无机净水剂的测定结果用于计算其碱化度和分子式

王儒富 刘 勇

(1.成都大学药学与生物工程学院，四川成都，610106；2.四川齐力绿源水处理科技有限公司，四川成都，611830)

无机净水剂主要有：聚合碱式氯化(硫酸)铝及其铝多元盐净水剂、聚合碱式氯化(硫酸)铁及其铁多元盐净水剂。本文以聚合碱式氯化铝多元盐净水剂为例，测定其多元氧化物(Mn+On/2)和总碱式基(总羟基/OHt)的含量，用于计算其碱式多元盐碱化度(B%)和碱式多元盐分子式(∏Mi)。

1 聚氯化铝多元盐净水剂

1.1 聚氯化铝及聚氯化铝多元盐净水剂

聚合碱式氯化铝净水剂和聚合碱式氯化铝多元盐净水剂是两种不同的净水剂，或者说是两种不同的絮凝剂(混凝剂)。前者是用纯铝屑或铝灰溶于一定量的盐酸，经酸溶-水解-碱式化-桥连聚合反应[1～3]，生成聚合碱式氯化铝(一元)盐净水剂，又称高纯聚氯化铝净水剂；后者是用活性铝土矿粉或铝酸钙粉(含高铝多元弱碱金属氧化物)溶于一定量的盐酸，用一定量的碱化剂调节碱化度，经酸溶-水解-碱式化-桥连聚合反应[1～3]，生成聚合碱式氯化铝多元盐，具有优良的净水特性。

1.2 聚氯化铝多元盐净水剂的生产原/辅料

(1)铝土矿：铝土矿一般指含有一水软铝石、三水铝石、一水硬铝石、高岭石、赤铁矿和蛋白石等多种矿物质的混合体[4]。将相同成分归并，含有大量氧化铝(Al2O3)和氧化硅(SiO2)，含有少量或微量氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)等，有的矿还含有少量氧化钛(TiO2)。铝土矿含氧化铝≥20%可用于生产活性铝土矿粉，高铝(氧化铝≥50%)铝土矿用于合成铝酸钙粉。

(2)碱化剂：碱化剂品种很多[5]，本文主要指用于调节聚合碱式氯化铝多元盐碱化度的碳酸盐矿石粉，如，石灰石(CaCO3)、白云石(CaCO3·MgCO3)、菱镁石(MgCO3)矿等。碱化剂除了调节碱化度之外并在反应液中起缓冲剂的作用。高钙石灰石(CaCO3)还用做合成铝酸钙粉原料。

(3)工业盐酸：含HCl/31%。

1.3 聚氯化铝多元盐净水剂技术标准

1.3.1 实验生产工艺技术标准[6，7]：

实验生产工艺的技术标准是根据水处理剂/聚氯化铝GB/T 22627─2014制定：主料氧化铝(Al2O3)≥6.0%，盐基度/%在30.0～95.0；采用工业生产的活性氢氧化铝和人工合成的铝酸钙粉为原/辅料，其目的是使产品中的砷和重金属含量低于GB 15892-2009:生活饮用水用聚氯化铝标准。

1.3.2 计量生产工艺技术标准[8]：

计量生产工艺的技术标准是根据活性铝土矿粉的酸溶出率(w%)与pH值曲线制定：主料氧化铝(Al2O3)溶出率≥6.5%，碱化度B=36%[1]。碱化剂由原/辅料共同提供弱碱金属(铝除外)多元氧化物总量≥3.5%，使反应液中弱碱金属氧化物总量≥10%。原/辅料酸溶进入反应液中的重金属用螯合剂生成螯合物沉淀分离[9，10]；原/辅料中的砷酸溶进入反应液生成砷酸(盐)和亚砷酸(盐)用阳离子絮凝剂沉淀分离[11]。经沉淀分离后所得产品中的砷和重金属含量达到10-4和10-5的数量级[8]。

2 产品的测定结果计算其碱化度和分子式

产品的常量测定是生产单位必需具备的条件；微量测定如砷和重金属含量等送有资质的检测单位检测。

2.1 聚氯化铝多元盐的基本分子式(∏Mi)和碱化度(B)的表述式 [12]

2.1.1 基本分子式

∏Mi=[Alx(OH)3xBCl(3x-3xB)/cFey(OH)3yBCl(3y-3yB)/cTil(OH)4lBCl(4l-4lB)/c

Caz(OH)2zBCl(2z-2zB)/cMgk(OH)2kBCl(2k-2kB)/c·wH2O]m=1

(1)

2.1.2 碱化度

B={[OHt]/(x+y+l+z+k)}×100%

(2)

