羟基聚合氯化铝的絮凝形态学_汤鸿霄

羟基聚合氯化铝的絮凝形态学汤鸿霄(中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室,北京,100085)摘要羟基聚合物的形态转化是无机高分子絮凝剂的核心问题.其形态学应包括研制、生产和应用三方面内容.铝的羟基聚合物形态主要有六员环连续模式和聚十三铝聚集模式两类论点.形态控制参数应以水解度和碱化度并用.Ferron逐时络合比色法可作为形态分类常规测定方法.聚十三铝的生成条件是提高聚合铝絮凝效能的重要研究方向.它具有相对稳定性,但在自发水解中很难生成.羟基聚合物与颗粒物的相互作用机理特征介于传统混凝剂和有机高分子絮凝剂之间.关键词形态学;羟基聚合物;水解度;聚十三铝;颗粒物.1无机高分子絮凝剂的形态学混凝过程(混和、凝聚、絮凝)是用水和废水处理工艺中应用最普遍的关键环节之一,它在很大程度上影响着后续流程的运行工况、最终出水质量和成本费用,因而成为环境工程中重要的科技研究开发领域.高效的混凝技术系统应该由优异的絮凝剂、反应器和自控投药三方面紧密组合而成,其中絮凝剂的特性及形态转化又起着核心作用.水处理无机高分子絮凝剂近年来有迅速的发展,再加上在我国市场上形成热点的复合型絮凝剂,出现的品种很多,已可归纳成系列,如表1所示.不过就它们的基本实体而言,主要都是铝盐和铁盐的水解过程中间产物与不同阴离子和负电溶胶的结合体,亦即各种类型的羟基多核络合物或无机高分子化合物.表1无机高分子絮凝剂的品种系列Table1Seriesofinorganicpolymerflocculants聚合氯化铝PAC,PACl聚合氯化铁PFC阳离子型聚合硫酸铝PAS聚合硫酸铁PFS聚合磷酸铝PAP聚合磷酸铁PFP阴离子型活化硅酸ASI聚合硅酸PSI聚合氯化铝铁PAFC聚合硫酸铝铁PAFS无机复合型聚合硅酸铝PASI聚合硅酸铁PFSI聚合硅酸铝铁PAFSI聚合磷酸铝铁PAFP聚合铝-聚丙烯酰胺聚合铁-聚丙烯酰胺无机有机复合型聚合铝-甲壳素聚合铁-甲壳素聚合铝-其他有机高分子聚合铁-其他有机高分子铝盐和铁盐在水溶液中水解-络合-聚合-胶凝-沉淀-晶化等系列反应过程中的形态转化及分布,一直是历年化学文献中研究与争论的热点,其定量规律迄今尚无统一定论.因此,研究其溶液化学及形态分布规律,仍是发展高效絮凝剂的重要理论前提.它们与各种阴离子、溶胶以及有机高分子结合的形态结构,以及不同制备过程中的形态转化更是有待深入探索的领域.絮凝剂投加到被处理的水中后.进入更为复杂的物理-化学环境.它们一方面按照本身固有的规律转化形态,同时与水中形形色色的杂质相互作用.这时的第18卷第1期1998年1月环境科学学报ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAEVol.18,No.1Jan.,1998DOI:10.13671/j.hjkxxb.1998.01.001作用机理又加上界面上的吸附、水解、络合、沉淀、晶化、电中和等多相反应,以及颗粒碰撞、絮团粘附、水力剪切、微涡旋推动等动态作用.在包含着如此众多反应和作用的混和-凝聚-絮凝-分离的水处理过程中,絮凝产物的形态和结构将随之发生不断地转化.水处理的功能、效果和控制方法与各时刻的形态紧密相关,因而絮凝过程的研究和争论始终是围绕着其形态学进行的.当然,除絮凝剂一方外,还要同时考虑被絮凝物质一方以及双方结合后的形态结构.因此,絮凝形态学应包括三个方面的内容.(1)研制:在实验室中以较低浓度溶液研究其形态转化的规律、配方和参数、絮凝效能等,以求得到最优的絮凝剂品种;(2)生产:在模拟实验中以较浓溶液研究最佳形态的生产工艺,在生产现场研究各工艺环节的形态转化藉以调整设施和参数;(3)应用:在实验室模拟研究水处理过程中各种形态的的作用机理和定量模式,在水处理现场研究动态流程中形态转化对絮凝效能的影响,改进工艺条件、反应器设施和最佳投药控制技术.总之,絮凝形态学的研究应贯穿絮凝剂研制、生产和应用的全过程,综合达到优异的水处理絮凝功效.笔者于1965年曾归纳六十年代时的絮凝形态学[1].自那时以来这一领域的研究又有了长足的进展,逐步接近定量模式的探讨,特别是在同有机和无机高分子化学的结合上有新的突破.研究表明,人工预制的无机高分子絮凝剂在制备和使用中的形态转化,在很大程度上不同于传统絮凝剂,因而表现出特异的功能和效果[2].可以认为,无机高分子絮凝剂形态学的研究和进展,实际上决定着这类絮凝剂在生产和应用中的发展.本文仅对无机高分子絮凝剂中最基本的品种———羟基聚合氯化铝的形态学方面若干研究进展加以综合评述,同时反映我们实验室有关研究工作内容和相应的若干观点.2Al(III)在溶液中的形态分布Al(III)在溶液中水解生成羟基多核络合物的通式可以写为:xAl3++yH2O=Alx(OH)(3x-y)+y+yH+络合平衡常数为βx,y=(Alx(O