專利名稱：一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型水處理絮凝劑——聚合有機(jī)硫酸鋁(POA)的配方及制備方法，這種新型絮凝劑適用于飲用水處理、工業(yè)用水處理和廢水處理等水處理領(lǐng)域和環(huán)境工程領(lǐng)域。
水的混凝處理是飲用水處理、工業(yè)用水處理和廢水處理中的基本單元之一，起去濁除污的作用。因該方法具有簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)而在水處理工藝中普遍采用。優(yōu)良的絮凝劑是水的高效混凝處理的關(guān)鍵因素，因此，開(kāi)發(fā)研制高效絮凝劑對(duì)水處理領(lǐng)域具有重要意義。
硫酸鋁一直是工業(yè)上最重要的鋁鹽之一，而且作為水處理的絮凝劑具有悠久的歷史。硫酸鋁作為水處理的絮凝劑具有來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但當(dāng)硫酸鋁的堿化度為20％左右時(shí)，在水中形成的多核鋁離子的比例少，因此，水處理效率相對(duì)較低。同時(shí)，經(jīng)硫酸鋁處理的水殘余可溶性鋁含量較高，對(duì)人體和動(dòng)植物造成較大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
1969年日本首次報(bào)道了研制成功堿式聚合氯化鋁(PAC)絮凝劑。PAC的出現(xiàn)在一定程度上克服了硫酸鋁作為絮凝劑時(shí)存在的水處理效率低、水中鋁殘余量高的缺點(diǎn)。目前，PAC成為中國(guó)水處理市場(chǎng)中絮凝劑的主流品種之一。但是，PAC的價(jià)格偏高，而且在低溫低濁時(shí)去除濁度的效果差。更為嚴(yán)重的是，PAC以氧化鋁和鹽酸作為主要原料，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的酸霧，嚴(yán)重污染廠區(qū)周圍的環(huán)境。因此，PAC的生產(chǎn)越來(lái)越受到環(huán)保管理部門的限制。
聚合硫酸鋁的合成克服了PAC生產(chǎn)過(guò)程中形成酸霧的問(wèn)題。但它在堿化度大于40％時(shí)產(chǎn)品不穩(wěn)定，易出現(xiàn)大量的氫氧化鋁沉淀，貯存穩(wěn)定性差，影響產(chǎn)品的性能和絮凝效果。
中國(guó)專利局1994年2月16日公開(kāi)了題為“聚合硅酸硫酸鋁及其生產(chǎn)工藝”的專利申請(qǐng)，其公開(kāi)號(hào)為CN1082006A。申請(qǐng)中公布了一種其成份采用硫酸鋁、鋁酸鈉、堿金屬硅酸鹽為原料制取聚合硅酸硫酸鋁(PASS)。其生產(chǎn)工藝包括先混和一種堿金屬硅酸鹽和一種堿金屬鋁酸鹽溶液，并在連續(xù)攪拌下混和堿性成份，形成一種堿性混合物，而且在高剪切力混和條件下緩慢地把所形成的堿性中間體混合物添加到酸性硫酸鋁溶液中。PASS通過(guò)引入硅酸根離子提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。但是，在反應(yīng)體系中加入硅酸鹽時(shí)，堿性硅酸鹽和硫酸鋁溶液接觸，易析出硅酸沉淀物，增加反應(yīng)操作難度，引起反應(yīng)的不均勻性和管道的堵塞。
本發(fā)明的目的和任務(wù)是要克服(1)硫酸鋁作為絮凝劑時(shí)除濁效率低，水中殘鋁量高；(2)PAC作為絮凝劑時(shí)水處理成本高，生產(chǎn)過(guò)程存在污染大；(3)PASS生產(chǎn)過(guò)程中活性硅酸析出引起的生產(chǎn)操作過(guò)程難度大的不足，并通過(guò)配方的改進(jìn)，提供一種新型絮凝劑品種及其制備工藝，即一種聚合有機(jī)硫酸¨絮凝劑配方及制備工藝。這種新型絮凝劑適用于飲用水、工業(yè)用水處理中濁度的去除和多種廢水中污染物的混凝去除。
