聚合硫酸铝的盐基度及其混凝性能

聚合硫酸铝的盐基度及其混凝性能

王丽燕李明玉*

潘倩曹刚广州

510630）

（暨南大学环境工程系

摘要采用硫酸铝为主要原料制备了高稳定性的聚合硫酸铝，并对其盐基度、铝的水解聚合形态分

布、混凝性能及其影响因素进行了研究。结果表明，在室温条件下，聚合硫酸铝在对不同水样进行混凝处理水中余浊随盐基度的增加先降低后升高，其中盐基度为53.8%的聚合硫酸铝混凝效果最好，对流溪河水后，

及高岭土水的除浊率均在90%以上。与硫酸铝及聚合氯化铝相比，聚合硫酸铝具有更宽广的温度和pH的适用范围及更快的水解絮凝速度。通过对聚合硫酸铝中铝的水解聚合形态分布和混凝性能的综合分析表明，Alb为混凝优势形态。

关键词

聚合硫酸铝

盐基度

混凝剂

混凝性能

BasicityofPolyaluminumSulfateanditsCoagulativePerformance

WangLiyan，LiMingyu*，PanQian，CaoGang

（DepartmentofEnvironmentalEngineering，JinanUniversity，Guangzhou

510630）

AbstractThehighstabilitypolyaluminiumsulfate（PAS）wasmadebyusingaluminiumsulfateasmain

startingmaterial.TheeffectofthebasicityofPASonalulminiumspeciationindilutedsolutionsandcoagulativepropertiesaswellasimpactfactorswasinvestigated.TheresultsshowedthatturbidityremovalperformancevariedaccordingtothechangeofbasicityofPAS，theresidualturbidityintreatedwaterdecreasesandthenincreaseswiththeincreaseofbasicityofPASatroomtemperature，theoptimumbasicityofPASis53.8%，atthatpoint，theturbidity-removalratewasmorethan90%intreatingrawwaterfromLiuxiRiverandKaolinwater.ComparedwiththePASexhibitedbroaderrangeoftemperaturecoagulantspolyaluminiumchloride（PAC）andaluminumsulfate（AS），

andinitialpHbecauseoffasterrateofhydrolysisandflocculation.Moreover，atrade-offanalysisofalulminiumspeciesandcoagulationtestshowedthatAlbistheadvantagespeciesincoagulation.

Keywords

Polyaluminiumsulfate，Basicity，Coagulant，Coagulativeperformance

聚合氯化铝（PAC）是在20世纪60年代末开发出来的一种混凝性能优良的净水剂，一般情况下，其混凝性能明显优于普通低分子铝盐净水剂，因而逐渐取代了硫酸铝而成为在水处理中应用最广泛的无

2］

PAC的混凝效果较差［1，。聚合硫酸铝（PAS）作机高分子混凝剂。但是，在处理低温和低pH原水时，2+3+

为一种新型无机高分子铝盐类混凝剂，不但可以除浊、脱色、除臭，还有较好的去除废水中Pb和Cr

等重金属离子、微生物、细菌、藻类等的效果围

［2］

［3］

，也有较宽的温度和pH适用范围。PAS不仅具有比传统

AS的混凝性能好及投加量小等优点，而且也具有比PAC更宽广的温度使用范围和对原水pH的适用范

。盐基度作为PAS的重要技术质量标准之一，与PAS水溶液中铝的形态分布有密切的联系，直接

［4～7］

影响到药剂的混凝性能、处理效果和使用成本。虽然研究者们对PAC的盐基度与混凝性能之间的关进行了较为透彻的研究系，

，也取得了较一致的实验结果和认识，但对于PAS的盐基度、铝水解聚

合形态分布、混凝优势形态及其与混凝性能之间的关系等，仍鲜见报道。本文在合成具有高稳定性PAS的基础上，研究了PAS的盐基度、形态分布及其对混凝性能的影响，以期对PAS的开发、生产和应用起到一定的指导或促进作用。

广东省重大专项（2006A36802001；2007A032400001）、广东省教育部产学研专项（2008A030202010）、高校基本科研业务专项基金和广东省高校水处理材料产学研基地项目资助

