压缩双电层，降低动电位（ 电位），同时进行着架桥作用。多核聚合物为两个以上的胶体颗粒所共同吸附，将两个或多个胶体颗粒架桥连接等。这些属于胶体颗粒的
5、聚集作用，从而逐步形成絮凝体，絮凝剂最终形成的聚合度很大的 Al(OH)3 或 Fe(OH)3 将使絮凝过程加速，絮凝体由小变大。1.3 影响絮凝剂作用效果的工艺条件无论是天然的絮凝剂,还是人工合成的絮凝剂，除了非离子型的絮凝剂以外，都是电解质。所有的电解质都具有絮凝作用，只是絮凝作用的大小各有不同而已。絮凝作用是复杂的物理和化学过程。因此，影响絮凝剂作用的因素也是复杂的和多方面的。例如，溶液的 pH 值、温度、搅拌速度、搅拌时间以及絮凝剂本身的性质、结构特点、分子量大小和用量多少，所采用的分离方法、工艺设计条件等，另外被絮凝的固体粒子的性质和直径大小及 电位大小等等，这些因素都会对絮凝效果产
6、生直接的影响，有时甚至是决定性的影响。1.4 复合无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂（Inorganic Polymer Flocculent）作为第二代无机絮凝剂，比传统凝聚剂（如硫酸铝、氯化铁等）效能更优异，比有机高分子絮凝剂（OPF）(PAM) 价格低廉等优点，成功地应用在给水、工业废水以及城市污水的各种流程（包括前处理、中间处理和深度处理）中，现已成为主流絮凝剂。复合型无机高分子絮凝剂(见表 1)是指含有铝盐、铁盐和硅酸盐等多种具有絮凝或助凝作用的物质，它们预先分别经羟基化聚合后再加以混合，或先混合再加以羟基化聚合，形成羟基化的更高聚合度的无机高分子形态，具有较单一无机高分子絮凝剂更为优
7、异的絮凝性能和对胶体颗粒的混凝沉降效果的产品。目前国内主要有以下品种，见表 1表 1 各种复合型絮凝剂类型名称简称程序配比Al+Fe+Cl聚合氯化铝铁PAFCAl+Fe+OHSi+Al+SO42-聚合硅酸硫酸铝PASSAl2(SO4)3+PSiAl+Si+Cl聚合硅酸PASCPAC+PSi;Al+Si+OHAl/Si5铝Fe+Si+Cl聚合铁硅酸PFSiCPFC+PSi;Fe+PSi+OHFe/Si1.0Si+Fe+Cl聚合硅酸铁PSiFCFe+PSi+OHFe/Si1.0Al+Fe+Si+Cl聚合硅酸铁铝PAFSiAl+Fe+PSi+OHAl+PAM聚合铝-聚丙烯酰胺PACMPAC+PAMF
8、e+PAM聚合铁-聚丙烯酰胺PFCMPFC+PAMAl+PCh聚合铝-甲壳素PAPCHPAC+PChAl+PCat聚合铝-有机阳离子PCATPAC+PCat2 实验部分2.1 主要仪器与试剂实验药品:三氯化铁、三氯化铝、氢氧化钠、重铬酸钾、试亚铁灵指示液、聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁等；实验仪器:722 型分光光度计、PHS3C 精密 pH、500 毫升全玻璃回流装置等、恒温培养箱及玻璃仪器(滴定管、烧杯等) ；2.2 COD 的测定方法（重铬酸钾法）2.2.1 原理：在强酸的溶液中，准确加入过量的重铬酸钾标准溶液，加热冷凝回流，将水样中的还原性物质氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示
9、剂，用硫酸亚铁铵回滴，根据所消耗的重铬酸钾计算水样的化学需氧量。2.2.2 标定方法：准确吸取 10.00ml 的重铬酸钾溶液于 500ml 的锥形瓶中，加水稀释至 110ml 左右，缓慢加入 30ml 浓硫酸，冷却后，加入 3 滴试亚铁灵指示剂。用硫酸亚铁铵滴定。溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。C=0.250010.00/V 试中的：C 代表硫酸亚铁铵标准溶液的浓度V 代表硫酸亚铁铵标准溶液的用量滴定测得 C=0.098mol/l2.2.3 测定步骤：取 20ml 的混合水样（或适量水样稀释至 20ml）置于 250ml 的磨口回流锥形瓶中，准确加入 10.00ml 重铬酸钾标准溶