式(1)中，c表示酸根化合价，Cl-化合价=1，SO42-化合价=2；x、y、l、z、k、[OHt]表示在100g生成物中相应金属离子及总碱式基(OHt)离子的摩尔数；w值是6水合物水解后结合水的摩尔数，w=6(x+y+l+z+k)-B(3x+3y+4l+2z+2k)；式(2)表示，聚氯化铝多元盐净水剂的碱化度=在100g净水剂中总碱式基的摩尔数与被碱式化的各金属离子摩尔数之和的比。

式(1)可分为多元碱式金属离子(Mn+)、伴碱式金属的碱式基离子(OH-)、伴碱式金属的酸根离子(Cl-/SO42-)和结合水(wH2O)四部分。

2.2 摩尔换算系数(ω)与摩尔数(i)

2.2.1 成品液中碱式金属离子(Mn+)和总碱式基(OHt)的摩尔数([OHt])

测定结果/成品液氧化物的质量百分浓度(w%)：Al2O3%、Fe2O3%、TiO2、CaO%、MgO%、OHt%等。将质量百分浓度(w%)通过摩尔换算系数(ω)换算为质量摩尔浓度(i=ω×w%，单位为mol/100g)，简称摩尔数(i=x、y、l、z、k)。

2.2.2 测定结果/弱碱金属离子质量百分浓度(w%)换算为相应离子摩尔数(i=x、y、l、z、k)

①[Alx3+]摩尔数：x=[100×Al2O3%×(53.96/101.96)]/(26.98/3)=5.89×Al2O3%

② [Fey3+]摩尔数：y=[100×Fe2O3%×(111.7/159.7)]/(55.85/3)=3.76×Fe2O3%

③ [Til4+]摩尔数：l=[100×TiO2%×(47.88/79.88)]/(47.88/4)=5.01×TiO2%

④ [Caz2+]摩尔数：z=[100×CaO%×(40.08/56.08)]/(40.08/2)=3.57×CaO%

⑤ [Mgk2+]摩尔数：k=[100×MgO%×(24.31/40.31)/(24.31/2)=4.96×MgO%

⑥ [OHt-]摩尔数，[OHt-]=[100×OHt%]/16.99=100/16.99×OHt%=5.89×OHt%

设定①～⑥为式(3)：式(3)相应离子摩尔数(i)的表述式中，碱式铝离子摩尔换算系数(ωAl)/5.89、碱式铁离子摩尔换算系数(ωFe)/3.76、、碱式钛离子摩尔换算系数(ωTi)/5.01、碱式钙离子摩尔换算系数(ωCa)/3.57、碱式镁离子摩尔换算系数(ωMg)/4.96。

式(3)总碱式基质量百分浓度(OHt%)乘碱式基离子摩尔换算系数(ωOH/5.89)，得总碱式基摩尔数([OHt])，即[OHt]=ωOH×OHt%=5.89×OHt%。

2.2.3 碱式金属离子的碱化度(B%)

伴碱式金属离子的碱式基(OH%)质量百分浓度是成品液中所有参与碱式化的弱碱金属离子的共同贡献，称总碱式基质量百分浓度(OHt%)。碱式金属离子的碱化度(B%)指所有(总的)参与碱式化的弱碱金属离子(以∑i计)被碱式化(以[OHt]计)的程度。

表述式，(B%)=[OHt]/∑i。式中∑i=x+y+l+z+k，表示参与碱式化弱碱金属离子摩尔数的和。

2.2.5 结合水(wH2O)摩尔数(w)

结合水是每个碱式金属离子示性式为6个结合水经水解后的结合水，其计算式：

W=6(x+y+l+z+k)-B(3x+3y+4l+2z+2k)

2.3 产品测定结果与换算测定值

2.3.1 产品测定结果

产品以聚合碱式氯化铝多元盐(成都齐力水处理科技公司提供)为例，采用文献[12]的测定和计算方法，测定结果：Al2O3%=10.82、Fe2O3%=0.33、TiO2%=0.032、CaO%=3.36、MgO%=0、OHt%=7.23。

2.3.2 换算测定值

将不同浓度的产品主/辅料测定值(简称主/辅料产测值)，换算为主/辅料企业标准测定值[简称

主/辅料企标值]。定义同一产品换算系数=产品主料测定值/主料企业标准值，例如，本次测定产品的主料Al2O3%=10.82%，主料Al2O3企业标准定为6.5%[8]，本次产品换算系数为1.66。