2010-04-21收稿，2010-07-10接受

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1

1.1

实验部分

主要仪器和试剂

6型智能型混凝搅拌机（深圳中润公司）；STZ2A24浊度仪恒温恒速自控反应装置（自制）；ZR4-

（无锡市光明浊度仪厂）；721分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）。

AS（工业级）；PAC（工业级，盐基度为.5%）；PAS（自制）；Ferron试剂；其它试剂均为分析纯。

1.2PAS的制备

先将一定量的液体AS加入反应器中，升温到指定温度，然后连续缓慢地加入碱化助聚剂，并以

60r/min的搅拌速度恒温恒速搅拌聚合反应2h，然后再熟化一定时间，得到Al2O3质量分数大于8%的稳定性能良好的液体PAS，液体产品的贮存稳定性大于2y，期间未出现沉淀和析晶现象。

1.3混凝实验方法

以高岭土配制的模拟水样和广州流溪河下游水源水（珠江北航道）为混凝处理对象。分别取

1000mL水样加入到ZR智能型六联电动混凝搅拌机的搅拌杯中，100、60和30r/min的转速，按300、分2.0、3.0和4.0min。在快速搅拌开始时，加入一定量的混凝剂。混凝搅拌结束后，静置别搅拌1.0、

10min，然后取上层清液测定剩余浊度。

1.4分析方法

PAS产品中Al2O3和盐基度的测定参照国际《水处理剂聚氯化铝》（GB152-2003）中规定的测定

Alb和Alc采用方法进行；水浊度由散射式STZ2A24浊度仪进行测定；PAS溶液中铝的形态分布Ala、

Ferron逐时络合比色法中的合加比色-缓冲溶液法［8］分析测定，所用Ferron试剂为Sigma公司分析纯试剂，测定中所用的其它试剂也均为分析纯。

2

2.1

结果与讨论

不同盐基度PAS中铝的水解聚合形态分布

在聚合铝混凝剂中，铝的形态分布不仅与其盐基度密切相关，而且也影响着其水处理混凝性能。本

［9］

实验采用Ferron逐时络合比色法分析不同盐基度的PAS样品中铝的水解形态分布规律。该方法将

聚合铝中铝的形态分为3类：Ala（络合反应时间<1min）为瞬时反应的单体及低聚态；Alb（络合反应时间在1～120min）为缓慢反应的低聚合态和中等聚合形态；Alc（反应时间>120min）为极慢的络合反应，代表络合反应的是高聚合态及氢氧化铝沉淀。图1为不同盐基度PAS用Al-Ferron逐时络合比色法测得的铝形态分布。

PAS样品的Ala与盐基度呈负相关关系；Alb呈先升高后降低的变化趋势，从图1可看出，即在盐基度从22.7%上升到53.8%的区间内Alb曲线为上升段，盐基度从53.8%上升到67.6%区间为下降段；Alc与盐基度则呈正相关关系。这是因为PAS在低盐基度时，低聚合态Ala为优势形态，铝主要应是以

3+2+

单核铝离子Al、羟基铝离子（Al（OH）和Al4+

（OH）2+）以及最初形成的二聚体［Al（OH）2］为主；

OH－离子增多，随着盐基度的提高，液体PAS样品中Ala结合OH－进一步生成多铝核羟基聚合体，导致Ala含量逐步减少而Alb含量逐渐增加。但是，当盐基度PAS不稳定，继续升高时，倾向于生成无定形氢氧化铝沉淀，导致Alb含量下降而Alc含量继续增加。

2.2PAS盐基度与混凝性能的关系

盐基度是无机高分子混凝剂的一个重要质量指

图1Fig.1

不同盐基度PAS中铝的形态分布

PAS盐基标，也是影响其混凝性能的重要因素，因此，度的高低，直接影响到其水处理混凝效果。若PAS盐

SpeciesdistributionofaluminiuminPAS

·1128·化学通报2010年第12期http：//www.hxtb.org

基度比较低，难以保证有足量聚合铝离子的生成，但因涉及稳定性的问题，故PAS盐基度也并非越高越好。

本实验所用原水为流溪河水及用高岭土配制的模拟水。两种水样的初设浊度分别为38.2NTU和119NTU。用不同盐基度的PAS对这2种水样进行处理，通过混凝实验，比较不同盐基度PAS的混凝效结果如图2所示。由图2可知，经过混凝处理的高岭土和流果。首先考察PAS投加量对余浊的影响，

