聚合氯化铝净水工艺项目计划书

1、聚合氯化铝净水工艺计划书第一章聚合氯化铝概述在水处理领域中，絮凝法净化水是最古老的固液分离方法之一， 由于其适用性广、工艺简单、处理成本低等特点，絮凝法目前仍广泛 应用于饮用水、生活污水和工业废水处理中。聚合氯化铝(PAC是一种优良的无机高分子絮凝剂，它首先在 日本研制成功并与20世纪60年代投入工业化生产，是目前技术最为 成熟，市场销量最大的絮凝剂。PAO用时具有絮体形成快、沉淀性 能好，水中碱度消耗少，特别是对水温、pH值、浊度和有机物含量变化适应性强等优点。我国从上世纪 70年代开始，已对聚合氯化铝 进行了研发，近年来随着实验室研究的深入，工业生产得到了快速的 发展。以下将会对聚合硫酸铁

2、的物化性质，制备原理和方法，以及研究 应用现状和发展趋势等做一些简要的介绍。聚合氯化铝的物化性质聚合氯化铝(Poly Aluminum Chloride)，代号PAC简称聚氯化 铝，碱式氯化铝，其分子式为Al2(OH)nCI6-nm,式中，10, 1 WnW5,分子量在 2000左右。通式为 Aln(0H)nCI3m-n和 xAI(OH)3A1Cl3 表示，分别称为碱式氯化铝和氢氧化铝溶胶。聚合氯化铝味苦涩，在形态上可分为液体和固体两种，液体颜色 为黄色至黄褐色液体，而固体颜色可分为白色，黄色，棕褐色三种。聚合氯化铝易溶于水并发生水解， 同时伴随发生电化学凝聚、吸 附和沉淀等物理化学过程。加热

3、到110c以上时发生分解，放出氯化 氢气体，并分解为氧化铝。与酸作用发生解聚反应，是聚合度和碱度 降低，最终变成为正铝盐。与碱作用时聚合度和碱度提高，最终会生 成氢氧化铝沉淀或铝酸盐。与硫酸铝或其他多价酸盐混合时，易生成 沉淀，一般会降低或完全失之混凝效能。质量标准GB/T 22627-2008指标名称指标液体固体氧化铝（以A12O3计）的质量分数/ %6.028.0盐基度/%3095密度(20C) / (g/cm3)1.10不溶于的质量分数/%0.51.5PH 值(10g/L)3.55.0铁（Fe）的质量分数/ %2.05.0碑（As）的质量分数/ %0.00050.0015铅（Pb）的质量

4、分数/ %8.0时，由于 生成氢氧化铝沉淀而降低其处理效果，而聚合铝在pH10的范围内均 会等到较好的处理效果。4、较强的水质适用范围：由于聚合铝产品具有较宽的碱化度调 整范围（碱化度可从40%调整到90%）和较强的复配作用，因此对于 任何给水、废水，通过调整产品的碱化度或复配各种无机或有机化合 物都可达到最佳处理效果，尤其对低碱度及高有机污染水质。5、良好的絮凝沉降效果：聚合铝能够明显提高固液分离效率， 改善沉降过滤及污泥脱水性能，从而缩短沉淀池的停留时间，增加产 水量。另外，由于絮凝体大而紧密而易于过滤和污泥脱水。6、较好的低温低浊水处理效果：一般对于低温、低浊水 （5C） 以及低碱度水，

5、传统混凝剂如硫酸铝的混凝除浊效能会明显降低并导 致出水水质恶化，而使用聚合铝，无论对低温还是低碱度的水，都能 获得较好的混凝除浊效果。7、较小的pH降低：由于硫酸铝或氯化铁，聚合硫酸铁等凝聚剂 水溶液酸度较大，因此处理后水质 pH值下降明显，尤其在高浊度水 质处理过程中，投量增大而导致处理水质 pH降低超出正常饮用水水 质pH范围（6.5-8.5）,因此需再投加碱液提高水pH值。使用聚合铝， 由于酸度较小，处理后水质 pH降低不明显，因而无需投加碱液来提 高水质的pH值。8、较低残留铝含量：使用传统硫酸铝，处理水中的残留铝含量般为150-255ug/l ,而使用聚合铝絮凝剂，具残留铝含量只有4

