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无机高分子混凝剂的发展

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　[摘要]随着环境污染的日益加剧，水资源的再生利用对现实社会具有深远的意义。传统的永处理工艺已跟不上实际要求，研制和开发新型高效、经济的无机混凝剂，已成为一十重要与紧迫的研究课题。近十几年来，无机高分子混凝剂(IPC)的研究、发展受到了国内外水处理界的广泛重视。本文概括了无机高分子混凝剂的研制和开发现状；介绍了聚合铝、聚合铁、聚合硅酸和复合型四种无机高分子混凝剂的混凝作用机理和应用；并对无机高分子混凝剂今后的研究发展方向作出展望。
　　[关键词]无机高分子混凝剂　混凝　发展
　　
　　随着全球化进程的加剧。人类面临着日益严重的全球性环境污染和资源枯竭的重大问题。水处理剂在防止或消除污染，保护资源和环境方面正起着越来越重要的作用。混凝是常规水处理工艺中的关键环节之一，混凝剂的优劣直接髟响到混凝效果。无机高分子絮凝剂自60年代开发以来，因其絮凝效果较好，价格相应较低，而有逐步取代传统的铝盐、铁盐等无机絮凝剂，成为主流水处理剂的趋势。在我国絮凝剂市场上，传统絮凝剂的用量仅占20％，而无机高分子絮凝掷的用量则占80％以上。近年来，这类絮凝剂的研制和应用正成为热点，专利产品也有逐年增加的趋势。
　　
　　一、传统混凝剂与无机高分子混凝剂的混凝机理
　　
　　传统絮凝剂在投药后主要经过水解和吸附过程，在浓溶液中的化合态主要是单体初聚物A11-3投入水中后发生水解，向生成初聚体和低聚体816-8方向发展或直接生成Al(OH)3,。这些低聚体以及沉淀物吸附在颗粒物的表面。发挥电中和及粘结架桥或卷扫作用。
　　而高质量的无机高分子絮凝剂与颗粒物的吸附实际是表面络合配位作用，表面羟基将会适当补充其未饱和位，吸附在表面后，仍会从溶液申吸取羟基。继续其水解沉淀过程，直到饱和成为氢氧化物沉淀凝胶，与颗粒物一起生成絮团。因此，无机高分子的凝聚——絮凝机理实际是表面络合与表面沉淀过程。
　　传统絮凝剂作用机理是絮凝剂投入水中后，经水解而全部水解生成氢氧化铝沉淀，实际是带电荷的氢氧化铝凝胶吸附在颗粒物表面发挥凝胶——絮凝作用。无机高分子的作用机理则与此不同。它们是投入水中后主要以Al1-3直接吸附在颗粒物表面。在表面上继续水解而转化为沉淀，由此进行电中和及牯结架桥的凝聚——絮凝作用，因此，无机高分子的絮凝计算模式应是建立在表面络合及表面沉淀的基础上。
　　
　　二、无机高分子絮凝剂的研制和开发现状
　　
　　无机高分子絮凝剂传统上可分为聚合铝、聚合铁、聚合硅酸以及复合型无机高分子絮凝剂四大类，但按照水中胶粒所带电荷种类也可以将其分为阳离子型、阴离子型和若干复合系列。
　　无机高分子絮凝剂的研制与开发大致经历了以下4十阶段；①聚合铝、聚合铁或聚硅酸；②在聚台铝、聚合铁或聚硅酸中引入单种金属离子AL或Fe；③在聚合钼、聚合铁或聚硅酸中同时引入两种金属离子Al和F：④在聚合铝、聚合铁或聚硅酸中引入多种金属离子AL、fe、Mn、Ca等。改性的目的是引入某些高电荷离子以提高电荷的中和能力，引入羟基、磷酸根等以增强配位络合能力，从而达到改善其絮凝效果的目的。
　　聚合铝的缺点是在热力学上不稳定而失去活性。为保证其有适宜的储存性能租适度的稳定性，必须控制适当的碱化度和聚台度成加入稳定增效剂。尤其是活性铝，毒性较大，同时聚铝制备方法不完善，致使较多水解铝的徽细颗粒存在于溶液中，这在一定程度上限制了聚合铝的使用。通过改善混凝反应条件，延长慢速混凝时间，能有效降低水中铝的含量。对聚铁来说，其盐基度越高，分手聚合度越大，形成的羟基配合物就具有更多的电荷和更大的表面积，絮凝性能也就更好。因此制备聚合铁时，盐基度的控制是一个关键因素。
　　聚硅酸对细泥类悬浮物有加速沉淀的作用，其最大缺点是稳定性差，在溶液中能自行聚台成不溶于永的高聚物，只能现配现用，而向硅酸溶胶中加入某些金属离子，可以阻止或减缓硅酸缩聚时间，同时也可以延长聚硅酸的存入时间，但还无法制备出聚硅酸金属盐混凝剂的固体产品。使其应用范围大大受到了限制。
　　无机复合型高分子絮凝剂中由于引入其它离子，尤其是高电荷离子，其聚合度和电荷中和能力大大加强，絮凝性能远优于聚硅酸或单独的聚金属离子。其缺点是制备过程操作技巧性比较强，产品成本也鞍高。与无机高分子絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂投加量少。絮凝速度快，受共存盐类、pH和温度等周围环境影响小：另外，有机高分子絮凝剂分子所带的－NH－、－COO－、－SO3－，等具有链状、环状等多种结构的亲水基团，有利于污染物进人絮凝体，脱色性好。但有机高分手絮凝剂的水解或降解产物多有毒，而且价格较高。而无机一有机高分子絮凝剂连用正好可以综合二者的优点，因此无机一有机复合型应用前景广阔。