溪河水样，随着PAS投加量的增加其剩余浊度迅速下降，但当PAS的投加量增加到2.5mg/L（以Al2O3计，下同）时，余浊变化开始趋于平缓。故选用2.5mg/L作为后续实验的药剂投加量。图3示出了当PAS的投加量为2.5mg/L时PAS的盐基度与余浊及流溪河水CODMn去除率的关系。

图2Fig.2

PAS投加量与混凝性能的关系TherelationbetweendosageandcoagulativepropertyofPAS

图3Fig.3

PAS盐基度与混凝性能的关系TherelationbetweenbasicityandcoagulativepropertyofPAS

pH=7.38；流溪河水浊度实验条件：高岭土水浊度119NTU，

38.2NTU，pH=7.23；水温为26℃；PAS的盐基度为53.8%

pH=7.38；实验条件：高岭土水浊度119NTU，

pH=7.23，COD=8.5mg/L；流溪河水浊度38.2NTU，

·L－1水温为26℃；PAS投加量2.5mg

从图3可知，无论是流溪河水还是高岭土模拟水样，混凝沉淀处理后，上清液中剩余浊度均是随着盐基度增大先降低而后升高。当盐基度在20.0%～53.8%范围递增时，余浊逐渐降低，这说明PAS混凝作用逐渐增强；然而，当盐基度高于53.8%时，随着盐基度的增加，余浊反而逐渐增加。CODMn的去除随着PAS盐基度的增大先升高后降低。这些结果表明，在一定的实验条件率亦是以53.8%为转折点，

下，具有更高盐基度的PAS，其混凝性能反而下降。PAS表现出的这一盐基度与混凝性能之间关系，与PAC的混凝性能随盐基度的升高而增强的变化关系［4］不同。就本实验条件下的PAS而言，当其盐基度在53%左右时，混凝性能最佳，结合图1中Alb曲线可知，在PAS中Alb应为混凝优势形态。这与大部

［10～13］

。但也有文献［14］认为，PAS的混凝优势形态为Alb与Alc两分研究者对PAC研究的结论相吻合

因为Alc形态倾向于生成带电量较低的无定形氢氧化铝沉淀，新生成的无定形沉淀具有很大比表部分，

面，在其形成进程中颗粒物可粘附卷扫于沉淀中而被除去，故PAS的混凝以电中和及网捕卷扫两种作用共存。

其实，在铝盐类或铁盐类混凝剂中，究竟哪些离子形态才是使混凝性能提高的主要优势形态，不仅与混凝剂的自身结构特性有关，而且还与待处理水的水质有关，甚至也与水处理试验条件有一定关系。在水处理工程实践中，同一无机混凝剂，也往往在处理不同水质和不同试验条件下时，表现出不同的混凝处理效果。因此，这方面的研究工作仍需进一步深入。

2.3温度对PAS混凝性能的影响

AS混凝剂的最大问题是低温时水解反应慢，絮凝体形成速度慢，且絮体小、沉降慢，导致混凝效果

不佳。AS聚合后形成的PAS则很好克服了其原有的缺点，水解和絮凝体形成速度显著加快。图4和图5是用盐基度53.8%的PAS与AS、PAC，对流溪河水及高岭土模拟水样在不同水温下进行混凝处理的3种混凝剂的投加量均为2.5mg/L（以Al2O3计）。实验结果，

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图4Fig.4

水温对不同药剂处理高岭土水的影响Theeffectoftemperatureontheresidual

turbidityofkaolinwater

图5水温对不同药剂处理流溪河水的影响

Theeffectoftemperatureonthe

Fig.5

residualturbidityofLiuxiRiver实验条件：河水浊度为34.2NTU；三种混凝剂·L－1，投加量均为2.5mg其中PAS盐基度53.8%

实验条件：高岭土水浊度为186.8NTU；三种混凝剂·L－1，投加量均为2.5mg其中PAS盐基度53.8%

由图4和图5可知，无论是处理高岭土水还是流溪河水，温度对AS的混凝性能影响最大，对PAC的混凝性能影响次之，即随温度下降，混凝效果显著下降；而温度对PAS的混凝性能影响不显著，即使在低温时也有相对较好的混凝除浊效果。这说明本实验选用的盐基度为53.8%的PAS具有更宽广的温度适用范围，不仅适用于常温水处理，而且还适合于低温使用。PAS在低温时的优良混凝除浊性能，与其在触水后所表现出的强烈水解能力有关，这种快速水解反应，即使在低温下也仍能较快发生PAS的这一显著的低温混凝特性，将使其在处理北方的低温水源水时具有更好的应用前景。

