电解法制备PAC在水处理中的应用研究
摘要：通过电解法制备了一种Alb含量达67.6%、碱化度达64.5%的优质聚合氯化铝(E—PAC)产品，并将其用于水处理试验。静态试验和现场中试的 研究 结果表明，与普通PAC和几种传统混凝剂比较，E—PAC对水中的浊度和腐殖质、污水中的SS和COD及油类污染物等具有优异的去除效能，投加10 mg/L E—PAC(以Al2O3计)，可以去除污水中99.1%的SS和57.6%的COD，明显高于同类产品的水处理效率。
关键词：絮凝剂 电解法 聚合氯化铝 水处理
Experimental Study on Application of PAC Produced Electrochemically in Water and Wastewater Treatment
Abstract：A kind of high grade PAC with Alb content of 67.6% and molar ratio of hydroxy to aluminum of 64.5% was produced by electrolysis process and used for treatment of water and wastewater in jar tests and pilot-scale tests. The results show that this kind of PAC is more effective in removal of SS,humics from water and COD and oil from wastewater comparing with other PACs and traditional coagulants.99.1% of SS and 57.6% of COD can be removed from wastewater with the dosage of 10 mg/L PAC (as Al2O3),so it is obviously superior to other coagulants.
Keywords:coagulant;electrolysis process;PAC;water treatment
在 现代 絮凝剂的研究中，已从形态学方面证明聚合氯化铝(PAC)主要由3种形态构成[1～3]：Ala形态(主要包括铝的自由离子、单体、低聚物)、Alb形态(铝的聚合物)和Alc(三羟化铝溶液或凝胶)，并可分别求得各自的含量及比例：AlT=Ala+Alb+Alc(1)一般认为Alb部分是最佳的凝聚絮凝形态，并证明Alb即为Al13的聚合形态(化学式为Al13O4(OH)7+24)[4]，它实际上是一定控制条件下铝离子的水解—聚合—沉淀过程的动力学中间产物。采用电化学 方法 制备絮凝剂主要是采用电解法制备碱式氯化铝和电渗析法制备一般概念上的聚合氯化铝。在前期的研究中[5～7]，一种以Alb为优势形态的聚合氯化铝采用电解法制备成功，它具有高碱化度、高Alb形态等特点，具备高效净水最佳絮凝的化学形态条件。
1 E—PAC的制备
连续进料、出料的电解制备反应系统见图1。
电解液采用三氯化铝溶液，阳极为金属铝，电流为600 A，电压为1.4 V，E—PAC为无色透明液体，产量为100 kg/d，W(Al2O3)=10%，W(Alb)=67.6%，W(碱化度)=64.5%。
2 试验方法
2.1烧杯试验
采用烧杯搅拌试验考察E—PAC对水中的浊度、腐殖质、COD、油的去除效果。模拟的浑浊水和含腐殖质水分别采用高岭土和富里酸(山西产)加1∶1的自来水和去离子水配制，生活污水和含油废水均为实际水样。烧杯搅拌试验在美国产六联搅拌器上进行，使用2 L烧杯，内充1.5 L水样，在280 r/min混合搅拌1 min，然后在40 r/min下混合反应10 min，静置沉淀15 min，取上清液测定。
2.2 中试
E—PAC的中试在高效絮凝集成系统上进行，系统构成见图2。
该系统采用絮凝—拦截沉淀工艺，建在北京第九给水厂的导示水厂，原水浊度为1.0～87.5 NTU，混凝药剂为九厂 目前 使用的ZB—PAC(淄博产液体聚合氯化铝)、DY—PAC(唐山产液体聚合氯化铝)、AS(硫酸铝)和E—PAC。系统运行的主要参数，混合：t=60 s，v=3m/s，G=613s-1;反应：T=15 min(t1=t2=t3=5 min)，v1=0.5 m/s，v2=0.3m/s，v3=0.1m/s，G=80s-1(G1=125.5s-1、G2=57.5s-1、G3=10.4s-1)，GT=7.2×104;沉淀：t=0.4～2 h。试验用水为北京市第九水厂的原水。
3 E—PAC净水效果
3.1静态效果
将电解法制备的E—PAC与电渗析法制备的聚合氯化铝(ED—PAC)、市售聚合铝、三氯化铝和硫酸铝进行絮凝效果对比试验，结果如图1、2所示。
结果表明，药剂投加量相同时，几种絮凝剂对水中的浊度均有一定的去除效果，硫酸铝和三氯化铝的去除效果最差，DY—PAC和ED—PAC明显优于硫酸铝等，但E—PAC在絮凝过程中对浊度的去除率均远高于其他絮凝剂。对富里酸的去除率也有类似的结果，E—PAC对富里酸的絮凝去除效果最好，DY—PAC和ED—PAC也优于硫酸铝等传统混凝剂，这种结果主要是由于其具有较高的Alb含量。
摘要：通过电解法制备了一种Alb含量达67.6%、碱化度达64.5%的优质聚合氯化铝(E—PAC)产品，并将其用于水处理试验。静态试验和现场中试的 研究 结果表明，与普通PAC和几种传统混凝剂比较，E—PAC对水中的浊度和腐殖质、污水中的SS和COD及油类污染物等具有优异的去除效能，投加10 mg/L E—PAC(以Al2O3计)，可以去除污水中99.1%的SS和57.6%的COD，明显高于同类产品的水处理效率。
关键词：絮凝剂 电解法 聚合氯化铝 水处理
Experimental Study on Application of PAC Produced Electrochemically in Water and Wastewater Treatment
Abstract：A kind of high grade PAC with Alb content of 67.6% and molar ratio of hydroxy to aluminum of 64.5% was produced by electrolysis process and used for treatment of water and wastewater in jar tests and pilot-scale tests. The results show that this kind of PAC is more effective in removal of SS,humics from water and COD and oil from wastewater comparing with other PACs and traditional coagulants.99.1% of SS and 57.6% of COD can be removed from wastewater with the dosage of 10 mg/L PAC (as Al2O3),so it is obviously superior to other coagulants.