本發(fā)明的基本構(gòu)思和原理是聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑是由硫酸鋁、鋁酸鈉、碳酸鈉和陰離子改性淀粉在常溫常壓下配制；實(shí)施方案包括把碳酸鈉、鋁酸鈉和陰離子改性淀粉混和，預(yù)先制備成堿性混和物；然后在攪拌條件下把該堿性混和物加入到硫酸鋁溶液中；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的攪拌反應(yīng)和熟化過(guò)程，制成穩(wěn)定的堿式多核羥基鋁陰離子改性淀粉絡(luò)合物。這種堿式多核羥基鋁陰離子改性淀粉絡(luò)合物進(jìn)入水中后發(fā)生水解，釋放部分陰離子改性淀粉。多核羥基鋁在水溶液中對(duì)帶負(fù)電荷的膠體起電性中和和壓縮雙電層作用，使膠體脫穩(wěn)后凝聚形成微小顆粒。陰離子改性淀粉具有較高的分子量，分子中帶有羧基、羥基親水基團(tuán)，具有鏈狀結(jié)構(gòu)。水解后分子鏈上帶有的部分負(fù)電荷產(chǎn)生靜電斥力使高分子鏈充分伸展。伸展的陰離子改性淀粉鏈在多核羥基鋁之間起吸附、架橋的作用，促進(jìn)顆粒變大，顆粒相互凝聚。在顆粒的凝聚過(guò)程中，由于存在多個(gè)陰離子改性淀粉的多層架橋作用，形成鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這種鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)擬去除的雜質(zhì)起到了吸附、網(wǎng)捕的作用，從而網(wǎng)捕雜質(zhì)與逐漸長(zhǎng)大的絮體顆粒一同下沉。其綜合效果，形成的絮體大而密實(shí)，沉降迅速。因此，不僅降低了無(wú)機(jī)絮凝劑的用量，而且降低了水中的殘留鋁量。合成過(guò)程中加入碳酸鈉，一方面起到調(diào)節(jié)產(chǎn)品鹽基度的作用，另一方面，CO32-能增加配位能力，提高產(chǎn)品的絮凝性能。
本發(fā)明所提出的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方及制備方法，其產(chǎn)品成份的配方包括硫酸鋁、鋁酸鈉，其特征在于它還包括無(wú)水碳酸鈉和陰離子改性淀粉。成份中的硫酸鋁、鋁酸鈉和無(wú)水碳酸鈉三者的質(zhì)量比為100～150∶20～30∶1～2；該產(chǎn)品制備的實(shí)施方法是，先將硫酸鋁配成40％～50％的水溶液，鋁酸鈉配成50％～65％的水溶液，無(wú)水碳酸鈉配成10％～14％的水溶液，而陰離子改性淀粉配成0.1％～0.2％的水溶液；再將配制成的鋁酸鈉水溶液、碳酸鈉水溶液、陰離子改性淀粉水溶液進(jìn)行混和成為混和液，在混和時(shí)，通過(guò)控制調(diào)整反應(yīng)體系中所投入的陰離子改性淀粉溶液的體積，使其混和液中的陰離子改性淀粉和鋁元素間的最終質(zhì)量比在0.0001～0.01之間；然后，在大于或等于1000r/min的快速攪拌下，將鋁酸鈉、碳酸鈉和陰離子改性淀粉的混和液緩慢地滴加到硫酸鋁的水溶液中，再繼續(xù)攪拌30min～60min；最后在水浴中升溫到40℃～65℃，恒溫熟化30min～120min，冷至室溫并儲(chǔ)存待用。
本發(fā)明所提出的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方及制備方法，其進(jìn)一步的特征在于聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑產(chǎn)品中的AL2O3含量為6％～12％，鹽基度為40％～65％，其外觀為黃色或棕褐色透明或半透明液體，PH值在3～4.5之間，密度為1.2～1.4。
本發(fā)明所提出的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑，它是由硫酸鋁、鋁酸鈉、碳酸鈉和陰離子改性淀粉，經(jīng)成份配比，制成水溶液，溶液的分步控制攪拌混和反應(yīng)，水浴中升溫熟化而成。
成份配制中的質(zhì)量比，硫酸鋁其上限值是該成份的飽和值，其下限值是達(dá)到本發(fā)明目的的最低值，在給出值的范圍內(nèi)，可以保證產(chǎn)品中的6％～12％AL2O3值。而鋁酸鈉的有效值的范圍可以進(jìn)一步補(bǔ)充硫酸鋁的AL2O3有效含量，并調(diào)整鹽基度含量。硫酸鋁配成40％～50％的水溶液是盡量保證較高的有效鋁含量，而鋁酸鈉配成50％～65％的水溶液是為了保證高的有效鋁濃度。陰離子改性淀粉的濃度，是保證在不形成膠凍的前提下，保持較高濃度，使其加入反應(yīng)液中后，反應(yīng)液仍保持較高的有效鋁含量，以利于反應(yīng)速度。所以硫酸鋁、鋁酸鈉、碳酸鈉的比值，也是保證鹽基度在40％～65％。
本發(fā)明主要優(yōu)點(diǎn)是(1)制備過(guò)程無(wú)環(huán)境污染；(2)產(chǎn)品具有效率高、經(jīng)濟(jì)、處理水中殘鋁量低的優(yōu)點(diǎn)。適用于飲用水、工業(yè)用水和廢水處理中的混凝環(huán)節(jié)；(3)產(chǎn)品性質(zhì)較穩(wěn)定，絮凝效果良好。