［15］

。

2.4原水pH对混凝性能的影响

原水的pH对无机混凝剂的混凝性能有较大影

AS和PAC的水解反应受到一定在低pH范围内，响，

PAS抑制，故其混凝效果较差。与AS和PAC相比，在水中的水解迅速即具有触水水解的特性，故其受pH的影响相对较小。图6是3种混凝剂的除浊效果与原水pH之间的关系曲线图。

由图6可知，原水的pH对3种混凝剂的混凝除3浊效果有不同程度的影响。当原水的pH<6时，种药剂混凝处理后剩余浊度都很高，混凝效果差，但PAS好于AS和PAC；当pH=6时，PAS是相比之下，

混凝除浊效果良好，处理后水中剩余浊度下降到2.5NTU，而AS和PAC的混凝效果仍较差，分别为58.0NTU和20.3NTU；当pH在7～9之间时，PAS、PAC及AS的效果均较好。若pH继续升高，除浊效

PAS的pH适用范围相对较宽。这为PAS在给水与污果又出现下降的趋势。可见，与PAC和AS相比，水混凝沉淀处理中提供了更广阔的应用空间。

Fig.6

图6

pH对不同药剂混凝性能的影响TheeffectofpHoncoagulativeperformance

ofdifferentcoagulants

实验条件：高岭土原水浊度160.0NTU；三种混凝剂·L－1，其中PAS盐基度53.8%投加量均为2.5mg

3结论

制备的系列液体PAS混凝剂的Ala与盐基度呈负相关关系；Alb呈先升高后降低的变化趋势，在盐

PAS出现Alb最大值；Alc则与盐基度呈正相关关系。系列PAS的混凝性能随着盐基度值为53.8%时，

基度的增加，其混凝性能呈现先增强后减弱的变化规律，当PAS盐基度为53.8%左右时，混凝性能最Alb为混凝优势形态。优。上述结果表明，在PAS中，

PAS在低温和弱酸性（pH=6左右）条件下仍能表现出相对优良的混凝性能，与PAC和AS相比，

·1130·化学通报2010年第12期http：//www.hxtb.org

且具有的更宽的温度和pH适用范围，将使其在水的混凝处理中得到更广泛的应用。

参

考

文

献

［1］侯曼玲，2003，23（11）：47～49.卫艳新，盛利元等.工业水处理，［2］汪琳，2009，30（3）：277～281.李明玉，方刚等.暨南大学学报，［3］王士才，1997，17（2）：17～20.李宝霞.工业水处理，

［4］董申伟，2007，27（2）：53～56.李明玉，陈伟红等.工业水处理，［5］赵艳，2004，21（2）：212～214.张冰如，李霞等.应用化学，

［6］AMasion，PMBertsch.PlantCellandEnvironment，1997，20：504～512.［7］贾志谦，2004，16（2）：149～154.何菲，刘忠洲.化学研究与应用，［8］冯利，1993，12（5）：373～379.栾兆坤，汤鸿霄，环境化学，

［9］WZZhou，BYGao，QYYueetal.ColloidsandSurfacesA：Physicochem.Eng.Aspects，2006，（278）：235～240.［10］DWang，HTang，JGregory.Environ.Sci.Technol.，2002，36（8）：1815～1820.［11］李润生，李

2002，18（10）：45～48.凯.中国给水排水，

［12］BYGao，QYYue，HYuetal.J.Environ.Sci.，2001，13（1）：108～114.

［13］汤鸿宵，2000.149钱易，文湘华等.水体颗粒物和难降解有机物的特性与控制技术原理（上卷），北京：中国环境科学出版社，

～157.

［14］秦建昌，2004，23（5）：515～519.冯雪冬，栾兆坤等.环境化学，［15］喻国贞，2006，30：69～72.汤明，江慧娟.江西化工，

王丽燕

1985年10月生于广东省韶关市翁源县2008年毕业于暨南大学本科现系暨南大学环境工程专业硕士生主要从事水处理材料与水处理技术等研究

E-mail：wly2712320@126.com

李明玉

19年9月生于河南省卫辉市

1995获华南理工大学环境工程专业工学博士学位从事水处理工程与技术、水处理药剂研究与应用、工业固体废弃物资源化处理技术、清洁生产研究等E-mail：tlimy@jnu.edu.cn