聚氯化铝过滤性能的影响因素研究

赵志萍，丁立辉（常州友邦净水材料有限公司，江苏常州213100）

聚氯化铝过滤性能的影响因素研究

赵志萍，丁立辉
（常州友邦净水材料有限公司，江苏常州213100）

为改善聚氯化铝（PAC）生产中产品的过滤效果，从工艺、原料、产品3个方面研究了反应时间、过滤温度、铝酸钙粉用量、硫酸根离子含量、三价铁离子含量、氧化铝含量、盐基度等多个因素对PAC过滤效果的影响。研究表明，反应时间、过滤温度、铝酸钙粉用量、原料中硫酸根离子含量对PAC的过滤效果均有显著影响。为确保PAC的可滤性，建议生产中反应时间为60 min，过滤温度为60～80℃，尽量少用铝酸钙粉，尽量选用不含硫酸根离子的原料酸。产品中氧化铝含量的变化对PAC的过滤效果有一定影响，但不会改变产品的可滤性。原料中三价铁离子含量、产品盐基度的变化对PAC的过滤效果无显著影响。

聚氯化铝；过滤性能；水不溶物

聚氯化铝（PAC）是一种应用广泛的无机高分子混凝剂，其生产技术已日益成熟。目前，大多数企业采用常压工艺生产PAC。该工艺主要以铝矾土熟料或铝酸钙、含铝盐酸为原料，采用酸溶一步法制备，因成品液中水不溶物较多，需通过压滤或长时间静置才能符合GB/T 22627—2008《水处理剂聚氯化铝》对液体PAC中水不溶物的质量要求，而工业级PAC生产所用含铝酸通常为各种副产酸或废酸，除主成分AlCl3、HCl之外还含有其他杂质，导致PAC在实际生产中常出现难以压滤的情况，致使产品水不溶物难以达标。鉴于此，笔者从工艺、原料、产品3个方面研究了反应时间、过滤温度、铝酸钙粉用量、SO42-含量、Fe3+含量、Al2O3含量、盐基度等多个因素对PAC过滤性能的影响，为实际生产中PAC过滤效果的改善提供技术指导。

1 实验原料与仪器

铝酸钙粉（Al2O3质量分数＞50%）；盐酸、浓硫酸、六水氯化铝、四水氯化亚铁、六水氯化铁，均为AR。

1 000 mL四口烧瓶；恒温电热套；分析天平；电子恒速搅拌器；500 mL分液漏斗；调温电炉。

2 实验方法

2.1 PAC的制备方法

将盐酸、六水氯化铝、铝酸钙粉、适量水等原料按实验设计的质量比加入四口烧瓶中，搅拌下加热回流反应，至沸腾开始计时，保温反应60 min，反应液过滤除渣即得成品PAC。

2.2 过滤性能的判断方法［1］

取刚出釜的反应液100 mL，冷却至80℃。在布氏漏斗内垫上直径为70 mm的中速定量滤纸，在真空状态下倒入反应液，调节并保持真空度为-0.040～-0.035 MPa，用秒表测量过滤时间，至滤液抽干为止，即为过滤时间。通过过滤时间的长短可反映产品过滤性能的优劣，过滤时间＞10 min即表明产品过滤性能欠佳。

2.3 分析项目与方法

水不溶物、氧化铝含量、盐基度按照 GB/T 22627—2008《水处理剂聚氯化铝》中的相应方法进行检测。

3 结果与讨论

3.1 生产工艺条件对PAC过滤效果的影响

3.1.1 反应时间对PAC过滤效果的影响

为了研究反应时间对PAC成品液过滤效果的影响，在其他条件不变的情况下［原料配比中铝酸钙粉的质量分数为 13.5%，目标 PAC中 w（Al2O3）= 10.5%，盐基度=75%，过滤温度=80℃］，改变反应时间，得到PAC的过滤效果与反应时间的关系图，结果如图1所示。

图1 反应时间对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

由图1可知，随着反应时间的延长，过滤时间呈现先降低后增高的趋势。反应初期，由于铝酸钙粉尚未完全反应，反应液中水不溶物含量较高，因此过滤时间较长；随着反应的进行，过滤时间逐渐缩短，当反应时间在60～80 min时，水不溶物含量趋于稳定，说明铝酸钙粉中可溶性成分基本溶出，此时产品的过滤时间也较短；当反应时间≥80 min时，PAC成品液的过滤时间陡然延长，反应2 h时，PAC成品液抽滤10 min仍未抽干，主要原因有二，一是长时间的搅拌使反应液中水不溶物被分散成更细小的颗粒，二是PAC内部各分子之间的交联聚合度随反应时间的延长而增大，二者导致过滤难度加大。因此，本实验选择60 min作为反应时间，既可以保证铝酸钙粉的最大溶出率，又可以提高PAC的过滤效果。

