水解聚合铝溶液中形态分布的定量模拟研究_栾兆坤

第15卷第1期1995年1月环境科学学报ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAEVol.15,No.lJan.,1995水解聚合铝溶液中形态分布的定量模拟研究`奕乡匕于中冯利汤鸿霄(中国科学院生态环境研究中心,北京1。。。85)摘要通过lA一eFron逐时络合比色法和“7IA核磁共振(NMR)法,并应用“MNIEQL”化学平衡模式计算法,对采用不同反应途径制得的聚合铝(PAC)溶液中的化学形态分布规律进行了定量模拟研究和对比.模式计算结果与两种实验定量分析结果都较为吻合:结果表明,在水解聚合铝溶液中较稳定的化学形态主要有五种:一种单体形态[A几〕,即1A3十,iA(OH)2十,lA(OH)才;3种聚合形态[AU」,即A12(OH)24+,A17(OH);74+和lAl30;(OH)2;+。`,一)+(n一。,2)以及一种溶胶或凝胶形态[AL〕,即lA(OH)3(am).这些化学形态的分布和转化不仅取决于溶液的化学特征,而且也取决于制备方法的不同.关键词:聚合铝形态;定量分析;模式计算.1前言近年来,聚合铝作为一种新型高效的无机高分子絮凝剂,已在水处理混凝领域中得到较广泛的应用l[,’〕.聚合铝的主要化学形态组成是铝的轻基聚合形态,它实际是铝水解合一沉淀反应过程中的动力学中间产物,并在混凝过程中发挥了高效凝聚絮凝效能s[,`〕.铝的水解聚合反应过程及其形态组成极其复杂多变,涉及制备方法和溶液化学组成等多种因素,至今对其确切的水解聚合形态分布尚不十分清楚.因此,确切掌握并了解铝的水解聚合反应规律及其形态分布,对于深入阐明聚合铝的高效凝聚絮凝作用机制具有十分重要的意义.铝的水解聚合反应及其形态组成已有研究报道陈6〕,但多数研究结果都是建立在定性分析或间接推测的基础上,因而存在许多疑点.此外,至今还没有任何一种分析方法能够全面而准确地检测出铝水解聚合溶液中所有的形态分布.近年来较为普遍采用的是lA一eFron逐时络合比色法川和27IA核磁共振(NMR)法困’2〕.前者可将铝的水解形态定量地划分为lA“,lA,,和lA`三种形态.而后者则可定量地检测出铝水解聚合溶液中的lA单,lAl3O4(OH)247十聚合物及其它不可测得的形态0[,’2」.在本文中,我们已就这两种定量方法并结合化学平衡模式对由不同反应途径制备的聚合铝溶液的形态分布进行定量模拟第一作者简介:男,42岁,副研究员,国家自然科学基金重点项目DOI:10.13671/j.hjkxxb.1995.01.006环境科学学报15卷研究,并根据所得结果对其水解聚合反应历程进行讨论.2材料及方法聚合铝(PAC)溶液的制备:(l)一次加碱法定量移取。.200mol/LIA1C3溶液于三角烧杯中,一次加入予定量的。.50mol/LNa0H溶液并加入少量的去离子水,此时溶液变成乳白色凝胶状,然后加热并强烈搅拌至溶液完全透明为止,加热温度控制在80oC左右.(2)微量滴碱法定量移取0.20mol/LIA1C3溶液于三角烧杯中,然后用655Dosimat型微量滴定仪微量滴加予定量的0.500mol/LNaOH溶液,滴加速率为。.04mL/min,同时通NZ气并搅拌.采用以上方法制得的PAC溶液,碱化度(B)分别为1.0,1.5,2.0和2.5.制得的溶液均在室温下熟化24h.后进行形态定量分析测定.形态分布定量测定:PAC溶液pH值采用Oiron720型pH/离子活度计测量.定量分析分别采用Al一Ferorn逐时络合比色法和”IANMR法进行.Ferorn络合比色液采用一次混合加入二’。二,并在岛津Uv一120一02型分光度计于370nm处进行逐时比色测定.IA一eFr-orn逐时络合比色工作曲线如图1所示.根据不同时间所测的吸光值变化可万万,l一一一立AI。——————二二二巡叉李絮nU弓ó门门J`几8n,.几m0讲才6日Jq门é夕ó图IAI一Ferorn逐时络合比色工作曲线Fig.1WorkingeurveforeolorimetriemethodofAI一Ferrontimedeomplex定量地将聚合铝溶液中的水解形态分为3种川:瞬时反应部分(t一0)为单体形态,即AI。,包括A13+,AI(OH),十,AI(OH)犷等单体形态.缓慢反应部分(t<120min)为聚合形态,即lA。,又分为AI,,(t<60min)和AI。:(t>60min).其中,Alb:包括AI:(OH)l+,A13(OH);十,A17(()H),7`+等一些低聚物,而AloZ则主要为All3O、(OH)24+。(,一”,+,即All3等中高聚合物.极慢或不反应部分(t>120min)为溶胶或凝胶形态,即AI`,即AI(OH)3(am).总铝(AIT)浓度为AI口,AI。和AI`3种形态的总和:AIT