pac的生產技術(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 面上的吸附形態，可以理解為“躺”在水平面上的水平型吸附，這種吸附比垂直型、回線型吸附更強烈，吸附層更薄也更完整。但是，目前對提高兩性絮凝劑吸附性能的研究還比較少，對兩性絮凝劑吸附力（物理吸附 作用力與化學吸附作用力）和表面吸附狀態的研究都還有待不斷發展。 對無機絮凝劑作用機理的探討一直是推動其發展的根本所在，傳統鋁、鐵鹽的絮凝作用機理，即以其水解形態與水體顆粒物進行電中和脫穩、吸附架橋或黏附網捕卷掃，從而形成粗大絮體再加以分離。由于水解反應極為迅速，傳統鋁、鐵鹽在水解過程中并未形成具有優勢絮凝效果的形態。無機高分子絮凝劑之所以高效的原因，就是在于其預制過程中形成具有一定水解穩定性的優勢絮凝形態為主的產物。有關聚合鐵水溶液的研究表明， Fe(Ⅲ )具有強烈的水解傾向，其配位水分子可以連續離解失去質子而轉 化為結構羥基，從而生成多種可能的單體形式。繼而快速聚合生成低聚體或晶核，并趨向于進一步聚集成高分子形態。而復合無機高分子絮凝劑具有更為突出的效果，其制備方法可以歸結為兩個大的方面：其一是在聚合鐵的制造過程中引入一種或一種以上的陰離子，從而在一定程度上改變聚合物的形態結構及分布，制造出一類理想的新型聚合鐵類絮凝劑；其二是依據協同增效的原理將聚合鐵與一種或超過一種的其他化合物 (包括有機的或無機的 )復合制得一類新型高效絮凝劑。 第 12 頁 共 45 頁 論文研究目的和內容 研究目的和意義 水處理技術一般有沉淀處理等物 理處理、絮凝劑在用水與廢水處理和生產過程的固液分離中占有重要的地位。以水處理為例 ,絮凝能有效脫除 80%～ 95%的懸浮物質和65%～ 95%的膠體物質 ,可有效降低水中 COD；絮凝對除去水中的細菌、病毒效果穩定 ,通過絮凝凈化 ,一般能把水中 90%以上的微生物與病毒一并轉入污泥 ,使處理水的進一步消毒、殺菌變得比較容易。使用性能優越的絮凝劑，控制合適的加藥量及混合反應條件，再經沉淀或過濾，便能獲得理想的處理效果。 本論文以氯化鋁為原料制備聚合氯化鋁， 然后 與高分子絮凝劑和其它藥劑進行復配，得到高性能、多功能的復合絮凝劑， 將用于印染廢水、重金屬廢水的處理。 研究內容 本論文主要研究內容是確定實驗室制備 PAC 的方法，找出生產 PAC 的最佳參數，并測量該 PAC 的各項標準，然后用該種 PAC 做高嶺土廢水的絮凝實驗，找出其絮凝的最佳參數，最后用該種 PAC 和 PAM 進行復合使用，找到其復合使用時的最佳參數。 本論文的預期目標是：生產出來的 PAC 符合國家標準； PAC 的絮凝效果不比市面上的差； PAC 和 PAM 復合使用后絮凝效果有很大的提升。 研究內容： （ 1）聚合氯化鋁的生產及制備工藝參數的優化 水解法， 以 結晶氯化鋁 為原料制備 PAC。稱取一定量的結晶氯化鋁，分別加入不同的蒸餾水，在 100攝氏度水浴上加熱到水分蒸發完全成固體時停止水浴加熱，稱重，置于干燥器內貯存。其反應如下： 3 2 2 26 ( ) ( 1 2 )nA lCl H O n H O A l O H n H O n H Cl?? ? ??? ? ? ? 