SNF公司產品技術說明
1. 定義
SNF公司絮凝劑是高分子量的陰離子、非離子和陽離子型聚合物。它們用來提高沉降、澄清、過濾、離心分離等工藝過程的效率。絮凝過程就是懸浮液中許多單獨顆粒形成聚集體的過程。
水處理中，助凝（coagulation )和絮凝（ flocculation）代表兩種不同的機制。
助凝
膠體顆粒通常粒徑小于1微米，不停地作布朗運動。布朗運動的能量足以阻止顆粒在重力下沉降，使之長時間保持懸浮狀態。膠體懸浮液既可以是穩定的，也可以變為不穩定。
助凝過程是通過加入鹽類使顆粒間的電斥力發生減少、中和或反向。最常用的助凝劑是無機鹽，如硫酸鋁，三氯化鐵，石灰，氯化鈣及氯化鎂。
絮凝
絮凝作用是聚合物在單獨顆粒間發生架橋的過程。“架橋”就是聚合物鏈段吸附在不同的顆粒上，促進顆粒的聚集。絮凝劑的活性基團帶的電荷與顆粒的電荷發生抵消。絮凝劑吸附在顆粒上，通過架橋或電中和使顆粒失去穩定性。
陰離子型絮凝劑通常與帶陽電荷的懸浮液（正動電電位）起作用，例如某些鹽類與金屬氫氧化物懸浮液。
陽離子型絮凝劑通常與帶陰電的如二氧化硅或有機物懸浮液起作用。
但這一規則也不盡然，如陰離子型絮凝劑可以使粘土聚集，而粘土是帶負電的。目前用的絮凝劑有三類：
1.1 無機絮凝劑
它們是膠體物質，吸附和電中和在絮凝過程中起一定作用。它們有：
* 活性二氧化硅
* 某些膠體類粘土 (如膨潤土)
* 某些有聚合物結構的金屬氫氧化物 (氫氧化鋁，氫氧化鐵）
1.2 天然絮凝劑
它們是水溶性陰離子、陽離子或非離子聚合物。非離子型聚合物吸附在懸浮顆粒上。
最常用的天然絮凝劑有：
* 淀粉衍生物：多數是預先做成水溶性的凝膠。它們是玉米或馬鈴薯淀粉。它們可以是天然淀粉，也可以是陰離子型氧化淀粉，或胺處理過的陽離子型淀粉。這類物質在水處理中的應用已減少，但在造紙工業中仍很重要。
* 聚糖：通常用瓜爾膠，而且大多數用在酸性介質中。
* 海藻膠：為陰離子型，用于處理飲用水。
1.3 合成絮凝劑
聚丙烯酰胺類
最常用的是以聚丙烯酰胺為基礎的聚合物，它是陰離子型的，通過聚合物鏈在顆粒間架橋而起作用。
用丙烯酰胺與丙烯酸共聚，可使這類聚合物帶負電。而用丙烯酰胺與陽離子單體聚合物，可以制造陽離子型聚合物。
以丙烯酰胺為基礎的聚合物，如含有一定量的離子型單體，它就表現出一定的離子特征。
而且這些聚合物有一定的平均分子量（即鏈長度）和一定的分子量分布。
對每一種懸浮液，某一陰離子度，陽離子度或非離子性的聚合物最適合作絮凝劑。
通常，絮凝能力隨分子量增加而提高。
聚丙烯酰胺在人工合成的工業化學劑中分子量最高，為1000萬至2000萬。別的聚合物有其特殊的性質，在某些特殊條件下用作絮凝劑，它們大多為：
* 多乙烯多胺
* 聚胺基酰胺
* 聚胺
* 聚氧化乙烯
* 磺化物
2. 室內評價
2.1 怎樣溶解有機高分子絮凝劑絮凝劑溶液粘度很高，因此難以配成濃度高的溶液。絮凝劑溶液過一段時間后會發生降解。
實驗室里建議配成0.5%濃度的溶液用于貯存，其穩定期約二周。0.1%的溶液穩定期為6天。有機高分子絮凝劑可以在冷水中分散和溶解。用一磁力或葉片攪拌器對水進行中速攪拌，然后將絮凝劑粉加入。加入速度要控制，使粉末顆粒在水中充分分散，每一個顆粒都應被水潤濕，以避免結團。如有結團就要增加溶解時間。一般溶解時間為2小時以內。高速剪切會使聚合物鏈降解，因此應避免使用高速攪拌器、粉碎機或離心泵。
2.2 沉降試驗：高固相懸浮液
這種懸浮液里固相與液相的分界線很清楚，因此可以在量筒內觀察固相高度隨時間的變化速度，來測定沉降速度。
方法
* 在一升量筒中注入懸浮液。