6、0-55ug/l 。应用范围聚合铝絮凝剂在给水和废水处理领域具有十分广泛的应用。如在城市、工业给水处理方面，它适用于任何水源水质处理及回用净化过 程，尤其在微污染较严重的各种源水的处理， 低温低浊低碱度源水的 处理，纯净水的预处理以及火力发电厂、 钢铁厂等给水净化处理等方 面，水质浊度去除率可高达 95- 98%以上。在工业废水处理方面， 一般采用聚合铝与有机高分子絮凝剂配合使用，这不仅可显著降低废 水处理费用，而且可明显提高处理效果。它不仅可强烈地去除废水中 细微悬浮颗粒物，而且可有效去除水中的各种油份、色度、 COD去 除率可达70 90%以上。如目前在油田回注水，炼油厂，机加工厂 的含油

7、废水处理，洗煤，印染废水的除浊脱色处理，制药、造纸废水 除浊除COD勺处理，冶金，制革工业的除浊去除重金属的处理过程中， 聚合铝产品都已得到了广泛地应用。止匕外，目前城市中水、生活污水 基本都采用生物处理，但大量运行实践结果表明，仅靠生物法处理城 市废水，不仅运行负荷高，处理水质不能达标，而且运行费用也相对 较高。目前许多城市污水都在研究采用强化混凝法或在生化前进行强 化预处理或生化后进行深度处理， 达到减少生化处理负荷，出水回用 的目的。因此，聚合铝絮凝剂在城市中水、污水的强化预处理及深度 处理中具有十分广泛的应用前景，尤其在城市污水回用，工业节水净化处理。止匕外，聚合铝在污泥脱水处理中配合

8、阳离子有机高分子絮凝 剂使用，可降低处理成本并提高处理效率。聚合氯化铝除了广泛应用于各种给水和废水处理、 污泥处置过程 中，还应用于制药，化妆品及工业催化作为原料或添加剂，尤其在造 纸行业，高纯(无铁)聚合铝作为造纸中性施胶机，目前在国外已得 到普遍应用。止匕外，由于聚合铝絮凝剂无毒，高纯度聚合铝产品产品 在各种食品，糖果，烟酒，饲料产品的固液沉降分离过程中也有不同 程度的应用。聚合氯化铝的制备原理及方法聚合氯化铝的生产就是控制铝、 OH、C的比例和水解、聚合条 件，生产出一系列的电荷中和能力、 吸附架桥性能符合特定要求的铝 盐混凝剂。在聚合氯化铝的生产中，HO参与了反应，提供了 OH。在 稳

9、定熟化后，pH值会有微小下降。因原料不同，聚合氯化铝的生产 工艺路线也不同，生产方法很多，但大致可以分为热解法、酸溶法、 中和法、电解法和电渗析法五种。目前工业化生产大多是这儿种方法 的综合应用。(1)三氯化铝热分解法：三氯化铝在加热条件下，发生热分解反应。在400 600c的温 度下，分解反应可以进行到底，生成氧化铝和氯化氢气体。如果控制热 分解的进程，就能得到介于三氯化铝和三氧化二铝之间的一系列中间 产物。在加热的条件下，反应方程如下：AlCl 3 - 6H2O -A1(OH2)5(OH)Cl2 + HClA1(OH2)5(OH)Cl2 一A1(OH2)4(OH)2Cl + HClA1(O

10、H2)4(OH)2Cl -A1(OH2)3(OH)3 + HCl2Al(OH2)3(OH)3 Al 2Q + 9H 2O在热分解法中，有的分解三氯化铝水溶液或低碱化度聚合氯化铝 溶液，从而得到液体聚合氯化铝产品。此法分解温度受限制，产品碱化 度和分解效率都很低。更多的是直接分解结晶氯化铝。这种方法分解 温度不受限制，分解速度快，产品碱化度可以任意控制，适用于大规模 生产。(2)含铝原料酸溶法。由于过程简单，原料要求不苛刻，因此，此法是目前液体聚合氯化 铝的主要生产方法。根据所用原料不同，可细分为以下几种： 金属铝直接溶解法：一定粒度的铝屑、铝灰与盐酸或三氯化铝反应，调节铝氯当量比， 能一次得到