本發(fā)明對(duì)附表說(shuō)明如下表1是本發(fā)明按實(shí)施例1配方制備的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑性質(zhì)指標(biāo)。
表2是本發(fā)明產(chǎn)品POA與PAC的混凝效果比較。
表中顯示，當(dāng)絮凝劑投加量足夠(AL2O3≥2.0mg/L)時(shí)，POA去濁能力明顯優(yōu)于目前國(guó)內(nèi)普遍使用的PAC。實(shí)驗(yàn)中還觀察到POA形成的絮體密實(shí)，沉降迅速。
表3是本發(fā)明按實(shí)施例2配方制備的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑性質(zhì)指標(biāo)。
表4是本發(fā)明產(chǎn)品POA和PAC處理印染廢水的結(jié)果比較。
表中顯示，在廢水處理時(shí)，絮凝劑經(jīng)常投加的量的范圍內(nèi)(AL2O3＞20mg/L)時(shí)，POA對(duì)色度和化學(xué)需氧量COD的去除效果優(yōu)于PAC。尤其是POA對(duì)COD的去除效率比PAC有顯著提高。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明實(shí)施例1采用本發(fā)明配方，配制聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑產(chǎn)品POA，與國(guó)內(nèi)水處理市場(chǎng)廣泛采用的主流產(chǎn)品PAC的絮凝效果的比較實(shí)驗(yàn)，情況如下本發(fā)明產(chǎn)品配方的配制取工業(yè)純硫酸鋁250克，鋁酸鈉50克，無(wú)水碳酸鈉2克，它們的質(zhì)量比為125∶25∶1，陰離子改性淀粉采用羧甲基淀粉。
將上述四種成份，分別配成水溶液硫酸鋁用250克水溶解，即配制成50％的水溶液；鋁酸鈉用30克水溶解，即配制成63％的水溶液；無(wú)水碳酸鈉用15克水溶解，即配制成12％的水溶液；而羧甲基淀粉配制成0.1％的水溶液。再將鋁酸鈉、碳酸鈉的水溶液和180ml羧甲基淀粉水溶液混和成混和液?；旌鸵褐械聂燃谆矸酆弯X元素之間的質(zhì)量比調(diào)整為0.0048，在1000r/min的條件下快速攪拌，將該混和液緩慢加入到硫酸鋁溶液中，繼續(xù)攪拌40min。然后，在60℃恒溫水浴中靜置熟化40min。最后，冷卻至室溫即得到本發(fā)明的一種聚合有機(jī)硫酸鋁產(chǎn)品。該產(chǎn)品AL2O3含量為7.83％，鹽基度為47.9％，其他指標(biāo)列入表1。
用試劑硅藻土和自來(lái)水配制濁度為100NTU的濁度水，實(shí)測(cè)水溫為15℃。取1000ml該濁度水分別投加不同劑量(以AL2O3計(jì))的用上述方法制備的聚合有機(jī)硫酸鋁(POA)，用六聯(lián)混凝攪拌機(jī)在250r/min下快攪1min，然后在55r/min下慢攪10min，靜置30min后取上清液測(cè)其濁度。用堿式聚合氯化鋁(PAC)取代聚合有機(jī)硫酸鋁重復(fù)上述混凝實(shí)驗(yàn)，并與聚合有機(jī)硫酸鋁的混凝效果進(jìn)行比較。結(jié)果列入表2。結(jié)果顯示，當(dāng)絮凝劑投加量足夠(AL2O3＞20mg/L)時(shí)，POA去濁能力明顯優(yōu)于PAC，并且POA形成的絮體密實(shí)，沉降迅速。
實(shí)施例2某印染廠印染廢水，其廢水主要指標(biāo)如下化學(xué)需氧量COD 240.6mg/L，色度240倍(稀釋倍數(shù))，采用本發(fā)明配方與工藝制備的產(chǎn)品POA進(jìn)行水處理。
取工業(yè)純硫酸鋁200克，鋁酸鈉40克，無(wú)水碳酸鈉2克，它們的質(zhì)量比為100∶20∶1，將200克的硫酸鋁用250克水溶解，配制成40％的水溶液；將40克的鋁酸鈉用30克水溶解，配制成57％的水溶液；將2克的無(wú)水碳酸鈉用15克水溶解，配制成12％的水溶液；羧甲基淀粉配成0.1％的水溶液。然后，將上述鋁酸鈉溶液、碳酸鈉溶液和180ml羧甲基淀粉溶液進(jìn)行混和成為混和液?；旌鸵褐械聂燃谆矸酆弯X元素的質(zhì)量比為0.006。再在1500r/min快速攪拌下，將該混和液緩慢滴加到硫酸鋁溶液中，繼續(xù)攪拌60min。然后在水浴中升溫至50℃，恒溫熟化90min，冷至室溫待用。該產(chǎn)品AL2O3含量為7.78％，鹽基度為48.3％，其他指標(biāo)列入表3。