3.1.2 过滤温度对PAC过滤效果的影响

为了考察过滤温度对PAC成品液过滤效果的影响，在其他条件不变的情况下［原料配比中铝酸钙粉的质量分数为 13.5%，目标 PAC中w（Al2O3）= 10.5%，盐基度=75%，反应时间=60 min］，分别在不同温度下进行过滤实验，结果如图2所示。

图2 过滤温度对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

由图2可知，PAC成品液的过滤时间随着温度的增高而逐渐缩短，这是由于液体的黏度是温度的指数函数，它随温度的升高而明显下降，升温是降低黏度最简单而有效的措施，黏度降低，过滤阻力减小，过滤时间也随着缩短。但过滤温度不宜过高，因为高温会增强产品对过滤设备的酸腐蚀性，影响整体设备或部分配件的使用寿命。因此，为了兼顾过滤效果和过滤设备的使用寿命，选择60～80℃作为PAC成品液的过滤温度。

3.2 原料对PAC过滤效果的影响

3.2.1 原料配比中铝酸钙粉用量对PAC过滤效果的影响

铝酸钙粉是生产PAC的重要原料之一，本实验保持其他反应条件不变［目标 PAC中 w（Al2O3）= 10.5%，盐基度=75%，反应时间=60 min，过滤温度= 80℃］，考察铝酸钙粉用量与PAC过滤效果的关系，实验结果见图3。

由图3可知，随着原料配比中铝酸钙粉用量的递增，PAC反应液的过滤时间也逐渐延长，这是由PAC反应液中铝酸钙粉带入的水不溶物含量的增长引起的。当铝酸钙粉质量分数达到17.5%时，PAC反应液过滤时间>10 min，且滤渣难以抽滤至干。因此，PAC生产反应中应尽可能减少铝酸钙粉的用量，质量分数最高不超过16.5%，可达到较好的过滤效果。

图3 铝酸钙粉用量对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

3.2.2 原料中SO42-含量对PAC过滤效果的影响

目前，国内工业级PAC生产中使用的原料酸多数是含铝副产酸，其中不可避免地含有一些杂质离子，SO42-就是常见的一种。本实验在其他实验条件不变的情况下［原料配比中铝酸钙粉的质量分数为13.5%，目标PAC中w（Al2O3）=10.5%，盐基度=75%，反应时间=60 min，过滤温度=80℃］，考察原料配比中SO42-含量对PAC反应液过滤效果的影响，为进厂原料质量指标的控制和生产配比的设置提供参考，实验结果见图4。

图4 SO42-含量对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

由图4可知，原料中SO42-含量越高，反应液过滤时间越长，当SO42-质量分数大于1.5%时，反应液难以过滤，这是因为原料中SO42-与酸溶出的Ca2+反应生成微溶性的CaSO4沉淀堵塞过滤介质，且形成的滤饼通透性欠佳，导致过滤越来越难。因此，SO42-的存在对PAC反应液的过滤起负作用，应尽可能避免原料中含有SO42-，若难以避免，应控制SO42-质量不超过原料总质量的1.5%。

3.2.3 原料中Fe3+含量对PAC过滤效果的影响

由于来源和厂家不同，原料酸和铝酸钙粉中Fe3+含量也不尽相同。为考察Fe3+含量对PAC反应液过滤效果的影响，本实验在其他条件不变的情况下［原料配比中铝酸钙粉的质量分数为13.5%，目标PAC中w（Al2O3）=10.5%，盐基度=75%，反应时间= 60 min，过滤温度=80℃］，在GB/T 22627—2008《水处理剂聚氯化铝》允许的Fe3+含量范围内，改变原料中Fe3+含量，得出Fe3+含量与过滤效果的关系图，结果如图5所示。

图5 Fe3+含量对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

由图5可知，随着Fe3+含量的增高，PAC反应液的过滤时间和水不溶物含量基本保持不变。因此，Fe3+含量的变化对产品的过滤效果没有显著影响。

3.3 产品指标对PAC过滤效果的影响

为考察目标产品质量指标对PAC反应液过滤效果的影响，在其他实验条件不变的情况下（原料配比中铝酸钙粉的质量分数为 13.5%，反应时间= 60 min，过滤温度=80℃），分别调节产品Al2O3含量和盐基度，得出产品质量指标与过滤效果的关系图，结果如图6、图7所示。