10、液及沸石数粒，连接磨口锥形瓶，从冷凝管的上口慢慢加入 30ml 硫酸- 硫酸银溶液，轻轻摇动锥形瓶使溶液混合均匀，冷凝回流 2 小时。冷却后，用 90ml 的水冲洗冷凝管壁，取下锥形瓶，溶液的总体积不得少于 140ml，否则因酸度太大，滴定终点不明显。溶液再冷却后，加 3 滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。测定水样的同时，取 20.00ml 蒸馏水，按同样的操作步骤作空白实验，记录空白时硫酸亚铁铵的用量。COD=(V-V 0)C81000/VC :硫酸亚铁铵标准溶液的浓度（mol/l）V 0:滴定空白时硫酸亚铁铵
11、标准溶液的用量（ml）V 1:滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量（ml）V:水样的体积（ml）8:氧的摩尔质量（g/ml）2.3 浊度标准曲线的绘制：2.3.1 硅藻土的浊度标准液的配制：称取 10g 的硅藻土，于研体中加入少许蒸馏水调成糊状并研细，移至 1 000 ml 量筒中，加水至刻度。充分搅拌，静置 24 h，用虹吸法仔细将上层 800 ml 悬浮液移至第二个 1 000 ml 量筒中。向第二个量筒内加水至 1 000 ml，充分搅拌后再静置 24 h。虹吸出上层含较细颗粒的 800 ml 悬浮液，弃去。下部沉积物加水稀释至 1 000 ml。充分搅拌后贮于具塞玻璃瓶中，作为浑浊度原液
12、。取上述悬浊液 50 ml 置于已恒重的蒸发皿中，在水浴上蒸干。于 105 烘箱内烘 2 h，至干燥器中冷却 30 min，称重。重复以上操作，即，烘 1 h，冷却，称重，直至恒重。求出每毫升悬浊液中含硅藻土的重量（mg）。吸取含 250 mg 硅藻土的悬浊液，置于 1 000mL 容量瓶中，加水至刻度，摇匀。此溶液浊度为 250 度。吸取浊度为 250 度的标准液100 ml，置于 250 ml 容量瓶中，用水稀释至标线，此溶液浊度为100 度的标准液。2.3.2 浊度标准曲线的制作：取 7 个 250 ml 容量瓶，分别加入0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、
13、110、120mL 250 NTU 的浊度标准储备液，用去离子水定容后摇匀。以去离子水作参比，用 722 型分光光度计在 340 nm 波长处测定吸光度 A，所得结果见表 2。表 2 浊度标准曲线值标准储备液加入量 /ml浊度/NTU吸光度00010100.07520200.10330300.12140400.13250500.17660600.19170700.21280800.24190900.2721001000.2951101100.3491201200.408根据上表数据绘制标准曲线(见图 1)，求得标准曲线回归方程如下：浊度=吸光度 (A) 384.3941 - 13.0627 =
14、0.993007(相关系数)3. PAFC 的絮凝实验： 实验所用的生活污水来源于上海瑞威机电设备有限公司旁边的河内，原水样水质分析：取 200ml 生活污水水样，用 UV755B 型分光光度计分别于 330nm 和 340nm 处测其吸光度值，根据吸光度值计算出原水相应的指标值如表 3：表 3 原水水质情况COD （ mg/l）浊度 NULpH颜色224.0546.67.4黑褐色3.1 搅拌速度和搅拌时间对絮凝效果的影响搅拌速度和时间选择的恰当，可以加速絮凝作用，从而有利于絮凝剂发挥作用，提高絮凝效果。取 4 份 200ml 的废水样于烧杯中，先用 pHS3C 精密 pH 计调节 PH 值到
