聚合氯化鋁鈣的合成與應用
聚合氯化鋁是當前應用最廣泛的絮凝劑之一[1-5]。在混凝過程中使用聚合氯化鋁作為混凝劑，混凝效果雖然很好，但在后續的污泥處理過程中由于污泥中存在氫氧化鋁，其脫水性不是很好。有關研究表明，鈣離子具有良好的脫水性能，因而在聚合氯化鋁中引進鈣離子，研制一種新型高效的無機高分子絮凝劑，增強混凝效果和污泥脫水性能具有重要的意義。本工作以氧化鋁和碳酸鈣為原料制備了新型的無機高效水處理劑聚合氯化鋁鈣，對合成條件進行了研究，確定了最佳的工藝參數。
l 實驗部分
1．1 試劑和儀器
試劑：氧化鋁，碳酸鈣，鹽酸，皆為工業純。
儀器：馬弗爐，沈陽電爐廠；坩堝，沈陽陶瓷廠；加熱套，河北省黃驊市新興電器廠；電磁攪拌器，江蘇金壇榮華儀器制造有限公司；JJ一1精密定時電動
攪拌器；三口燒瓶(500 mL)和冷凝管，沈陽玻璃儀器廠；污泥比阻測定儀。自制。
1．2 反應原理
氧化鋁和碳酸鈣于高溫條件下反應生成的鋁酸鈣在鹽酸中溶解后，在一定pH條件下聚合生成聚合氯化鋁鈣，干燥后得到固體產品，主要反應為：
1．3 合成工藝
聚合氯化鋁鈣的合成工藝如圖1所示。取一定量的氧化鋁和碳酸鈣混合勻，放入坩堝中，置馬弗爐中高溫下焙燒一定時間，冷卻，研磨后放入三口燒瓶中，加入酸，在加熱條件下使其溶解，冷卻后，過濾，再聚合、烘干，最后得到產品。
1．4 產品分析方法
產品主要性能參照工業聚合氯化鋁的性能指標，產品中氧化鋁的質量分數和鈣的質量分數用EDTA絡合滴定法測定，鹽基度用氫氧化鈉溶液滴定[7-8]。
2 結果與討論
2．1 焙燒溫度對聚合氯化鋁鈣性能的影響
將12 g氧化鋁與8 g碳酸鈣混合均勻，于馬弗爐中在不同高溫條件下焙燒數小時后，得到鋁酸鈣。
將所得鋁酸鈣碾成粉末，稱取10 g，加入70 mL鹽酸，沸騰蒸餾數小時，經冷卻后過濾，結晶得到聚合氯化鋁鈣固體產品。取一定量的固體產品溶解后測定氧化鋁含量、鈣含量、鹽基度。結果見圖2。
由圖2可見，氧化鋁含量隨焙燒溫度的增加而增大；鈣含量隨焙燒溫度的增加而減小；鹽基度在初始階段隨焙燒溫度的增加而增大，但超過1 200℃ 以后變化不大。而且在高溫條件下消耗較多的能量，對設備的要求高，因而確定適宜的焙燒溫度為1 200℃ 。
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2．2 鹽酸加入量對聚合氯化鋁鈣性能的影響
固定焙燒溫度1 200℃ ，其它條件同第2．1節，考察鹽酸加入量對產品性能的影響，結果見圖3。
由圖3可見，隨鹽酸加入量的增加，氧化鋁含量隨之增大，當鹽酸加入量為70 mL時氧化鋁含量達到最大值，鹽酸加入量再增加時，氧化鋁含量減小。
隨鹽酸加入量的增加，鹽基度先增加，然后逐漸減小。綜合考慮，確定適宜的鹽酸加入量為70 mL。
2．3 酸溶時間對聚合氯化鋁鈣性能的影響
固定鹽酸加入量70 mL，其它條件同第2．2節，考察酸溶時間對產品性能的影響，結果見圖4。
由圖4可以看出，隨著酸溶時間的延長，氧化鋁含量增加，但增加速度緩慢，最后氧化鋁的含量基本穩定。鹽基度在開始一段時間內增加，但反應3h時，聚合氯化鋁鈣已經聚合到一定程度，當反應時間再延長時鹽基度不再增加，反而減小。酸溶適宜的時間為3 h。
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2．4 反應物配比對產品性能的影響
將氧化鋁與碳酸鈣按不同的質量比混合均勻，其它條件同第2．3節，考察反應物配比對產品性能的影響，結果見圖5。
由圖5可見，隨著氧化鋁加入量的增加，產品中氧化鋁的含量也隨之增加，但增加幅度不是很大。因為加入的氧化鋁多了，所以酸溶時溶出的Al”就隨之增多。隨著氧化鋁加入量的增加，鹽基度先增大后減小，在氧化鋁的質量分數為60% 時有最大的鹽基度；當氧化鋁的質量分數繼續增大時，鹽基度反而減小。因此，確定氧化鋁與碳酸鈣適宜的配比為3：2(質量比)。
2．5 與工業聚合氯化鋁混凝性能的對比
以某鋼鐵廠的煤氣洗滌水為研究對象，以工業聚合氯化鋁和自制的聚合氯化鋁鈣為混凝劑做對比實驗。取300 mL水樣，分別投加相同濃度(質量分數為5%)、不同量的聚合氯化鋁鈣和工業聚合氯化鋁，攪拌，再加等量的聚丙烯酰胺(質量分數為0．1%)0．15 mL，攪拌，靜止沉降15 min后，用重量法測定處理后水樣上清液中懸浮物的含量，結果見表1。
由表1可見，在混凝劑加入量相同的條件下，用合成的聚合氯化鋁鈣比用工業聚合氯化鋁處理鋼鐵廠的煤氣洗滌水的效果要好，懸浮物的去除率高。通過測定可知，用工業聚合氯化鋁作為混凝劑的污泥比阻為4．1×10 m/kg，用合成的聚合氯化鋁鈣作為混凝劑的污泥比阻為6．I×10?m/kg，聚合氯化鋁鈣作為混凝劑的污泥的脫水性能優于工業聚合氯化鋁。
3 結論
a)提高反應溫度有利于聚合氯化鋁鈣產品的生成，溫度越高，產品的性能越好，確定焙燒溫度為1 200 oc。
b)反應物中氧化鋁與碳酸鈣的質量比為3：2、酸溶時間為3 h、在10 g鋁酸鈣粉末中鹽酸的加入量為70 mL時，產品的性能最好。
C)實驗室實驗證明，在相同的加藥量時，合成的聚合氯化鋁鈣的混凝性能優于工業聚合氯化鋁；其污泥脫水性能比工業聚合氯化鋁好。
參考文獻
1 常青．水處理絮凝學．北京：化學工業出版社，2003
2 Scriven R J．The impact of physico—chemical water treat—ment On a novel flotation/filtration process． W ater Sci Technol，1999．39(10～11)：211～215
3 劉文彬．液體聚合氯化鋁使用條件初探．工業水處理，1998，18(2)：11～14
4 湯鴻宵，欒兆坤．聚合氯化鋁與傳統混凝劑的凝聚一絮凝行為差異．環境化學，1997，16(6)：497～505
5 湯鴻宵．無機高分子絮凝劑的基礎研究．環境化學，1990，9(3)：1～3
6 蘇永渤，張秀娟．石灰在煤泥水混凝中的作用機理．東北大學學報，1998，19(2)：215～217
7 GB15892-1995，中華人民共和國國家標準
8 武漢大學．分析化學實驗．北京：高等教育出版社，2002
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