强制水解与自发水解所得聚合氯化铝的絮凝性能对比研究

摘要

絮凝剂在絮凝过程中的作用至关重要，聚合氯化铝是应用广泛的无机高分子絮凝剂之一。按照水解方式可将聚合氯化铝的制备方法分为强制水解法和自发水解法两种。强制水解法制得的主要产物有K-Al13([AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+)和Al30([Al2O8Al28(OH)56(H2O)26]18+)，它们的结构中包含AlO4四面体，而自发水解的主要产物P-Al13(Al13(OH)24(H2O)37Cl15)结构中不包含AlO4，全部为AlO6八面体。在絮凝过程中，含K-Al13的溶液应用广泛，含Al30的溶液应用较少，而P-Al13未被应用。本论文主要对强制水解产物K-Al13、Al30与自发水解产物P-Al13的絮凝性能进行对比研究并揭示絮凝机理的差异。
　　本文首先以缓慢滴碱法制得高K-Al13含量的PAC溶液，再通过硫酸盐—氯化钡沉淀置换法制备絮凝剂纯K-Al13溶液。结果表明，制备条件不同时，产物有两种，分别为S-K-Al13(Al13H55O56S3)与Na-K-Al13(Na[AlO4Al12(OH)24(H2O)12](SO4)4·10H2O)。经探索确定了Na-K-Al13制备的最佳条件为:将0.25mol/L氢氧化钠溶液以0.33mL/min速度滴加到0.50mol/L的氯化铝溶液中，反应温度为80℃，继续陈化1h时间后得到碱化度为2.4的高K-Al13含量的PAC溶液，随后加入0.50mol/L硫酸钠溶液获得沉淀后通过氯化钡置换制得纯K-Al13溶液。其次，论文探索并确定了以相同反应原料制备高Al30含量溶液的条件。其条件为:将缓慢滴碱法制得的碱化度为2.4的高K-Al13含量的PAC溶液，升温至95℃继续陈化48h后，由0.50mol/L硫酸钠溶液沉淀后通过氯化钡置换制得高Al30溶液。
　　絮凝剂P-Al13的制备是在AlCl3-Al2O3-H2O三元体系25℃相图的指导下，以一定量的铝粉、浓盐酸和蒸馏水发生自发水解-聚合反应后，在室温下蒸发结晶得到含量高达95％的P-Al13固体产物。
　　本论文以pH分别为6.5，7.5，8.5的SiO2微球模拟水样为絮凝对象，研究了高Al13含量的PAC溶液、纯K-Al13溶液、高Al30含量溶液与P-Al13溶液及其固体的絮凝效果并进行了对比分析。结果表明:投加P-Al13固体絮凝效果最好，高Al30含量溶液次之，K-Al13溶液最差。P-Al13的絮凝机理以吸附架桥和卷扫网捕作用为主，K-Al13溶液絮凝机理以吸附架桥和吸附电中和为主，而对于Al30溶液，吸附架桥、吸附电中和与卷扫网捕共同作用达到最佳絮凝效果。
　　此外，本论文在制备Al30过程中，获得了单晶，通过单晶衍射法解析了结构，结果表明其为Al31，为文献报道的Al30结构在其腰部四个局部碱化度对称性上最不均衡的铝核上再连接两个(AlO6)0.5构成。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 选题意义

1．2 研究现状及研究目标

1．2．1 絮凝剂的研究进展

1．2．2 PAC的研究现状

1．2．3 强制水解法所得产物K-Al13与Al30的研究现状

1．2．4 自发水解法所得P-Al13的研究现状

1．2．5 论文研究目标

1．3 主要研究内容及成果

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究成果

第二章 实验材料与方法

2．1 实验原材料

2．2 实验试剂

2．3 实验仪器

2．4 分析方法

2．4．1 氧化铝含量的测定

2．4．2 氯含量的测定

2．4．3 铝形态分析

2．4．4 表征手段

第三章 强制水解法与自发水解法所得聚铝絮凝剂的制备

3．1 絮凝剂制备方法概述

3．2 缓慢滴碱法制备Na-K-Al13(Na[AlO4Al12(OH)24(H2O)12](SO4)4·10H2O)的条件探索

3．2．1 反应碱化度

3．2．2 捕捉剂Na2SO4的浓度

3．2．3 NaOH溶液滴加速度

3．2．4 陈化时间

3．2．5 反应物浓度

3．2．6 氯化K-Al13溶液的制备

3．3 絮凝剂高Al13含量的PAC溶液的制备

3．4 絮凝剂高Al30含量的PAC溶液制备

3．4．1 熟化时间

3．4．2 熟化温度

3．4．3 反应物浓度

3．4．4 高Al30含量的PAC溶液的制备

3．5 制备絮凝剂P-Al13

第四章 强制水解法与自发水解法所得聚铝絮凝剂的絮凝性能研究

4．1 絮凝方法概述

4．1．1 配置模拟水样

4．1．2 絮凝方法

4．1．3 水质指标的测定

4．2 高Al13含量的PAC溶液的絮凝性能

4．3 K-Al13溶液的絮凝性能

4．4 高Al30含量的PAC溶液的絮凝性能

4．5 P-Al13溶液的絮凝性能

4．6 P-Al13固体的絮凝性能

第五章 絮凝剂PAC、K-Al13，P-Al13，Al30的絮凝性能对比研究

5．1 絮凝剂PAC、K-Al13，P-Al13，Al30对pH=6．5的SiO2模拟水样的絮凝效果对比

5．2 絮凝剂PAC、K-Al13，P-Al13，Al30对pH=7．5的SiO2模拟水样的絮凝效果对比

5．3 絮凝剂PAC、K-Al13，P-Al13，Al30对pH=8．5的SiO2模拟水样的絮凝效果对比

5．4 在最佳絮凝投加量时絮体的形貌

5．5 在最佳絮凝投加量时流出水中铝离子浓度

5．6 在最佳絮凝投加量时絮凝动力学研究

5．7 絮凝机理研究

第六章 铝三十硫酸盐单晶的培养和结构解析

6．1 铝三十硫酸盐晶体的培养

6．2 单晶结构的解析

6．3 晶体结构的初步解析结果

第七章 结论

7．1 全文总结

7．2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

附录