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
（暨南大学环境工程系广州510630）
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后，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
Basicity of Polyaluminum Sulfate and its Coagulative Performance
Wang Liyan，Li Mingyu*，Pan Qian，Cao Gang
（Department of Environmental Engineering，Jinan University，Guangzhou510630）
Abstract The high stability polyaluminium sulfate（PAS）was made by using aluminium sulfate as main starting material.The effect of the basicity of PAS on alulminium speciation in diluted solutions and coagulative properties as well as impact factors was investigated.The results showed that turbidity removal performance varied according to the change of basicity of PAS，the residual turbidity in treated water decreases and then increases with the increase of basicity of PAS at room temperature，the optimum basicity of PAS is53.8%，at that point，the turbidity-removal rate was more than90%in treating raw water from Liuxi River and Kaolin pared with the coagulants polyaluminium chloride（PAC）and aluminum sulfate（AS），PAS exhibited broader range of temperature and initial pH because of faster rate of hydrolysis and flocculation.Moreover，a trade-off analysis of alulminium species and coagulation test showed that Alb is the advantage species in coagulation.
Keywords Polyaluminium sulfate，Basicity，Coagulant，Coagulative performance
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机高分子混凝剂。

但是，在处理低温和低pH原水时，PAC的混凝效果较差［1，2］。

聚合硫酸铝（PAS）作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Pb2+和Cr3+等重金属离子、微生物、细菌、藻类等的效果［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的适用范围［2］。

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系，进行了较为透彻的研究［4 7］，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）、中央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
1
实验部分
1.1
主要仪器和试剂
恒温恒速自控反应装置（自制）；ZR4-
6型智能型混凝搅拌机（深圳中润公司）；STZ2A24浊度仪（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89.5%）；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Al 2O 3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，按300、100、60和30r /min 的转速，分别搅拌1.0、
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10min ，然后取上层清液测定剩余浊度。

1.4分析方法
PAS 产品中Al 2O 3和盐基度的测定参照国际《水处理剂聚氯化铝》（GB15892-2003）中规定的测定
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 、
Alb 和Alc 采用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
结果与讨论
2.1
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
实验采用Ferron 逐时络合比色法［9］
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。

图1不同盐基度PAS 中铝的形态分布
Fig.1
Species distribution of aluminium in PAS
从图1可看出，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，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
单核铝离子Al 3+、羟基铝离子（Al （OH ）2+
和Al （OH ）2+）以及最初形成的二聚体［Al （OH ）2］4+
为主；
随着盐基度的提高，OH －离子增多，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，当盐基度继续升高时，PAS 不稳定，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
标，也是影响其混凝性能的重要因素，因此，PAS 盐基度的高低，直接影响到其水处理混凝效果。

若PAS 盐
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的混凝效果。

首先考察PAS投加量对余浊的影响，结果如图2所示。

由图2可知，经过混凝处理的高岭土和流
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Al
2O
3
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COD
Mn
去除率的关系。

图2PAS投加量与混凝性能的关系
Fig.2The relation between dosage and
coagulative property of PAS
实验条件：高岭土水浊度119NTU，pH=7.38；流溪河水浊度38.2NTU，pH=7.23；水温为26ħ；PAS的盐基度为53.
8%
图3PAS盐基度与混凝性能的关系
Fig.3The relation between basicity and
coagulative property of PAS
实验条件：高岭土水浊度119NTU，pH=7.38；
流溪河水浊度38.2NTU，pH=7.23，COD=8.5mg/L；
水温为26ħ；PAS投加量2.5mg·L－1
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。

COD
Mn
的去除率亦是以53.8%为转折点，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。

这与大部分研究者对PAC研究的结论相吻合［10 13］。

但也有文献［14］认为，PAS的混凝优势形态为Alb与Alc两部分，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
实验结果，3种混凝剂的投加量均为2.5mg/L（以Al
2O
3
计）。

图4水温对不同药剂处理高岭土水的影响Fig.4
The effect of temperature on the residual
turbidity of kaolin water
实验条件：高岭土水浊度为186.8NTU ；三种混凝剂投加量均为2.5mg ·L －1，其中PAS 盐基度53.
8%
图5水温对不同药剂处理流溪河水的影响
Fig.5
The effect of temperature on the
residual turbidity of Liuxi River 实验条件：河水浊度为34.2NTU ；三种混凝剂投加量均为2.5mg ·L －1，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［15］。

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。

2.4原水pH
对混凝性能的影响
图6
pH 对不同药剂混凝性能的影响Fig.6
The effect of pH on coagulative performance
of different coagulants
实验条件：高岭土原水浊度160.0NTU ；三种混凝剂投加量均为2.5mg
·L －1，其中PAS 盐基度53.8%原水的pH 对无机混凝剂的混凝性能有较大影
响，
在低pH 范围内，AS 和PAC 的水解反应受到一定抑制，故其混凝效果较差。

与AS 和PAC 相比，PAS 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种混凝剂的混凝除浊效果有不同程度的影响。

当原水的pH <6时，3种药剂混凝处理后剩余浊度都很高，混凝效果差，但是相比之下，
PAS 好于AS 和PAC ；当pH =6时，PAS 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
果又出现下降的趋势。

可见，与PAC 和AS 相比，PAS 的pH 适用范围相对较宽。

这为PAS 在给水与污水混凝沉淀处理中提供了更广阔的应用空间。

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
基度值为53.8%时，
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，混凝性能最优。

上述结果表明，在PAS 中，
Alb 为混凝优势形态。

与PAC 和AS 相比，
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，
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。

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72.
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
1964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@。