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  1. 实验方法
    材料:二氧化硅悬浊液、高碱化度羟基聚合氯化铝絮凝剂、NaOH、HCl。
    仪器:JTY型混凝实验搅拌仪(北京岱远测控技术开发中心)、pH计(MP220,Mettler Toledo,Swiss)、电动电位仪(Zetasizer 2000,Malvern,UK)、浊度仪(2100N,Turbidimeter,Hach,USA)。
    实验过程:高碱化度羟基聚合氯化铝絮凝剂的絮凝效能实验研究在JTY型混凝实验搅拌仪上进行。二氧化硅悬浊液浓度为0.5g/L,离子强度与碱化度分别为10^-2mol/L NaNO3和10^-3mol/L NaHCO3。实验前采用NaOH或HCl调节悬浊液pH为6.5,实验量为500mL。絮凝程序如下:投加絮凝剂后快搅2min(200r/min),1min时取样测电动电位:然后慢速搅拌10min(40r/min)后静置沉降15min,取上清液测剩余浊度;另外通过絮凝动态实验研究絮体动态变化过程,其操作程序与聚合氯化铝凝聚絮凝静态吸附絮凝动态过程相同。
    实验比较了三种絮凝剂在不同投加量下悬浊液体系的电动电位、上清液浊度变化及絮体粒径分布情况,同时也比较了不同熟化时期絮凝剂的絮凝效能。由于纯Al13(B2.46)形态一直保持稳定,因此实验仅采用熟化半年的B2.46与其他两种高碱化度絮凝剂进行对照实验。
  2. 除浊效率与电动电位
    在恒定pH=6.5下,悬浊液体系的电动电位与剩余浊度变化规律如图6-22所示。从图中可以看出,低投加量下(1*10^4mol/L)纯Al13即达到浊度最低值,此时颗粒并未完全脱稳;随着投加量增加,体系即出现复稳,浊度回升。尽管混凝程序中加入慢搅,但从絮凝实验结果来看,纯Al13与PAC22的絮凝行为几乎相同。也就是说,羟基聚合铝絮凝剂更适于接触絮凝或直接过滤等水处理工艺,在快搅2min内就能形成具有一定尺度和密度的絮体,不仅缩短工艺流程同时也提高了絮凝效率。对于不同熟化期的聚集体B2.6和B2.8,形态分布差异导致了不同的絮凝效果。
    随着投加量增加,熟化一周的B2.6与B2.8均出现复稳而熟化半年的B2.8无明显复稳区域。显然,由于絮凝剂在熟化过程中发生形态转化,投加到水中后各形态发生的相继变化也有所不同,絮凝剂与颗粒物间的相互作用机理也因此各不相同。对于熟化一周的B2.6与B2.8[图6-22(a)],高聚合态多核羟基聚合物主要以(Al13)n为主,这(Al13)n在投入水中后会发生解聚,此时释放的Al13单元以高价正电荷吸附带负电的颗粒物发挥强电中和作用。另一方面,由于(Al13)n具有更大的尺度和枝状分形结构,未解聚的(Al13)n也通过黏结架桥作用聚集更多颗粒形成较大絮体(图6-23)。众所周知,吸附反应属于微秒级反应,但目前对于(Al13)n的解聚反应速率还未有研究报道,因此在絮凝反应初期聚集体B2.6和B2.8究竟以何种絮凝作用机理为主还不能清楚界定。不过从图6-21的电荷特性来看,在pH=6.5时,电动电位依然在40mV左右,即絮凝剂仍具有强电中和能力。不过,对于B2.8,低投加量时游离的Al13单元含量低,导致电中和能力低。尽管其尺度和结构易于黏结桥联,但一定程度的颗粒脱稳是前提,此时B2.8的絮凝效率低于B2.46与B2.6。随着投加量增加,电动电位由正变负,颗粒间由于强排斥作用重新稳定。对于半年期熟化的B2.6与B2.8[图6-22(b)],体系表现出明显的低浊度趋势。在投加量约为1*10^-5mol/L时,投加B2.6的悬浊液出现复稳,不过由于絮凝剂中Alc的增加促进了网捕卷扫作用,从而在某种程度上减弱了静电斥力的影响。因此,复稳后剩余浊度较纯Al13投加体系要低。相应地,半年期B2.8含有更多Alc,在高投加量时主要发挥网捕卷扫絮凝作用从而无明显复稳区域。
  3. 絮体粒径分布
    从图6-22可以看出,在投加量为1*10^-6mol/L时,B2.46与B2.6达到浊度最低值而B2.8出现初始絮凝;在投加量为1*10^-5mol/L时B2.46与B2.6出现复稳而B2.8达到浊度最低值。因此,图6-23和图6-24分别给出1*10^-6mol/L和1*10^-5mol/L时絮凝反应达到平衡后絮体的粒径分布。在低投加量时,高价态聚阳离子Al13及(Al13)n迅速吸附负电荷颗粒并以其簇链的枝状结构黏结桥联颗粒物形成大的絮体(>100μm),如图6-23(a)所示。在高投加量时,电性逆转的颗粒物逐渐开始相互排斥,投加纯Al13的悬浊液体系由于静电斥力过高难以促成颗粒间的聚集。相反,由于加碱聚集和熟化过程形成了高聚合度(Al13)。和溶胶态轻基多核聚合物,B2.6与B2.8通过更强的黏结架桥能力和一部分网捕卷扫作用而形成更多粒径更大的絮体。如图6-24(a)和(b)所示,投加B2.6和B2.8的悬浊液体系的絮体粒径范围分布更宽,并且B2.8的絮体粒径主要分布在500-1000μm。根据图6-22可知,此时体系的浊度也一直维持在低范围。
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