聚硅氯化铝的混凝效果及在处理水中的残留铝研究

铝盐是给水处理中广泛采用的混凝剂，但其在净水的同时也留下了程度不同的残留铝量。过去，人们对铝的生物毒性没有认识，许多国家对生活饮用水中铝含量也没有限制要求。近年来，这一问题已引起人们的重视，目前一些国家对生活饮用水中的铝含量制定了限制标准，如美国为0.05
mg/L，世界卫生组织制定的标准为0.2 mg/L，我国在即将出台的饮用水标准中也将增加铝含量的要求。
饮用水中铝含量的高低与所用铝盐混凝剂的效能有直接关系。混凝剂的效能越高，在水体中的投加量越少，其在水体中的残留铝含量也就越低。由于铝系混凝剂在给水处理中应用最广泛、技术最成熟，预测铝系混凝剂在今后较长时间内仍是主要的水质净化剂，所以开发研制新型、高效、价廉的铝系混凝剂是减少水体中残留铝含量的一个十分有效的手段。国外从90年代初开始研制铝硅复合混凝剂
[1～3]，国内近几年也进行了初步的探索工作 [4、5] 。初步应用研究发现，聚硅酸铝盐混凝剂较铝盐在除浊、脱色、去除COD等方面都有更好的效果，并可降低其残留铝含量。目前聚硅酸铝盐混凝剂基本上都是用聚硅酸与硫酸铝采用不同的工艺进行复合反应制备，未发现用聚硅酸和聚合氯化铝(PAC)进行聚硅氯化铝混凝剂研究及应用的报道。考虑到PAC较硫酸铝使用效果好、适应范围广，采用一定的工艺将PAC与聚硅酸进行反应或复合后有可能制备出效果更理想、且能满足给排水处理要求的新型铝硅复合混凝剂--聚硅氯化铝(Polyaluminum
Silicate Chloride，简称PASC)，所以笔者开展了PASC的研究工作，并在与PAC对比的情况下，初步评价了PASC的混凝除浊效果，重点研究了在处理水中的残留铝情况，得到了比较满意的结果。
1 试验部分
1.1 仪器与材料
YZD--1A型液体浊度计，pHS--2型酸度计，DC--506型六联搅拌机，UV--754分光光度计，试剂级高岭土，AlCl 3 .6H 2 O(A.R.)，HCl(A.R.)，NaOH(A.R.)，工业水玻璃[SiO
2 含量为26.5%，模数(M)为3.05]。
1.2 PASC的制备
采用AlCl 3 .6H 2 O(A.R.)、HCl(A.R.)、NaOH(A.R.)、工业水玻璃和去离子水，分别通过共聚与复合两种制备工艺，制备出一系列具有不同碱化度(B)和Al/Si摩尔比的PASC混凝剂，混凝剂的浓度(以Al计)为0.1
mol/L。共聚法制备的产品以PASC(共)表示，复合法制备的产品以PASC(复)表示。为了试验对比，在相同条件下，制备出了铝浓度为0.1 mol/L、具有不同B值的PAC混凝剂。
1.3 模拟水样
用高岭土及比例为1∶1的自来水和去离子水配制高岭土含量为100 mg/L的模拟悬浊水样，浊度为60.0NTU，pH值为7.12。
1.4 混凝方法
在快速搅拌下(200 r/min)向500 mL水样中加入一定量的混凝剂(以Al计)，继续快速搅拌2 min，然后慢速(40 r/min)搅拌15 min，静置沉降10
min，取上清液测定剩余浊度和残留铝含量。
1.5 残留铝含量测定方法
见参考文献。
2 结果与讨论
2.1 PASC与PAC除浊效果比较
以B=1.5的样品为代表进行试验，结果见图1(略)。
由图1可见，在相同投药量情况下，PASC除浊效果优于PAC，投药量越低，差别越明显。PASC(共)的除浊效果优于PASC(复)。对PASC(共)，Al/Si摩尔比越小(即聚硅酸的含量越高)，除浊效果就越好，但对PASC(复)而言并不是加入的聚硅酸越多越好。这说明了向PAC中引入一定量的聚硅酸后，可强化其混凝效果，但不同的制备工艺其强化情况不同，共聚法制备的PASC混凝剂净水效果最好。
2.2 PASC与PAC在水体中的残留铝含量
2.2.1 残留铝含量与B值的关系
以高岭土模拟水样为代表进行试验，该水样本身的铝含量为0.100 5 mg/L。混凝剂的投量按低浓度和高浓度两种情况进行考察，分别为0.54 mg/L和2.16
mg/L，试验结果见图2(没有扣除水样自身含铝量)。