6 2 6 2( ) [ ( ) ]n n n n mm A l O H Cl m H O A l O H Cl H O???? ??? ? （ 2）產品性能的測定（ 先和國家標準相比較，測定該產品的相關的系數 包括水不溶物含量、氧化鋁含量、 PH值等。要求達到或者超過國家標準。然后 和市面上的 PAC相比較， 主要通過實驗進行 比較 。通過在印染廢水中投加相同重量的不同產品，比較 其絮 凝的時間、 絮凝的 效果 等 ） （ 3）聚合氯化鋁和其 它物質 的復配 —— PAC和有機化合物的復合使用（ 陽離子 PAM、陰離子 PAM）。并 確其定復配的最佳比例（由第 4點來確定）。 第 13 頁 共 45 頁 （ 4）測驗聚合氯化鋁的復配物對印染廢水的處理效果（濁度、色度 、 絮凝效果 以及最佳絮凝條件的確定 等） 該項目由另一位同學做，在此不在贅述。 第 14 頁 共 45 頁 第 2 章 聚合氯化鋁的制備 聚鋁的制備方法 國內生產 PAC 的方法有許多 ,目前主要以酸溶一步法、酸浸中和兩步法、凝膠法、熱分解法等為主。常用原料主要有單質鋁 (鋁錠、 鋁灰、鋁屑等各種鋁加工下腳料 ) 、含鋁礦物 (如鋁土礦、粘土、高嶺土、明礬石、煤矸石等 ) 、鋁鹽化合物 (如三氯化鋁、硫酸鋁等 ) 、粉煤灰等。 PAC 的制備可分為以下幾種： 金屬鋁溶解法 該法所用原料主要是鋁加工過程中的下腳料 ——— 鋁屑、鋁灰和鋁渣、鋁型材加工廢渣等 ,在工藝上 ,該法可分為酸法、堿法、中和法三種。 酸法是將含鋁原料溶解于鹽酸中 ,經反應加水 ,水解過濾 ,除去鋁渣 (可循環使用 ) ,在一定溫度下聚合一定時間 , 不斷測其鹽基度至合格 , 得液體產品。該法具有反應速度快、設備投資少、工藝簡單 、操作方便的優點 ,是我國以金屬鋁為原料生產 PAC 的主要工業化方法。但由于產品中雜質含量偏高 ,尤其是金屬元素含量常超標 ,產品質量不穩定 ,設備腐蝕嚴重 。同時由于原料來源極為有限 ,生產過程會產生大量氫氣、氯化氫、水蒸氣、粉塵等 ,控制不當易引起爆炸 ,安全性較差 ,故多見于小規模露天生產或手工操作企業。 堿法生產由于工藝復雜、投資大、成本高 ,而且用堿量大 ,需大量鹽酸中和至 pH 為 4～5 ,應用受到一定限制。 中和法則綜合了酸法和堿法的優點 ,其主要機理 :鋁原料與鹽酸反應后 ,通過鋁酸鈉調節鹽基度 ,濃縮、除鹽得產品 PAC。中和法的關鍵在于合成 PAC時 ,鋁酸鈉和 3AlCl 溶液之間的配比必須嚴格控制。 鑒于鋁灰中含有較多的有害雜質 ,其生產的 PAC用于飲用水的凈化會危害人體健康 ,國家建委 1991年已提出不允許使用有害雜質的鋁灰生產用于給水處理的凈水劑。 鋁鹽化合物生產法 鋁鹽化合物 3AlCl 、 2 4 3()Al SO 等可采用強堿直接堿化 ,使鋁鹽水解和聚合制得 PAC。該法的關鍵是鋁鹽的充分水 解 ,為此可向鋁鹽溶液不斷滴加稀堿溶液 ,并充分攪拌以避免局部堿過量而產生氫氧化鋁沉淀。 以 3AlCl 為原料制備 PAC工藝簡單 ,在強烈攪拌下 ,緩慢滴加 NaOH 溶液 ,直至達到要求 第 15 頁 共 45 頁 的鹽基度 ,即得產品 PAC。 