(1)主料企标值/Al2O3%=主料产测值10.82%/(主料产测值10.82%/6.5%)=10.82%/1.66=6.5%

(2)辅料企标值/Fe2O3%=辅料产测值0.33%/(主料产测值10.82%/6.5%)=0.33%/1.66=0.20%

(3)辅料企标值/TiO2%=辅料产测值0.032%/(主料产测值10.82%/6.5%)=0.032%/1.66=0.020%

(4)辅料企标值CaO%=辅料产测值3.36%/(主料产测值10.82%/6.5%)=3.36%/1.66=2.02%

(5)辅料企标值MgO%=辅料产测值0%/(主料产测值10.82%/6.5%)=0%/1.66=0.00%

(6)总碱式基企标值/OHt%=辅料产测值7.23%/(主料产测值10.82%/6.5%)=7.23%/1.66=4.36%

(7)应用金属归一化方法可推知反应液中钠钾盐以氧化物(Na2O+K2O)计含量=[10%-(6.5%+0.20%+0.020+2.02%+0.00%)]=1.26%。Na2O、K2O存在于反应液中，不参与水解-碱式化。

(1)～(6)为产品相应氧化物和总碱式基的企标值：Al2O3%=6.50、Fe2O3%=0.20、TiO2%=0.02、CaO%=2.02、MgO%=0.00、OHt%=4.36。

2.3.3 将企标值换算为相应离子摩尔数(i=x、y、l、z、k)

(1)企标值换算为相应离子摩尔数(i)：x=5.89×6.50%=0.380，y=3.76×0.20%=0.008，l=5.01×0.02%=0.001，z=3.57×2.02%=0.071，k=4.96×0.00%=0.00；[OHt]=5.89×4.36%=0.257。

(2)碱式金属离子的碱化度(B%)：(B%)=[OHt]/∑i。式中∑i=x+y+l+z+k。将相应离子摩尔数(i=x、y、l、z、k)代入后式计算，得∑i=x+y+l+z+k=0.380+0.008+0.001+0.071+0.000=0.460。则有，B=[OHt]/∑i=0.257/0.460=0.56=56%

(3)伴碱式金属离子的酸根(Cl-)摩尔数(Cl(ni-niB)/c)：将产品相应离子摩尔数(i=x、y、l、z、k)代入酸根摩尔数(Cl(ni-niB)/c)计算，则得：Cl(3x-3xB)/c=Cl(1.140-0.638)/1=0.502，Cl(3y-3yB)/c=Cl(0.024-0.013)/1=0.011，Cl(4l-4lB)/c=Cl(0.004-0.002)/1=0.002，Cl(2z-2zB)/c=(0.142-0.080)/c=0.062，Cl(2k-2kB)/c=Cl(0.00-0.000)/c=0.000

(4)结合水(wH2O)摩尔数(w)：将产品相应离子摩尔数(i=x、y、l、z、k)代入W=6(x+y+l+z+k)-B(3x+3y+4l+2z+2k)式计算，则得，W=6(0.380+0.008+0.001+0.071+0.000)-56%(3×0.380+3×0.008+4×0.001+2×0.071+2×0.000)=6×0.46-56%×1.31=2.76-0.73=2.03。

2.4 产品碱化度和分子式

(1)聚合碱式氯化铝多元(少量铁钛钙镁)盐碱化度(B%)的计算结果如下：

B=[OHt]/∑i=[OHt-]/(x+y+l+z+k)=0.257/0.460=0.56=56%──产品碱化度有具体的数值，而不是指在30.0%～95.0%的范围。

(2)聚合碱式氯化铝多元(少量铁钛钙镁)盐产品分子式(∏Mi)的计算结果如下：

∏Mi=[Al0.380(OH)0.638Cl0.502Fe0.008(OH)0.013Cl0.011Ti0.001(OH)0.002Cl0.002Ca0.071(OH)0.080Cl0.062·2.03H2O]m=1.66──所测产品具体分子式是聚氯化铝铁钛钙盐的化学组成，而不只是聚氯化铝的化学组成范围[Aln(OH)mCl(3n-m)/0

2.5 产品名称和分子式的简约表述[13]

(1)产品名称：聚合碱式氯化铝多元盐的产品名简约为“聚氯化铝多元盐或PA…C”，主要用做净水剂又可简约为“聚氯化铝净水剂或PA┅C净水剂”。

(2)产品分子式：聚合碱式氯化铝多元盐分子式简约为[Al0.380(OH)0.638Cl0.502…·2.03H2O]m=1.66。

3 结论

本次测定为实验生产工艺产品，用计量生产工艺的技术标准进行计算，结果符合两种生产工艺的技术标准。说明生产聚氯化铝多元盐净水剂不用高纯度的活性氢氧化铝和高耗能的铝酸钙粉，而用活性铝土矿粉为原料，碳酸盐矿粉为碱化剂，用螯合剂沉淀分离重金属，用阳离子絮凝剂沉淀分离砷，同样能生产优良的无机盐净水剂。