Keywords:coagulant;electrolysis process;PAC;water treatment
在 现代 絮凝剂的研究中，已从形态学方面证明聚合氯化铝(PAC)主要由3种形态构成[1～3]：Ala形态(主要包括铝的自由离子、单体、低聚物)、Alb形态(铝的聚合物)和Alc(三羟化铝溶液或凝胶)，并可分别求得各自的含量及比例：AlT=Ala+Alb+Alc(1)一般认为Alb部分是最佳的凝聚絮凝形态，并证明Alb即为Al13的聚合形态(化学式为Al13O4(OH)7+24)[4]，它实际上是一定控制条件下铝离子的水解—聚合—沉淀过程的动力学中间产物。采用电化学 方法 制备絮凝剂主要是采用电解法制备碱式氯化铝和电渗析法制备一般概念上的聚合氯化铝。在前期的研究中[5～7]，一种以Alb为优势形态的聚合氯化铝采用电解法制备成功，它具有高碱化度、高Alb形态等特点，具备高效净水最佳絮凝的化学形态条件。
1 E—PAC的制备
连续进料、出料的电解制备反应系统见图1。
电解液采用三氯化铝溶液，阳极为金属铝，电流为600 A，电压为1.4 V，E—PAC为无色透明液体，产量为100 kg/d，W(Al2O3)=10%，W(Alb)=67.6%，W(碱化度)=64.5%。
2 试验方法
2.1烧杯试验
采用烧杯搅拌试验考察E—PAC对水中的浊度、腐殖质、COD、油的去除效果。模拟的浑浊水和含腐殖质水分别采用高岭土和富里酸(山西产)加1∶1的自来水和去离子水配制，生活污水和含油废水均为实际水样。烧杯搅拌试验在美国产六联搅拌器上进行，使用2 L烧杯，内充1.5 L水样，在280 r/min混合搅拌1 min，然后在40 r/min下混合反应10 min，静置沉淀15 min，取上清液测定。
2.2 中试
E—PAC的中试在高效絮凝集成系统上进行，系统构成见图2。
该系统采用絮凝—拦截沉淀工艺，建在北京第九给水厂的导示水厂，原水浊度为1.0～87.5 NTU，混凝药剂为九厂 目前 使用的ZB—PAC(淄博产液体聚合氯化铝)、DY—PAC(唐山产液体聚合氯化铝)、AS(硫酸铝)和E—PAC。系统运行的主要参数，混合：t=60 s，v=3m/s，G=613s-1;反应：T=15 min(t1=t2=t3=5 min)，v1=0.5 m/s，v2=0.3m/s，v3=0.1m/s，G=80s-1(G1=125.5s-1、G2=57.5s-1、G3=10.4s-1)，GT=7.2×104;沉淀：t=0.4～2 h。试验用水为北京市第九水厂的原水。
3 E—PAC净水效果
3.1静态效果
将电解法制备的E—PAC与电渗析法制备的聚合氯化铝(ED—PAC)、市售聚合铝、三氯化铝和硫酸铝进行絮凝效果对比试验，结果如图1、2所示。
结果表明，药剂投加量相同时，几种絮凝剂对水中的浊度均有一定的去除效果，硫酸铝和三氯化铝的去除效果最差，DY—PAC和ED—PAC明显优于硫酸铝等，但E—PAC在絮凝过程中对浊度的去除率均远高于其他絮凝剂。对富里酸的去除率也有类似的结果，E—PAC对富里酸的絮凝去除效果最好，DY—PAC和ED—PAC也优于硫酸铝等传统混凝剂，这种结果主要是由于其具有较高的Alb含量。
3.2中试效果
①低浊时期经几种絮凝剂处理后的沉淀池出水效果对比见图3、4。
原水浊度为1.0～4.0 NTU时，在同样的铝投加量下，E—PAC的水处理效果明显比其他絮凝剂好，不仅表现在对浊度的去除效率高，而且投加药量所允许的范围也大。
②较高浊度水经几种絮凝剂处理后的沉淀池出水效果对比见图5。
原水浊度为10.5～87.5 NTU时，在3种PAC中，E—PAC对浊度变化的适应性最好，在同样的铝投加量下，分别比DY—PAC和ZB—PAC对浊度的去除效率高约10%～20%，表现出明显的优越性。
3.3处理生活污水
取生态环境 研究 中心家属区生活污水，比较E—PAC、DY—PAC和ZB—PAC 3种聚合絮凝剂对水中COD和SS的去除效果。试验用水的SS为321 mg/L，COD为250 mg/L，处理效果见表1。
E—PAC对生活污水中的SS和COD的去除效果均明显好于其他两种絮凝剂。当投加量均为10 mg/L(以Al2O3计)时，E—PAC可将原水中321 mg/L的SS和250 mg/L的COD分别去除至3 mg/L和116 mg/L，去除率分别为99.1%和57.6%;而其他两种PAC对SS和COD的去除率明显低于E—PAC。
mg/L
| 药剂 | E—PAC | DY—PAC | ZB—PAC | ||||||
| 投加量(Al2O3) | 3 | 5 | 10 | 3 | 5 | 10 | 3 | 5 | 10 |