* 從1g/L的絮凝劑溶液中,用移液管移取所需量的絮凝劑，加入懸浮液量筒中。
* 將量筒口封閉，來回倒量筒四次；或者用一金屬棒，棒端帶一有孔的園片（園片直徑與量筒內徑相仿），從量筒頂部到底部上下移動園片四次，以攪拌量筒內懸浮液。
* 在一定時間間隔下，測固相高度。
* 畫出固相高度隨時間變化的沉降曲線。
對所有要試驗的絮凝劑按上述步驟試驗，選出其中最佳者。對所選絮凝劑按不同加藥量重復上述步驟，從而確定最佳投加量。濃懸浮液的絮凝過程對攪拌極敏感，因此自始至終采用統一的攪拌方式是極關鍵的。
2.3 沉降試驗：低固相懸浮液
低固相懸浮液時，我們只觀察到很慢的沉降速度。絮凝體呈分散狀，因此需要給懸浮固體一誘導速度，使它成為較大的絮凝體。通過絮凝體大小及上層清液的澄清度來比較試驗結果。
做這種評價的最實用儀器是一種多頭攪拌器（jar-test）。做法如下：
* 取5個燒杯，每個燒杯中加1升懸浮液。
*在葉片高速旋轉（100rpm）下加入絮凝劑，攪10秒鐘以使絮凝劑充分分散在懸浮液中。
* 在40rpm下再攪拌3分鐘。然后以絮凝體大小，上層清液澄清度及沉降速度來比較不同的絮凝劑及不同的加藥量。
2.4 加助凝劑后的絮凝試驗
含有高百分比膠體有機物的懸浮液不能直接絮凝，必須先加二價或三價金屬鹽類，如石灰，硫酸亞鐵，氯化鐵，硫酸鋁或鋁酸鈉使膠體顆粒失去穩定性。
用合成絮凝劑使助凝過程對pH值不那樣敏感，從而可以使：
* 鈣鹽用于pH值4至14
* 鐵鹽用于pH值4至13
* 鋁鹽用于pH值4.5至10
但對每一種懸浮液需要找出最佳pH值，以便取得最佳效果。可以用多頭攪拌器選擇pH值。
首先，需要確定助凝劑用于使懸浮液失去穩定性的用量：
* 配制1%助凝劑溶液，投加10，30，50，100，200ppm助凝劑。
* 酸性很大時需要加堿將pH調回到6。
* 在200rpm轉速下攪拌1分鐘。
* 通常加2 PPM某一陰離子度的合成絮凝劑，在50 rpm下攪拌2分鐘。
首先出現上層清液的燒杯，含有使膠體懸浮液失去穩定性的最佳助凝劑用量。要獲得最佳的不穩定效果，可能需要200 PPM以上的助凝劑。
然后確定達到所需沉降速度所需的絮凝劑用量：
* 在5個燒杯中充進懸浮液。按前面確定的助凝劑用量加入助凝劑，在100 rpm下攪拌2分鐘。
* 用絮凝體大小、上層清液澄清度及沉降速度對比絮凝劑效能。
在許多場合下，石灰和鐵鹽結合起來可得到最佳效果，尤其是當排出廢水的pH值在7到9.5的最佳范圍內。
2.5 過濾試驗
2.5.1 布氏漏斗試驗
* 用玻璃棒把絮凝劑混到懸浮液中。
* 把混有絮凝劑的懸浮液倒入布氏漏斗中，在一定的壓力下過濾。
* 按一定的時間間隔（30秒或1分鐘）測定濾液量。
* 此時可以做一個清水沖洗試驗，即過某一確定的時間（30秒或60秒）測量清水通過濾餅的量。
2.5.2 過濾膜試驗
把過濾膜裝在一只漏斗中，漏斗用一根管子與真空泵相連。在一段已知時間內將漏斗浸沒在懸浮液中，然后取出測量濾餅厚度，濾餅含水量，濾液質量及沖洗速度。
2.6 離心試驗
實驗室離心試驗只能作相對參考。
* 在離心機的離心管內放入加了絮凝劑的懸浮液，絮凝劑有各種不同加藥量。
* 在1000g下離心2分鐘。
* 測定每一管內的沉降物量和上層清液的澄清度。
3. 加藥量
大多數情況下，達到良好的固/液分離所需的絮凝劑量是很少的。加藥量的平均范圍是：
* 每立方米稀的無機物懸浮液，加0.5 - 3克，
* 每立方米濃的無機物懸浮液，2 - 20克，
* 對無機物漿液進行過濾或離心：每噸干固體需用25 - 300克絮凝劑，
