聚合氯化铝铁絮凝剂的性能与应用

背景及概述^[1-2]

在工业和生活应用中无机絮凝剂最为广泛，主要分为铝盐和铁盐两大类。它们各自有一系列成熟的产品，其中传统的低分子絮凝剂如硫酸铝、氯化铁等，由于投量大、处理成本高已逐渐被新型的无机高分子絮凝剂所代替，如聚合氯化铝、聚合氯化铝铁、聚合硫酸铁即是其中的主要代表。聚合氯化铝铁絮凝剂是一种优良的无机高分子絮凝剂。它在使用时具有絮体形成快、沉淀性好，水中碱度消耗少，特别是对水温、pH 值、浊度和有机物含量变化适应性强等优点。自1980 年关于聚合氯化铝铁絮凝剂 的第1 件欧洲专利公开之后，聚合氯化铝铁絮凝剂 制备、应用的专利与报道在我国逐年增加，传统工艺是在混合水溶液中加入Cl -、Al3 +、Fe3 + 和碱化剂，稳定pH 值，经过一定时间的熟化得到聚合氯化铝铁液体，然后取上层液干燥得固体聚合氯化铝铁絮凝剂。其工艺制作周期长，条件复杂，产品纯度低，含盐量较高等特点。

性能

聚合氯化铝铁絮凝剂 的结构与其Al/Fe 摩尔比紧密相关。在Al/Fe 摩尔比1∶9 ～ 2∶8 区间，由于Al(Ⅲ)的催化作用，增加了Fe(Ⅲ)的结晶中心，促使Fe(Ⅲ)胶团的形成。大量Fe(Ⅲ)接枝于结晶中心，快速形成的含铝Fe(Ⅲ)羟合物胶团呈无定形体、结晶细小，成为该热力学条件下的亚稳定变体。在Al/Fe 摩尔比3∶7 ～ 5∶5 间，出现低结晶度的β -FeOOH 或水羟合铁(Ferrihydrite)沉淀，部分Al(Ⅲ)离子作为共沉淀进入铁相，溶液极不稳定。当Al/Fe 摩尔比>5∶5 后，Al(Ⅲ)对Fe(Ⅲ)羟合物胶团的进一步晶化的抑制作用大于催化作用，Al(Ⅲ)水解。形成的大量低合聚度Al(Ⅲ)羟合物包围着已经长大为100nm 左右的Fe(Ⅲ)羟合物胶团，使两者共聚。[ Fe(Ⅲ)羟合物胶团] Al-OH [ Fe(Ⅲ)羟合物胶团] Fe -HO-Al同时，键合大量Al(Ⅲ)羟合物的Fe(Ⅲ)羟合物胶团相互联接成环，形成网状及立体结构，其间的配位水转为结构水形式。

由于Al(Ⅲ)羟基配离子与Fe(Ⅲ)羟基配合物的竞争存在与交叉共聚，使大量粒径在100 ～500nm 之间的Fe(Ⅲ)羟合物胶团能在高聚合度、pH >3 的条件下以显微亚稳态存在。一旦被投入水体，由于pH 的跃升使这种高聚合度的Fe(Ⅲ)羟合物胶团失稳，并被迅速吸附于带负电的颗粒之上、水解，生成具有一定大小的氢氧化物沉淀；而该羟合物胶团中与Fe(Ⅲ)键合在一起的低中聚合度的Al(Ⅲ)羟合物因水解速度慢，尚来不及水解就被同时吸附，发挥电中和作用并进一步促进絮体的成长。此外，聚合氯化铝铁絮凝剂 中Al(Ⅲ)羟合物与Fe(Ⅲ)羟合物胶团的交叉共聚可能生成接枝状体型共聚物，它们除比表面积增大之外又能在流体场中沿速度梯度定向排列，增加在非对称部位的絮体的凝结，从而使Al -Fe共聚物对絮凝过程中的吸附、电中和脱稳凝结，粘接架桥、卷扫絮凝等作用达到协调一致。

应用^[3]

1.原水，自来水的处理

聚合氯化铝铁絮凝剂 用来处理松花江水和长江水取得了良好的效果。聚合氯化铝铁絮凝剂 用于处理松花江水，其用量显著少于PAC ；处理长江水其费用也大大低于聚丙烯酰胺。若将聚合氯化铝铁絮凝剂与FeCl3 联用处理长江水，还可节约FeCl3用量约1/3。上海同济大学环境工程学院用聚合氯化铝铁絮凝剂处理扬树浦水厂原水时发现，聚合氯化铝铁絮凝剂对4 ℃以下原水混凝效果理想。

2. 工业废水处理

用聚合氯化铝铁絮凝剂 处理高浊度工业废水可以简化水处理工艺，仅用平流沉降池就能取得较好的效果。瓮安煤矿用聚合氯化铝铁絮凝剂 处理洗煤废水，每年可将500kt 含煤泥大于4000mg/ L 的洗煤废水处理回用，四年来取得了很好的经济效益和环境效益.济南炼钢转炉烟尘洗涤水含铁量很高，悬浮物含量一般在3000mg/L 左右，采用平流沉降池加聚合氯化铝铁絮凝剂 处理后，悬浮物含量小于200mg/L，日处理量为16800m3，投药成本仅为0.02 元/t。用聚合氯化铝铁絮凝剂 处理印染废水，废水中COD，色度的除去率分别为90.5 %和87 %，优于使用PAC 的效果，达到排放标准。

制备^[1]

方法1：：准确称取原料煤系高岭石100g 放入坩埚内在马弗炉中煅烧，800℃ 下恒温2h，取出放入三口瓶中，用一定浓度的盐酸充分混合，搅拌，在70℃进行酸浸反应维持17h。酸浸液离心分离后，引入适量的Fe3 + 升温到102℃进行聚合反应，反应一段时间后加入助剂氧化钙，搅拌使之聚合、浓缩，最后的液体产品聚合氯化铝铁( 聚合氯化铝铁絮凝剂)。

方法2：

1）凝胶氢氧化铁的制备及称取

准确称量一定质量的氯化铁用蒸馏水全部溶解，得到氯化铁溶液，加入稍过量的氢氧化钠溶液使Fe3 + 全部沉淀，经过减压抽滤、去离子水洗涤使凝胶的pH = 7，并且除去凝胶里的氯化钠，得到比较洁净的氢氧化铁凝胶。根据氯化铁的投入量计算凝胶中氢氧化铁的物质的量。由于氢氧化铁的物质的量与凝胶的体积成正比，在总体积中量取一定体积的氢氧化铁凝胶溶液就得到了一定物质的量的氢氧化铁。

2）聚合氯化铝铁的制备

分别称取一定质量的氯化铝和上一步制得的凝胶氢氧化铁混合放到干净烧杯中，加入适量无水乙醇。用加热套加热并且不断地搅拌，使固体全部溶解。继续蒸馏除去溶液中少量的水分，然后再把溶液放到电热鼓风干燥箱蒸干得到纯净固体聚合氯化铝铁，蒸出的乙醇经过处理可以循环利用。

主要参考资料

[1] 聚合氯化铝铁( 聚合氯化铝铁絮凝剂) 絮凝剂的合成及性能研究

[2] 聚合氯化铝铁絮凝剂制备工艺

[3] 聚合氯化铝铁的制备及应用