结果表明，无论混凝剂投加量多或少，B值升高和Al/Si摩尔比降低都会导致残留铝含量降低，PASC较PAC具有更低的残留铝量。在相同B值及Al/Si摩尔比情况下，PASC(共)的残留铝量低于PASC(复)。出现上述结果的原因为：在低B值下，混凝剂中以单体铝或铝的二聚体为优势形态，混凝效果较差，使得较多的铝残留在溶液中；随着B值升高，中等聚合形态的铝水解聚合产物逐渐成为优势形态，且高聚合态及溶胶态的铝水解聚合产物含量增加，大多铝盐的水解聚合物作用于高岭土形成絮体下沉，提高了混凝效果，同时也降低了水体中的残留铝量。在PASC中，一方面由于聚硅酸与铝的水解产物作用生成了更大的聚集体，使单体铝或铝的二聚体含量减少，高聚合态及溶胶态的铝水解聚合产物含量增加，可发挥良好的吸附架桥作用，具有良好的混凝效果；另一方面，未与铝水解产物作用的聚硅酸大分子也可吸附水体中的铝水解凝胶物，使水体中的残留铝含量下降。显然，Al/Si摩尔比越低，水中的残留铝含量也就越低。PASC(共)与PASC(复)相比，前者由于聚硅酸参与铝水解聚合的全过程，生成较多的铝硅聚合物，并且具有较大的聚集体，混凝效果好，所以残留铝含量较后者低。
2.2.2 pH值对残留铝含量的影响
混凝剂投量为0.54 mg/L的试验结果见表1和表2。无论在低或高pH值下，PASC的残留铝量均低于PAC；在相同pH值下，B值越低，水体中的残留铝含量就越高，Al/Si摩尔比低的PASC样品其残留铝量也低，PASC(共)混凝剂的残留铝量低于PASC(复)混凝剂。在试验pH值范围内(pH=6.13～8.52)，残留铝含量随着pH值的升高而升高。据文献报道
[7、8] ：当pH<6时，铝盐在水体中的残留量随着pH的升高而降低；在pH=6～7时，由于铝盐水解生成大量的Al(OH)3 无定形沉淀物易于下沉，使得水体中铝的残留量下降至最低点；当pH>7后，由于生成较多的Al(OH)-4溶解形态，铝的残留量随着pH值的升高而增加。本文的研究结果和文献报道的情况相符。
表1 pH对B =2.0的PAC和PASC残留铝含量的影响
pH PAC PASC(共)Al/Si=5.0 PASC(复)Al/Si=5.0 PASC(共)Al/Si=10 PASC(复)Al/Si=10 PASC(共)Al/Si=15
PASC(复)Al/Si=15
6.13 0.1092 0.0826 0.0874 0.0897 0.0936 0.1026 0.1037
7.12 0.1732 0.1208 0.1297 0.128 0.1329 0.1411 0.1528
8.52 0.1836 0.1308 0.1392 0.1325 0.1499 0.1598 0.1616
表2 pH对PAC和Al/Si=10的PASC残留铝含量的影响
pH B=1.0 B=1.5 B=2.0 B=2.5 PAC PASC(共)PASC(复)PAC PASC(共)PASC(复)PAC PASC(共)
PASC(复)PAC PAC(共)
6.13 0.1330 0.1281 0.1314 0.1356 0.1235 0.1263 0.1092 0.0826 0.0847 0.0846 0.0688
7.12 0.2609 0.2091 0.2096 0.1897 0.1584 0.1674 0.1632 0.1285 0.1328 0.1325 0.1223
8.52 0.2664 0.2637 0.2660 0.1989 0.1792 0.1933 0.1736 0.1325 0.1499 0.1618 0.1477
3 结论
① 向PAC中引入聚硅酸后制备出的PASC混凝剂较PAC具有更好的混凝效果，制备工艺对PASC的净水效果有一定的影响，共聚法较复合法制备的PASC产品具有更好的净水效果。Al/Si摩尔比影响PASC的混凝效果，其影响情况视制备工艺的不同而异。
② PASC的残留铝含量较PAC低，而PASC(共)的残留铝含量又较PASC(复)低。B值升高和Al/Si摩尔比降低均有利于降低铝的残留量，pH值对混凝剂在水体中的残留铝量有一定的影响，pH值过高或过低均能增加铝在水体中的残留量。
③ 由于PASC的混凝效果较PAC好，且残留铝含量较PAC低，这说明PASC是一种有发展前途，且能满足现代水处理要求的新型高效复合混凝剂，值得研制开发和推广应用。