11、所要求的碱化度的聚合氯化铝。主要反应方程式如下 ：nH2O + 2Al + (6-n)HCl = Al2(OH)nCl6-n + H 2TnH?O + n/8Al + (2-n/3)AlCl3 = Al 2(OH)nCl8-n + n/2H 2T由于金属铝原料昂贵，除实验室制造外，工业生产价值不大。目前 有的生产厂以铝灰为原料，采取“铝灰酸溶一步法”，但资源不足，产 品质量不稳定，杂质太多，尤其一些重金属杂质的带人，造成净化水二 次污染。因此不宜大力推广。氢氧化铝酸溶法：常压下结晶氢氧化铝在盐酸中的溶解度小，为此，日本大明化学工业公司采取了将结晶氢氧化铝变成无定型的凝胶氢氧化铝，然后酸 溶。主

12、要反应如下：Al(OH) 3 + NaOH = NaAl(OH) 42NaAl(OH)4 + CO2 = 2Al(OH) 3 J + Na2CO + H 2O2Al(OH) 3 + (6-n)HCl = Al2(OH)nCl6-n + (6-n)H 2O此方法生产条件好，产品质量高，但流程长，成本高。为克服结晶氯化铝常压下难溶的困难，口本住友化学工业公司等 采用了加压溶出法，其设备有间断式密封反应釜和连续式高压管道反 应器。其结晶氢氧化铝的溶出率可达 95%U上。含铝矿物酸溶法：一般含铝矿物包括粘土矿、铝钮土矿、煤砰石、高岭土等。这含 铝矿物酸溶法：一般含铝矿物包括粘土矿、铝钮土矿、煤砰石、高

13、岭 土等。这些矿物中的铝一般不能直接为酸所溶出，必须预先经过一系列加工处理。一般是将含铝矿物粉碎成 40- 60目的颗粒，再经600 800c温度焙烧后，用盐酸(或硫酸及混合酸)溶出，溶出液经碱化度调 整，即为聚合氯化铝成品溶液，或将溶出液浓缩得结晶三氯化铝，再热 解制成固体产品。煤歼石酸溶热解工艺即为这一方法。(3)三氯化铝水溶液用碱中和法：氯化铝水溶液用碱中和可以生成聚合氯化铝产品。常用的碱性 物质有NaOH CaC母NaAl(OH)4、NaHCO NH+、等等。其作用是提 高氢氧根离子的浓度，以促进三氯化铝的不断水解。根据产品碱化度 的不同要求，改变碱性物质的加人量。以投加氢氧化钠、石灰

14、石和铝酸钠为例，反应式如下:2A1C1 3 + nNaOH = Al 2(OH)nCl6-n + nNaCln/2H2O + 2AIC13 + n/2 CaCO = Al 2(OH)nC16-n + n/2CaC12 + n/2CO2 (8-n)A1C1 3 + nNaAl(OH)4 = 4Al 2(OH)nCl6-n + nNaCl从式中可以看出，反应消耗了碱性物质和三氯化铝中的氯离子，生 成了杂质氯化钠和氯化钙。由于消耗碱性物质，而且产品需要分离， 因此，从原料消耗、工艺流程以及产品质量等角度看，均不利。(4)电解法：用石墨作为阴极，金属铝板作为阳极，对含铝酸性废水进行电解， 可以获得液体

15、聚合氯化铝，电解温度为60 5C,电流2.5A,电解时间 为1小时。另外，电解液也可以是三氯化铝或低碱化度的聚合氯化铝 溶液。(5)电渗析法：在离子交换树脂法制聚合氯化铝的基础上，以三氯化铝为原料，进行了电渗法生产聚合氯化铝的研制。电渗析法主要以离子交换膜的 选择透过性和水的电解原理为基础。这一方法具有流程短，原材料和能耗较少，盐酸可回收等优点，是一种很有发展前途的制造方法。在国 内，由于离子交换膜制造工艺尚在研究，因此，用电渗法大规模工业化 地制取聚合氯化铝还不具备条件。综上所述，目前国内大规模工业化生产聚合氯化铝的方法应该是 含铝矿物酸溶法工艺。如制造固体产品，则宜采用沸腾炉热解法。而 含