15、 8.0，再加入 0.15g/200ml PAFC 絮凝剂，用 78-1 型磁力加热搅拌器搅拌。第一个烧杯以 50r/min 转速搅拌 2min，第二个烧杯以 100r/min 转速搅拌 2min，第三个烧杯以 150r/min 转速搅拌2min，第四个烧杯以 200r/min 转速搅拌 2min,均静置沉降 20min 后取其上清液，测其浊度、pH 值、COD 值。结果如表 4 所示表 4 搅拌时间为 2min 时相应的指标值搅拌强度（r/min）浊度 浊度去除率（% ）CODCOD 去除率（% ）50 73.4 86.56 42.081.25100 45.7 91.65 48.078.57
16、150 26.8 95.10 36.089.93200 87.5 84.00 64.071.43表 5 搅拌时间对 PAFC 絮凝效果的影响搅拌时间（min）浊度浊度去除率（%）COD COD 去除率（ %）1 72.3 86.77 42.0 81.252 26.8 95.10 38.0 89.043 44.9 91.79 44.0 80.364 85.5 84.37 62.0 72.32图 3 搅拌时间浊度、COD 去除率曲线图实验结果表明最佳搅拌时间和最佳搅拌强度分别为 2min，转速为 150r/min，此时 PAFC 絮凝剂的絮凝效果的各项指标值：浊度去除率达 95.10%，COD 去
17、除率达 89.93%。如果搅拌时间过长，搅拌速度过快，则会将能够沉降的颗粒被搅碎后变成不沉降颗粒，从而降低絮凝效果；如果时间过短，速度过慢，则会使絮凝剂和固体颗粒不能充分的接触，从而不利于絮凝剂捕集胶体颗粒，而且絮凝剂的浓度也分布不均匀，不利于发挥絮凝作用。3.2 PAFC 投加量对絮凝效果的影响实验所用的水样为生活污水，取五份 200ml 水样分别放置在500ml 烧杯中加入一定量的聚合氯化铝铁，氯化铝铁的投加量分别为 0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.25g、0.30g，后先用搅拌机快搅2min(搅拌速度为 150r/min),再慢搅 5min（搅拌速度为 75r/min
18、），静置沉降 20min 后取上清液用 UV755B 型分光光度计分别在 330nm和 340nm 波长处测定吸光度值，由公式计算出相应的浊度和色度以及 COD 值和它门对应的去除率，由此确定最佳投加量。表 6 PAFC 投加量对絮凝效果的影响投药后的水质 PAFC 投加量(mg/l) CODcr 浊度浊度去除率(%)COD 去除率(%)25040.072.786.7182.1450064.0163.470.1171.4275036.024.695.5087.93100048.085.384.3978.571250100.043.892.0055.36150044.0169.968.9280.
19、36图 4 投药量浊度去除率曲线图图 5 投药量COD 去除率曲线图试验结果表明，当 PAFC 投加量小时，COD 去除率随 PAFC 的投加量变化没有显著的变化，而当 PAFC 投加量增加到 0.75g/L 时，再增加 PAFC 的量，COD 去除率开始下降，且随着 PAFC 的量的增加，形成矾花越来越小，下沉越来越慢；当 PAFC 量为 1.25g/L 时，矾花非常细小，甚至出现上浮，无法分层等现象。综合 COD、浊度去除率、矾花沉降速度、处理后效果及经济等方面的因素，确定PAFC 的最佳投药量为 0.75g/L,此时的絮凝效果最好；如果在最佳投药量时再继续投加絮凝剂，则 COD 增加，
20、COD 去除率反而有所波动，浊度有所增加，絮凝效果越来越差。这主要是因为分散在水中的胶体颗粒带有一定的电荷，它们之间的电斥是胶体稳定的主要因素。胶粒表面的电荷值常用电动电位 来表示，又称为 Zeta 电位。Zeta 电位的高低决定了胶体颗粒之间的斥力的大小和影响范围。一般在天然水中胶体颗粒的 Zeta 电位在-30mv 以上，投加絮凝剂后，只要电位降到-15mv 左右即可得到较好的絮凝结果。相反，当 Zeta电位降到零时，反而不是最佳絮凝状态。3.3 PH 值对 PAFC 絮凝效果的影响分别取 8 份 200ml 的生活污水水样放置于 500ml 的玻璃烧杯中，用橡胶滴管滴加 NaOH 或 H