* 對含有機物廢水的澄清：10 - 200ppm助凝劑，加0.25 - 2 ppm絮凝劑,
* 加助凝劑后，有機污物的過濾或離心：每噸干固體加1 - 5千克，
* 造紙機提高保留率：每噸成品紙加50 -250克，
* 提高溶液粘度：每升加4 - 10克。
4. 現場應用技術
工業化規模溶解絮凝劑時，需要有適合于絮凝劑特點的方法：
* 濃度：絮凝劑溶液在較稀時仍很粘稠
* 攪拌時要避免劇烈剪切
* 絮凝劑顆粒如分散不充分就會結團，這樣就不易溶解
* 如絮凝劑撒在地上遇到水,,就會很滑
溶解裝置由以下部分組成：
* 分散系統，要保證粉末被充分潤濕，而不結團，
* 溶解罐
* 轉移泵
* 貯罐
* 計量泵和稀釋系統
建議溶解絮凝劑時采用盡可能高的濃度，稀釋后加入到系統中。
4.1 分散系統
4.1.1 絮凝劑的分散器
分散器采用抽吸工作原理，它有利于溶解粉狀絮凝劑。
每次最多分散5千克。水濺到分散器上會堵住絮凝劑吸入管。
4.1.2 直接加到溶解罐的攪拌旋渦中。或用一漏斗加入，或用一振動裝置加入。
此方法適合于低濃度的絮凝劑溶液。高于某一濃度時，溶液粘度的提高使粉末接觸溶液時不能很好地分散。
4.1.3 在清水形成的旋渦中加粉末象上面的方法一樣，用此法可以達到最佳的分散效果。
4.2 溶解罐
絮凝劑溶液不具有腐蝕性，不需要采用低碳鋼或塑料設備（聚脂，玻璃纖維，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯）。
要有足夠的攪拌，使絮凝劑顆粒保持懸浮狀態；同時又不能太激烈，以避免使聚合物機械降解。
4.3 轉移泵
可采用計量泵或低速離心泵加藥。如果把溶解罐裝在貯罐上面，則可省去轉移泵。
4.4 貯罐
貯罐比配制罐的容積要大。貯罐內的溶液不需攪拌。
5. 在工業生產中使用絮凝劑
必須合理使用絮凝劑，以保證取得最大效率。它取決于許多物理－化學因素，這些因素都會改變使用效果。
工業應用的效率介于實驗效率的60％到120%之間。
影響最終效果的大多數因素為：
* 注入點的位置既要有渦流使絮凝劑充分分散，但又不能使絮凝體被打碎；
* 多點加藥常使絮凝劑與懸浮體系的接觸得到改善；
* 稀溶液經常會使效果更好些。
大多數沉降裝置都可以在裝置入口處取樣，通過觀察樣品來檢查絮凝效率。
在低固相懸浮液時，將沉積物再循環到沉降裝置的入口中，會改善沉降速度和上層清液的澄清度。
同時采用絮凝劑與助凝劑時，下述裝置能改善其效率：
* 一個帶有中速攪拌的溶解罐，罐內停留時間5分鐘左右；
* 一個絮凝罐，它可以做成沉降罐內的一部分，作為化學反應發生的場所。采用真空過濾或離心機時，絮凝劑從入口管線中加入。
6. 應用領域
當前趨勢是采用緊湊的固液分離裝置，它要求采用高效率的聚合物。
6.1 在采礦業中
* 礦石淋濾 (鈾礦，鋅礦，金礦，鋁土礦，銅礦，等）
* 浮選后的處理
* 處理尾渣，以防止污染并重復使用水資源
6.2 化學工業
用于如下生產過程的澄清工序：磷酸，磷酸二鈣，電解鹽水，氧化鎂，二氧化鈦。
6.3 工業廢水處理
* 鼓風爐氣體洗滌
* 表面處理
* 煉油廠廢水
6.4 城市生活污水及廢物
* 進行物理－化學處理
* 污泥脫水之前
6.5 造紙工業
* 保留固體顆粒與填料
* 提高濾水率
在大多數用水的工業中還有如下用途：
* 未凈化水的處理
* 飲用水處理
* 除去碳酸鹽
* 制糖工業
* 三次采油