以硫酸鋁和氯化鋁為原料生產 PAC,則采用硫酸鹽沉淀法 ,在硫酸鋁和三氯化鋁的混合液中加入石灰、石灰石 ,使硫酸根離子和鈣生成難溶的硫酸鈣沉淀 ,從混合液中分離 ,使鋁氯物質的量比增大 ,從而得到一定鹽基度的 PAC。 若以結晶氯化鋁為原料 ,也可采用沸騰熱解法制得固體 PAC ,結晶氯化鋁在一定溫度下熱解 ,分解出氯化氫和水 ,聚合變成粉狀產物 ,即 PAC (熟料 ) ,將熟料加一定量水攪拌 ,在較短時間內固化成樹脂性產物 ,經干燥、粉碎即可得固體 PAC 產品。 該法生產設備投資大 ,由于鋁鹽價格較昂貴 ,相對生產成本高 ,工業生產應用較少。但產品較純 ,常用于化驗室制備少量實驗樣品。 氫氧化鋁法 (1) 凝膠法 常壓下 ,結晶 3()Al OH 在鹽酸中溶解度較小 ,通常溶出液中鋁的當量比小于 1. 0 ,為此 ,必須首先將結晶 3()Al OH 變為無定型凝膠狀 ,主要通過以下反應完成 : 3()Al OH +NaOH＝ Na 4()Al OH 2 4NaAl (OH) + 2CO =2 3Al (OH) ↓ + 23NaCO + 2HO 2 3()Al OH +(6 n) HCl= 2 6nAl (OH) nCl + (6n) H2O 該工藝的關鍵是碳酸化分解 ,分解過程中若條件控制不當 ,制得凝膠氫氧化鋁在鹽酸中溶解性不好 ,或即使溶解 ,產品的穩定性也不好。分解反應也可利用碳酸氫鈉代替二氧化碳。此工藝的優點是生產條件溫和 ,產品質量好。缺點是流程長 ,生產成本較高。 中國科學院生態研究中心等單位近年開發了利用拜耳煉鋁生產過程的中間產物3Al (OH) 凝膠生 產 PAC的工藝。即采用過量氫氧化鋁凝膠與鹽酸在 150～ 180℃和 MPa 下制得液體 PAC,經濃縮、烘干 ,即得固體 PAC產品。 該生產工藝簡單 ,產品質量穩定 ,無三廢產生 ,但反應條件苛刻 ,對設備要求較高 ,腐蝕性強 ,一般市售搪玻璃反應釜難以適應 ,生產中確保質量頗為不易。 (2) 氫氧化鋁酸溶二步法 該法有兩次酸溶過程 ,工業氫氧化鋁用硫酸溶解生成硫酸鋁溶液 ,硫酸鋁溶液與氨水以一定的配比進行水解反應 ,制備活性堿式硫酸鋁凝膠 ,反應完畢后 ,將料漿送入壓濾機壓濾 ,濾液 (硫酸銨 ) 回收 ,濾餅再與鹽酸在常溫下進 行聚合反應 ,即可制得液體 PAC 成品。該工藝是國內外最重要的工業化生產方法 ,工藝簡單、成熟 ,投資少 ,產品質量穩定 ,性能好 ,成本低 ,鋁溶出率可達 70 %～ 95 %。 第 16 頁 共 45 頁 (3) 氫氧化鋁酸溶一步法 近年來 ,白文科等開發了一步酸溶工藝 , 將 20 %鹽酸與氫氧化鋁按質量比 應器 ,同時加入質量分數為 5. 8 %的硫酸作助溶劑 ,攪拌、升溫至 80～ 90℃ ,保持體系壓力在0. 2 MPa 左右 ,反應 h,此時大部分固體氫氧化鋁溶解 ,以氨水調節體系 pH 至 3. 5 ,得黃色透明液體 ,經降溫、過濾得產品。 該生產工藝簡單 ,設備投資小、生產周期短、產品質量優良 ,是一種值得推廣的生產工藝。 另外 ,劉振明一步酸溶法工藝主要技術為 :在反應釜中把氫氧化鋁和工業鹽酸混合均勻 ,添加催化劑 ,用蒸汽加熱 ,反應 6～ 8h ,然后在沉淀槽中沉淀 ,再在干燥機中干燥 ,直接制得產品。該工藝簡單 ,產品重金屬離子含量少 (不含氟和汞 ) 、穩定性高 ,鹽基度可達到45 %～ 50 %。 