| 水中残余SS | 52 | 24 | 3 | 78 | 31 | 13 | 89 | 42 | 23 |
| 水中残余COD | 187 | 142 | 106 | 194 | 153 | 119 | 210 | 165 | 126 |
3.4处理含油废水
含油废水为锦州采油厂斜板除油后的出水，含油为120mg/L，COD为450mg/L，SS为275 mg/L。采用烧杯试验比较E—PAC、DY—PAC和ZB—PAC三种聚合絮凝剂对COD、SS、油的去除效果，结果如表2所示。
mg/L
| 药剂 | E—PAC | DY—PAC | ZB—PAC | ||||||
| 投加量(Al2O3) | 5 | 10 | 20 | 5 | 10 | 20 | 5 | 10 | 20 |
| SS | 143 | 72 | 14 | 161 | 93 | 28 | 172 | 105 | 33 |
| COD | 398 | 266 | 182 | 418 | 297 | 221 | 425 | 308 | 246 |
| 油 | 86 | 45 | 9 | 92 | 54 | 18 | 98 | 49 | 17 |
当投加量均为20mg/L(Al2O3)时，E—PAC可将原水中275 mg/L的SS、450 mg/L的COD和120 mg/L的油分别去除至14 mg/L，182 mg/L和9 mg/L，去除率分别为94.9%，59.6%和92.5%，明显优于其他两种絮凝剂。
4 成本估算
电解法制备聚合氯化铝的主要成本来自于铝板的消耗，如铝板价格按13.5元/kg 计算 (包括三氯化铝、电耗与人员工资等)，则制备含10%Al2O3液体PAC的成本约为800元/t，投加铝量按10-5 mol/L计，则吨水处理成本约0.16元。与 目前 市场上质量较好的液体PAC的产品(750～800元/t)相比，其制备成本略高，估算结果如表3所示。
|
药剂的制备成本 (元/t) |
含铝量 (%) |
折合成铝价格 (元/kg) |
水处理成本 (元/t) |
投加铝量 (10-5 mol/L) |
| 800 | 5 | 16 | 0.16 | 3.7 |
5 结论
电解法制备的聚合氯化铝由于其最有效的絮凝成分Alb远高于普通聚合氯化铝和传统混凝剂，所以对水中的浊度、腐殖质以及污水中的COD、SS、油类污染物具有优异的去除效果。电解法制备聚合氯化铝设备简单，参数易于控制，适合于各种规模和水质的给水和污水处理，并有利于水处理过程的自动化控制，具有很好的 应用 前景。
电解制备聚合氯化铝的主要 问题 是其采用金属铝作为铝的主要来源，由于金属铝价格较高，增加了药剂的制备成本，但由于其较高的Alb含量和高效的净水性能，其综合制水成本应与普通PAC相当。
参考 文献 ：
[1]汤鸿霄.无机高分子絮凝剂的基础研究[J]，环境化学，1990，9(3)：1-12.
[2]Parthasarathly N,Buffle J.Study of polymeric aluminum(Ⅲ)hydroxide solutions[J].Water Research,1985,19(1):25-35.
[3]Bottero J Y.et al Mechanism of formation of aluminum trihydroxide from Keggin Al13 polymers[J].Colloid Interface Sci,1987,117(1):47-57.
[4]Fitzgerald J J et al.Temperature effect on the27Al NMR spectra of poymeric aluminum hydrolysis species[J].Magn Reson,1989,(84):121-129.
[5]曲久辉，路光杰，汤鸿霄.电解制备高效聚合铝的溶液化学因素[J].环境化学，1997，16(6)：521-526.
[6]路光杰，曲久辉，汤鸿霄.高效聚合氯化铝的电化学合成[J]. 中国 环境 科学 ，1998，18(2)：140-145.
[7]Guang J L,Jiuhui Qu,Hongxiao Tang. The Electrochemical Production of Highly Effective Polyaluminum Chloride[J].Water Research,1999，33(3):807-814.
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