| SNF 公司絮凝劑的應用領域 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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7. 乳液狀有機高分子絮凝劑
1－乳液
聚丙烯酰胺等有機高分子聚合物是高分子量、水溶性聚合物，主要用途是做絮凝劑。與水混合后，它們緩慢地溶解，形成粘稠溶液，此過程需60 - 120分鐘。為了提高溶解速度，可以把聚合物研磨成大于750微米的顆粒。顆粒尺寸小于750微米時，遇水就容易結團，形成所謂“魚眼”。要快速溶解又不產生“魚眼”，可以采用乳液型的聚合物。
生產乳液聚聚合物的工藝過程如下：
* 配制單體水溶液,
* 在穩定劑幫助下，用單體溶液制備油包水型乳液（內相顆粒約1微米），
* 用催化劑使乳液發生聚合反應
這種乳液與水混合不會分散和溶解，因此有必要：
* 加一種親水性表面活性劑到水中，使乳液反相，即表面活性劑使油相成為分散相，聚合物得以迅速溶解。
或者：
* 在乳液生產初期就加上述表面活性劑，使乳液成為“自動反相”乳液。兩種情況達到的效果是一樣的。
SNF只生產“自動反相”乳液。但在下述情況，有必要向水中加一些表面活性劑。
2－反相乳液在水中的濃度了使乳液正常反相，表面活性劑必須達到其最低有效濃度。
在標準硬度的水中，從測定得知聚合物在水中有效濃度在5克/升時才能發生正常的反相。
通常乳液中含25%到46%有效聚合物，而最佳稀釋倍數為50至100倍。因此當稀釋倍數超過100，表面活性劑濃度不夠，部分乳液不能溶于水，而當稀釋倍數小于50，乳液的粘度太高。
3－反相過程中的剪切
為了達到良好的反相，每個聚合物顆粒在水中都必須分散開，不然這些顆粒就會結團。 為保證有效的分散，在乳液與水相遇處必須采用高速剪切混合。
在對溶解時間有要求時，可采用設備來幫助分散與溶解：
* 文丘里噴管
* 溶解罐裝有雙速攪拌器，加乳液時用高轉速,加完后用低轉速
* 高剪切的靜態混合器
* 高壓泵 (3 - 7巴)，將吸入與排出口用一回路連起來，回路上裝有節流閥
* Ultra - Turrax 混合器
* 排出口裝一閥門，用1 - 2 巴的固定壓力排出
如果乳液得到有效的分散,不需要進一步攪拌以達到溶解，但必須有15分鐘的接觸時間。如果操作中反相得不徹底，貯罐內就必須有一個攪拌器，攪拌3 - 15分鐘。
4－影響溶解的因素
水質對反相有嚴重影響。
硬水：硬度為30 - 40 時分散效果差，超過50時分散很困難。鈣降低了表面活性劑效果。海水和30克/升的鹽水已達到可接受的極限。
在這種情況下，可以這樣做：
* 按照使用的水質情況進行試驗,確定表面活性劑的濃度，在生產乳液時按照這一濃度進行調整。
* 在溶解水中加少量表面活性劑，通常為NP 10或NP 20（含10/20環氧乙 烷基團的壬基酚），或者一些可替代品，如Teepol （磺化琥珀酸二辛酯），濃度為乳液本身的2%-10%。
對于陽離子型乳液，必須選非離子型表面活性劑，以免與聚合物發生沉淀。
5－貯存條件及濕度
乳液從本質上講是不穩定的。作為連續相的油比重為0.85，而分散相的水比重超過1.05。經過一段較長時間，水就會下沉到桶底去。
在平均溫度為20℃時，經過6個月，下沉的水相會有一些團塊，這些團塊很容易用機械或氣體攪拌再分散開。在35℃的較高溫度下，下沉作用加快，團塊較難再分散，這時保存期縮短為3個月。
乳液如果凍結也會有類似現象。在－10℃以上乳液仍是可流動的，低于此溫度乳液中油相粘度變得很高，乳液就不能流動。
乳液在凍結狀態下：
* 沉降層的再分散困難
* 較難在水中溶解。而且，經過凍結－熔化的乳液，需要在溶解水中多加一些表面活性劑， 以達到良好的溶解，但聚合物的效能不受影響。