3.3.1 Al2O3含量对PAC过滤效果的影响

图6为氧化铝含量对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响。由图6可知，随着PAC成品中Al2O3含量的递增，水不溶物含量基本保持不变，因为铝酸钙粉中酸不溶物是PAC水不溶物的唯一来源，且实验各配比中铝酸钙粉用量保持一致；随着PAC成品中Al2O3含量的递增，PAC反应液的过滤时间稍有延长，因为PAC反应液的黏度随着Al2O3含量的递增略有增加，过滤阻力也随之增大，但反应液的过滤性能仍较好。因此，Al2O3含量的增加对PAC反应液过滤性能的影响不大。

图6 氧化铝含量对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

3.3.2 盐基度对PAC过滤效果的影响

图7 产品盐基度对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响

图7为产品盐基度对PAC过滤时间和水不溶物含量的影响。由图7可知，在GB/T 22627—2008《水处理剂 聚氯化铝》要求的产品盐基度范围内，PAC产品盐基度的变化对产品过滤性能无显著影响。通常情况下，PAC聚合度越高，产品黏度也越高，过滤时间也会相应延长，但在现行的产品国标中，盐基度的检测方法得出的结果仅能反映PAC的碱化度，反映不出PAC的聚合度，碱化度的高低对PAC反应液过滤性能的好坏无显著影响。

4 结论

1）反应时间、过滤温度、铝酸钙粉用量、原料中SO42-含量的变化对PAC的过滤效果均有显著影响。实际生产中，为改善PAC的过滤效果，得到合格的PAC产品，建议作如下控制：反应时间为60 min；过滤温度为60～80℃；铝酸钙粉用量越少越好，最高质量分数不超过16.5%；原料中最好不含SO42-，若无法避免，最高不超过原料总质量的 1.5%。2）产品中Al2O3含量的变化对PAC的过滤效果有一定影响。Al2O3含量的增加会稍延长过滤时间，但不影响PAC的可滤性，PAC仍可较快地实现固液分离。3）原料Fe3+含量、产品盐基度的变化对PAC的过滤效果无显著影响。

［1］ HG 3746—2004水处理剂用铝酸钙［S］.

联系方式：44150382@qq.com

日本开发锂电池内电子运动定量分析新方法

2014年3月13日，日产汽车（Nissan）和日产ARC对外正式宣布，两家公司已合作开发出一种可以直接观测锂离子电池在充放电过程中正极材料内的电子运动，并可实现定量化的分析方法。

通常情况下，若想得到容量大、寿命长的锂离子电池，需在电极活性材料中尽可能多地储存锂，因此首先需要掌握电池中电子的运动规律和特性。传统的分析方法无法直接观察到电池中电子的运动，也无法针对电极活性材料中的锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、氧（O）等元素做定量分析。

日产汽车和日产ARC开发的分析方法，是将L吸收边X射线吸收光谱法和采用矢量型超级计算机 “地球模拟器”做的第一性原理计算法（first-principles calculation）相结合的全新分析方法。此前的研究者也采用X射线吸收光谱法进行分析，但多以K吸收边为着眼点，除了被束缚在原子内的电子，无法直接有效地观测到其他参与充放电电子的活动情况。

采用最新研制的分析方法，可直接观察到参与了电池反应中的电子的流动情况。结合第一性原理计算方法，则可实现电子迁移率从间接推定到精确测量的转变。

该方法还有助于解决困扰研究者多年的难题，即在充放电时流动电流的起源。通过对电子运动的定量分析，有助于准确掌握电池内部（特别是正极活性材料）反应的情况，从而为性能优良、使用寿命长的电极材料的设计与研发提供可能。

贾磊译自レスポンス.2014-03-13.

Study on influence factors of PAC filtration performance

Zhao Zhiping，Ding Lihui
（Changzhou Y oubang W ater-purging Chemical Co.，Ltd.，Changzhou 213100，China）

In order to improve filtering effect of poly aluminium chloride（PAC），the influences of reaction time，filtering temperature，dosage of Ca（AlO2）2，contents of SO42-，Fe3+，and Al2O3，and basicity on PAC filtering effect were investigated from three aspects of process，raw materials，and product.Results showed that reaction time，filtering temperature，dosage of Ca（AlO2）2，and SO42-content in the raw material all had remarkable influence on filtering effect of PAC.To ensure filterability of PAC，reaction time of 60 min and filtering temperature at 60～80℃were suggested，dosages of Ca（AlO2）2and SO42-in acid were less as far as possible.Changes of Al2O3content in the product had certain influence on filtering effect of PAC，but would not change filterability of PAC.Changes of Fe3+in raw materials and basicity of PAC had no significant influence on filtering effect of PAC.

poly aluminium chloride；filtration performance；water insolubles

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0049-04

2013-10-15

赵志萍（1982— ），女，硕士研究生，工程师，研究方向为化学絮凝剂的生产技术。