礦物原料生產法 礦物原料生產法的研究和應用最多的是鋁礦、粘土原料法。其傳統的制備工藝 :一是焙燒法 ,即在高溫條件下 ,將鋁礦、粘土礦等焙燒 ,使惰性的 23AlO 水合物轉變成活性的 γ 23AlO , 從而提高 23AlO 在酸中的反應率 。二是加壓法 ,即在一定壓力下 ,增加 23AlO 在反應體系中的反應率。我國生產 PAC的天然礦石主要有高嶺土、鋁土礦、高鋁粘土、明礬石、霞石、長石等。 (1) 以鋁土礦、粘土礦為原料的制造方法 以粘土礦和鋁土礦為原料制備 PAC 的生產方法較復雜 ,由于這些礦物 中的鋁一般不能被酸溶出 ,必須經一系列加工處理之后才能使鋁溶出 ,按鋁的溶出方式可分為酸法和堿法。酸法適用于粘土礦、煤矸石、高嶺土、一水軟鋁石、三水鋁石等礦物原料 ,不適合于一水硬鋁土礦。其生產工藝 :將礦物加工成粒度 40～ 60目粉末 ,再經 600～ 800℃焙燒活化后 ,用鹽酸溶出 ,溶出液經鹽基度調整 ,即可得到 PAC 成品溶液。 一水硬鋁石 (α 23AlO 2HO) 或其他含鋁礦物難溶于酸 ,可采用堿法制備 PAC,用碳酸鈉、 石灰與礦物固相燒結反應或氫氧化鈉與礦粉液相反應 ,制得鋁酸鈉 ,再分解制得凝膠氫氧化鋁 ,用凝膠法制得 PAC。 堿法生產投資大、設備復雜、成本高 ,除與氧化鋁配套生產外 ,一般很少單獨使用。 (2) 煤矸石制備結晶 PAC 煤矸石是夾在煤層中的矸石 , 主要成分為 23AlO 和 2SiO ,其中 23AlO 質量分數達 25 %左右 ,是一種可利用資源。煤矸石經焙燒粉碎后和質量分數為 20 %的鹽酸 混合液加入裝有回流冷凝器的反應釜中 ,在攪拌下進行反應 ,溫度達到 100℃時 ,保溫 1 h ,冷卻后 ,向料漿中加 第 17 頁 共 45 頁 入質量分數為 1 %的聚丙烯酰胺凝聚劑進行沉降 ,2～ 3h 后真空抽濾 ,硅渣經水洗至中性 ,可作水玻璃 ,母液用減壓濃縮得結晶氯 化鋁粗品 , 經進一步精制后 , 可得到質量分數為 98. 9 %三氯化鋁 ( 3AlCl 26HO ) (鐵質量分數為 0 005%),達到一級品標準。將制備的未經減壓濃縮的氯化鋁溶液 ,調整到相對密度d418 = 1. 12 ,氯化鋁質量分數為 13. 5 % ,在 30℃攪拌下 ,緩慢加入 20 %的氫氧化鈉攪拌 4 h ,保持溫度 15～ 20 ℃ ,熟化 5d ,即得到質量分數為 30%的 PAC 溶液 ,經減壓濃縮可生產固體PAC ,固體產品中氧化鋁質量分數大 于 30 % ,堿化度為 78 %。 (3) 酸溶 微波熱解法從粉煤灰中制取 PAC 粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢棄物 ,粉煤灰中 23AlO , 23FeO ,CaO, 2KO 等多種有用物質 ,其中 23AlO 質量分數為 15 %～ 40 % ,最高可達 50 %以上。由于粉煤灰是經過高溫燃燒產生的 ,其中約 90%的 2SiO 及 23AlO 呈玻璃態 ,3 23AlO 2SiO (紅柱石 ) 形式存在 ,而不以活性γ 23AlO 形式存在 ,因此 ,很難用酸直接溶解出來。因此打開 Al — Si鍵 ,使 23AlO 自玻璃體中釋放出來 ,利