6－貯存與溶解乳液的設備
6.1 相容性
乳液中載體油是脂肪烴，含芳香烴低于0.1%。與塑料，橡膠及金屬的相容性如下：
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要避免使用銅、鑄鐵及鍍鋅鐵。聚乙烯可以用在乳液運輸中，但油會溶入低密度聚乙烯中，降低桶的強度。
6.2－乳液貯存
貯存乳液的罐通常是不銹鋼（304），玻璃鋼或高密度聚乙烯。
為了防止分層，可以：
* 從罐底吹入氮氣，每二天吹氮氣10分鐘。
* 每天用低速攪拌10分鐘。
* 用機械泵循環。
這些方法帶來高剪切作用，會降低乳液的穩定性。貯罐必須是立式的，底部做成錐形以有利于再分散。它還應帶一個用于檢查的蓋子，以便每年用高壓水沖洗一次罐內。
6.3－泵與過濾器
混合得不好的乳液可能含有一些團塊，會堵塞過濾器與泵。這些團塊是水溶性的，可以泵到溶解罐中去。但用于造紙是例外。
泵型：
* 用不銹鋼、鍍鎳的鐵或聚乙烯制成的齒輪泵。也可以用鋼制成的泵，每一年或二年換一次。
* 泵的密封件必須與上述相容性表相符合。
* 用腈類物質做定子的單級泵 (德國Netzsch制的水泵)。
* 專用于粘稠液體的電磁泵，并裝有大直徑吸入管。
* 活塞泵與膜片泵對乳液不是很有效，特別是排量較低時。這時，可以在乳液貯罐與泵之間裝一過濾器，合理選擇濾孔大小以避免頻繁沖洗。濾孔在300－500微米是合適的。
6.4－最終產物的過濾與貯存
溶解的乳液用于造紙時，它通常要用50微米過濾器過濾。溶解的乳液可以貯存在聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、玻璃鋼、不銹鋼或有內涂層的普通鋼里。應避免使用鐵或鍍鋅鐵。所有管道應該用塑料、銅或不銹鋼做。
由油引起的問題：
* 稀釋的乳液貯存較長時間會使油分離出來，泵打時會出現問題，尤其在造紙中。
* 某些柔性泵可能會選擇性地吸油（如Jabsco泵的定子不合適時）。
7－實驗室用乳液做實驗
稱取少量乳液是很困難的。通常都用針管吸取。乳液比重在1.02到1.05之間。由于塑
料的相容性問題，要用玻璃針管。針管用過后，要用酒精或熱水沖洗。
對于粉狀聚合物，濃度高的水溶液穩定性也高，最好有效濃度在5克/ 升。此溶液在使用前
要進行稀釋。
5克/升溶液的穩定性
穩定性
陰離子 約15天
陽離子 約15天
EM7－EM8 3－4天
EM5－EM4 1天
8－粉末與乳液的差別
粉末與乳液的基本化學組成是一樣的，但在不同的應用中它們會有不同的效率。
一般說：
* 陽離子乳液的分子量比粉末要高,因而污泥脫水的效果要好,
* 含在乳液中的表面活性劑有助于含油和脂肪的污泥脫水效果,但由于會起泡而有
再次分散的不良作用。
* 乳液聚合時水解反應較低，因此其陽離子度略高于粉末。
9－對人體健康與安全的影響情況
含在乳液中的聚合物的毒性與粉末一樣，都是很低的。
工業化乳液的游離單體含量在1000ppm（0.1%）左右。
特殊應用中，可以使產物中的游離單體降到500 PPM（0.5%）以下。
油是去除芳烴的脂肪烴。油單獨的閃點在105℃以上，乳液的閃點超過100℃，但發生
沉降后閃點降為100℃。
表面活性劑的毒性非常低，它是山梨糖醇與聚氧乙烯化的壬基酚生成的脂。
陽離子乳液會剌激眼睛。
濺在地上的乳液應該用木屑吸收，并將木屑焚燒。留在地上的應當用高壓水沖洗。
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