　　
　　三、各类无机高分子混凝剂的混凝作用机理及应用
　　
　　1、聚合铝
　　①混凝作用机理
　　聚合铝包括聚合氯化铝和聚合硫酸铝。聚合铝实际上是一种多铝多羟基络合物，它是一条件控制下铝盐的水解——聚合——沉淀过程的中间产物。在水解过程中，铝由单体逐步聚合，其形态转化过程为：A13+→A12(OH)4+2→A17(OH)5+16→Al1304(OH)7+24
　　水处理中聚合铝的混凝作用机理是：以其水解产物对水中颗粒或胶体污染物进行电中和和脱稳，吸附架桥或牯附卷扫而生成粗粒絮凝体再加以分离去除。对混凝过程中起主要作用的因素是药剂投加置。pH值和颗粒表面积浓度等参数。
　　②应用
　　聚合铝，特别是聚合氯化铝具有絮凝体形成快、沉降迅速、混凝效果好、污泥脱水容易、对原水性质变化适应性强、适宜的范围宽、用量小、腐蚀小、成本低等优点。因而广泛地应用于给水净化、废水处理以及铸造、轻工、医药、机械等方面。
　　2、聚合铁
　　①混凝作用机理
　　铁系无机高分子混凝剂主要有聚合硫酸铁和聚合氯化铁，其中聚合硫酸铁是主要的品种。聚合铁是一种多核多羟基络合物，是一定条件下铁盐的水解——聚合——沉淀过程的中间产物。
　　聚合铁的混凝作用机理较复杂，这是因为Fe3+有很强的水解——聚合——沉淀趋势。其混凝效果由一系列水解、聚合过程所支配，其独特的混凝性能是由于它在水溶液中存在着[Fe2(OH)3]3+、[Fe2(OH)2]4+、[Fe3(OH)6]3+等络合离子，通过羟基架挢作用，生成多核络离子聚合物。分子量达105。这些络合物进一步水解，产物通过吸附、交联、架桥作用，使胶体颗粒凝聚。同时中和水中颗粒及胶体污染物电荷，压缩胶粒的双电层，降低胶体电位，使皎体脱稳；此外Fe3+水解最终产物为Fe(OH)3沉淀，其絮状沉淀有较大表面积，约为200～1000m2／g，因而还有沉淀网捕作用。
　　②应用
　　聚合铁混凝剂具有较强的除浊，去除COD及重金属离子的能力，同时还具有脱色、脱臭、脱水等功能。其适宜的pH范围广，絮凝体比重大沉降迅速，在低温时也有较好的处理效果，因而它广泛应用于给水净化，废水处理及造纸、印染、皮革、冶金、食品、化工等行业。
　　
　　3、聚合硅酸
　　①混凝作用机理
　　聚合硅酸是用酸或酸性反应的盐或气体，对水玻璃的稀溶液进行部分中和而制成的，是硅酸聚合到一定程度的中间产物。聚硅酸在通常条件下组分带负电荷，属阴离子型无机高分子物质，而水中肢体粒子表面一般也带有负电荷，因而聚硅酸对水中的胶粒不具有电中和作用，它对胶体的絮凝是通过吸附架桥使柆子粘连完成的。
　　②应用
　　聚硅酸可作为混凝剂或助凝剂使用，具有原料来源广、无毒、成本低、聚合方法简单等优点，对细泥类悬浮物还有加速沉淀作用。但其稳定性差，在溶液中能自行聚合形成不溶于水的高聚物，必须在使用前临时配制，因而它在实际净水处理过程中的应用受到了很大限制。
　　
　　4、复合型无机高分子混凝剂
　　为了进一步提高混凝剂的净水能力。改进产品质量，人们研制了复合型无机高分子混凝剂。
　　聚合铁、聚合铝等无机高分子混凝剂成本高，某些场合处理效果不理想等缺点。而研究发现某些金属离子(如A13+、Fe3+)对聚硅酸的混凝作用有很大的影响，能增加形成絮体体积。提高其低温混凝效果；此外金属离子还能延缓硅酸的胶凝，改变聚硅酸的稳定性能，这样就有可能研制出新型聚硅酸混凝剂。于是人们开发了含铁铝离子的聚硅酸混凝剂。实验结果表明，这种新型混凝剂是一种优良的水处理剂，其混凝性能优于其它传统无机高分子混凝剂且成本较低，是一种有发展前途的混凝剂。
　　
　　四、无机高分子混凝剂的研究发展方向
　　
　　随着经济的发展和人们生活水平的提高，工业和城市生活污水的水质变得越来越复杂，对水处理剂复合功能的要求也越来越高，迫切要求开拓混凝剂的生产视野和应用范围。通过引入其它离子或加入助凝剂的方法来制备多功能复合型絮凝剂将是这类絮凝剂研制和开发的主要方向。新型复合型絮凝剂应能适合多变的水质(pH、COD、悬浮物等的波动)，还具有杀菌、脱色、除COD、缓蚀等功能中的一种或几种，如絮凝－杀菌剂、絮凝－缓蚀－阻垢剂等。我国在这方面已经有成功的先例。在聚合铁铝钾中加入适量的苏打和漂白粉等制成水质净化消毒剂，能有效地除去工业废水等废水中的悬浮物，还可以杀菌，降低CODCr的含量和色度，处理饮用水能达到“非常清洁”的标准。
　　
　　五、结语
　　
　　水资源的再生利用对现实社会具有深远的意义。传统的水处理工艺已跟不上实际需求，研究发展新型高效、经济的水处理，是当前国内外水处理领域中的研究新课题。
　　无机高分子絮凝剂的研究主要要提高两方面的技术，一是研制开发新型高效能的絮凝药剂，二是研制开发适合于高效能的絮凝剂反应特征的新型絮凝过滤反应器，只有这样才能提高水处理效果。