實(shí)驗(yàn)中取印染廢水各200ml置于500ml燒杯中，投加上述制備的POA。用六聯(lián)混凝攪拌機(jī)在250r/min下快攪1min，然后在55r/min下慢攪10min，靜置60min后取上清液測(cè)其COD和色度。用堿式聚合氯化鋁(PAC)取代聚合有機(jī)硫酸鋁重復(fù)上述混凝實(shí)驗(yàn)，并與聚合有機(jī)硫酸鋁的混凝效果進(jìn)行比較。結(jié)果列入表4。表中顯示，當(dāng)絮凝劑在常規(guī)投加量的范圍內(nèi)，即在AL2O3＞20mg/L時(shí)，POA對(duì)色度和COD的去除效果優(yōu)于PAC，尤其是POA對(duì)COD的去除效率比PAC有顯著提高。
表1 本發(fā)明按實(shí)施例1配方制備的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑性質(zhì)指標(biāo)
表2 本發(fā)明產(chǎn)品POA與PAC混凝效果比較
表3 本發(fā)明按實(shí)施例2配方制備的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑性質(zhì)指標(biāo)
表4 本發(fā)明產(chǎn)品POA與PAC印染廢水的結(jié)果比較
權(quán)利要求
1.一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方，成份包括硫酸鋁、鋁酸鈉，其特征在于(a)成份中還包括無(wú)水碳酸鈉和陰離子改性淀粉，(b)成份中的硫酸鋁、鋁酸鈉和無(wú)水碳酸鈉三者的質(zhì)量比為100～150∶20～30∶1～2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方，其產(chǎn)品的制備方法是(a)先將硫酸鋁配成40％～50％的水溶液，鋁酸鈉配成50％～65％的水溶液，無(wú)水碳酸鈉配成10％～14％的水溶液，而陰離子改性淀粉配成0.1％～0.2％的水溶液，(b)再將鋁酸鈉、碳酸鈉溶液、陰離子改性淀粉溶液進(jìn)行混和，并在混和中，通過(guò)控制調(diào)整反應(yīng)體系中所投入的陰離子改性淀粉溶液的體積，使其混和液中的陰離子改性淀粉和鋁元素間的最終質(zhì)量比在0.0001～0.01之間，(c)在大于或等于1000r/min的快速攪拌下，將混和液緩慢滴加到硫酸鋁水溶液中，繼續(xù)攪拌30min～60min，(d)最后，在水浴中升溫至40℃～65℃，恒溫熟化30min～120min，冷至室溫儲(chǔ)存待用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方及制備方法，其特征在于聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑產(chǎn)品中的AL2O3含量為6％～12％，鹽基度為40％～65％。
全文摘要
水處理及環(huán)境工程領(lǐng)域中的一種聚合有機(jī)硫酸鋁絮凝劑配方及制備方法，配方包括硫酸鋁、鋁酸鈉，特征還包括無(wú)水碳酸鈉和陰離子改性淀粉，其中硫酸鋁、鋁酸鈉和無(wú)水碳酸鈉的質(zhì)量比100～150∶20～30∶1～2。工藝為先將各成份配成水溶液，然后將鋁酸鈉溶液、碳酸鈉溶液、陰離子改性淀粉溶液進(jìn)行混合，在攪拌中將混合液緩慢加入到硫酸鋁水溶液中，經(jīng)攪拌、升溫至40℃～60℃，恒溫熟化30min～120min，冷至室溫儲(chǔ)存。優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)品穩(wěn)定，絮凝效果好，處理水中鋁量低，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染。
文檔編號(hào)C02F1/56GK1401589SQ0112563
公開(kāi)日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2001年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月16日
發(fā)明者趙雅芝, 全燮, 薛大明, 李云香 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)