21、CL，运用 PHS3C 精密 PH 计调节水样的 PH 值，测定相应的值如下表所示：表 7 PH 值对絮凝效果的影响调节投药后的水质 PH 值 CODcr(mg/l)浊度浊度去除率(%)COD 去除率(%)5116.0131.176.0248.21676.038.592.9766.07768.041.192.4769.64836.038.193.0487.90984.056.985.5962.501048.043.492.0578.571156.042.392.2675.001292.044.691.8458.93图 6 pH浊度、浊度去除率曲线图图 7 pH 值CODcr 、CODcr 去除
22、率曲线图从试验结果得知，水体的 pH 值对絮凝效果影响非常显著，在pH=5 和 pH=6 时，处理效果极差，其去浊、去色效果极不明显，其上层清颜色和原水样差不多，且难以分层；在 pH=68 范围内，处理效果较好，絮体生成快，矾花大，浊度、色度、COD 去除率也较高；且当 pH=8 时去除效果最好，上清液最清澈，此时达到最佳状态；而 pH9 时，其去除效果不是很好，其上清液还有原水样的颜色；故确定最佳 pH 值为 8 左右。因此，在实际应用当中，可以通过调节水样的 PH 值来提高处理效果，可以投加碱或酸将水体 PH 值调到适宜范围，以增强絮凝效果。3.4 PAFC 与 PAC、PFS 絮凝效果的
23、对比选择聚合氯化铝 PAC、聚合氯化铝铁 PAFC、聚合硫酸铁 PFS在相同实验条件下分别处理生活污水，比较其絮凝效果。实验结果见表 8：表 8 不同絮凝剂最佳投药量条件下的絮凝效果比较最佳去除率(%)率（%） 絮凝剂最佳投药量CODcr浊 度PAC 750mg/l82.60 94.60PFS 1000mg/l82.48 93.56PAFC 750mg/l87.90 95.50由表 8 可知， PAFC 的 COD、浊度去除率都要略高于PAC、PFS，但是 PAC 和 PFS 的 COD 去除率没有 PAFC 的大，且PFS 的浊度去除率也差些，生产成本也高于 PAFC，PAFC 的性能明显要
24、优于其它两种絮凝剂，因此 PAFC 是处理生活污水较好的一种絮凝剂。3.5 PAFC 在不同废水中的絮凝效果的研究与探讨：用 PAFC 分别处理不同的废水，得出 PAFC 处理废水的应用范围。实验数据如表 9：表 9 PAFC 处理不同废水的絮凝比较最佳去除率% 废水类别 最佳投加量 g/L最佳 PH 值COD 浊度生活污水 0.75 8.0 87.90 95.50印染废水 2.4 9.0 89.70 92.30造纸废水 0.5 7.0 95.80 84.60从表 9 可知：用 PAFC 处理生活污水、印染废水和造纸废水的效果都很好，这就说明 PAFC 处理废水的范围很广。4 结论 ：在相同的
25、实验条件下，分别用 PAFC、PAC、PFS 处理同种生活污水。通过以上实验可知，PAFC 具有絮凝速度快，结实粗大，沉降性能好等絮凝特性，并且具有优越的除浊、脱色和去除 COD 的良好性能 ; PAFC 可以用多种 工业废渣来制备，原料来源广泛、成本低廉、且可达到以废治废的目的，因而非常适合我国的国情,因此研究聚合铝铁复合絮凝剂有很好的科学价值和重大的实践生产意义。参考文献：1 胡勇有 新型混凝剂聚合氯化铝铁的混凝特性 水处理技术,1993,19(5):281285.2KuoUHS,WamserCA.Al(1-x)Fe3+xFe2+y(OH)3+2y-zHal(z)(HalisclBr,I,ormixts)P.USAppl:55416,1979-07-063 田宝珍 ,张云.铝铁共聚复合絮凝剂的研制及应用J.工业水处理,1998.4 席美云 无机高分子絮凝的开发与研究进展. 环境科学技术,1999,4:47.