16、铝矿物中煤砰石又是贮量大、分布广、价格低廉、适于综合利用， 可变害为宝的最有前途的含铝矿物原料。发展现状与前景聚合氯化铝是七十年代初国际投入工业化生产和应用的新型高 效无机高分子絮凝剂，由于聚合铝具有用量省，净化效能高，适应性 宽等优点，比传统絮凝剂用量可节约2/3到一倍以上，成本节约30-40%同时聚合铝的生产工艺简单。因此，在国内外水处理领域已 得到广泛的应用和迅速地发展。目前，世界聚合铝产量约为150万吨 /年。其中，日本聚合氯化铝生产量 1988年已达40多万吨/年，比 60年代末增长了 30倍，并已超过各种絮凝剂生产总量的 50%正在 逐渐取代传统凝聚剂。日本工艺生产技术和产品质量代

17、表了目前国际 聚合铝净水剂的最高水平。我国自70年代开始研制生产聚合氯化铝，技术有所改进，产量 不断增长。由于混凝剂属于量大面广的商品，用量逐年激增，但产品 品质差、效能低，是目前我国絮凝剂企业普遍存在的突出问题，产品 质量庞杂且其效能低下，产品品质多呈黄色颗粒状，其水不溶物在5-30W等，产品中重金属及杂质含量甚高。多数液体或固体产品品 质达不到国家规定的饮用水净化处理标准，因而不适用于饮用水净化处理。高品质的聚合铝絮凝剂产品在国内外都具有广阔的良好市场前 景。现有的絮凝剂种类有限，而且用途、效果也比较单一，为了满足水 处理领域更高更新的要求，应在了解分子化学结构和物性之间相互关 系的基础上

18、，在制备理论指导下，根据反应体系选择理想的反应设备、设计最佳聚合工艺路线，以解决现有方法的缺陷，合成出具有特定构及所需物性的更加具有市场竞争力的絮凝剂产品。因此，利用分子设计的原理来得到更丰富、复合化、多功能化的改性高分子絮凝剂是今 后水处理领域研究的方向。第2章聚合氯化铝的工艺设计制备聚合氯化铝的原料广泛，方法也很多，但是每一种方法的原 料及生产操作过程的不同，产品的品质以及生产收益也会不同，总的来说，都有其优势与不足。人们通过不断深入研究，一步步的找出了 操作生产更加方便简单且满足不同需求和高质量的产品。下面我将介绍我的设计。设计方法分析与拟定在第一章中介绍的聚合氯化铝制备方法中，有几种是

19、以工业废渣 为主要原料，利用了固体废物资源，保护环境，降低成本，具有一定 的良好效益，综合考虑到保护环境以及原料来源， 生产成本的方面因 素，我选用以煤研石作为原料，利用酸溶法制备聚合氯化铝。煤研石概述煤研石是采煤过程中产生的废矿石。煤研石并非单一的岩石，而是碳质页岩和碳质砂岩同砾岩、砂岩、砂、页岩、粘土等的混合物。 其中主要矿物成分是高岭石、蒙脱石、伊利石等粘土矿物以及石英、 长石等矿物，亦即主要是铝硅酸盐类。在焙烧后的灰分中一般SiO2约 占 5060%,Al2Q 约占 2040%,FaQ 约占 35%煤研石是采煤过程中的废料，各煤矿均有排出且排出量很大，往 往达到原煤产量的30%研石同煤

20、分离后就作为工业废料堆积在矿区， 年积月累形成一座座研石山。制聚合氯化铝所需要的原料仅为煤研石 产量的很小一部分。三十多年来，我国对煤研石的综合利用已作了大量工作 ，取得了一定成绩。其中煤研石酸溶法制取聚合氯化铝具有更为广阔的发展前煤研石作为聚合氯化铝原料的合理性：(1)大多数煤矿的煤研石含 AI:03量在25%Z上，多的可达40%Z上。 此含铝量虽不及高品位的铝钮土 ，却远高于一般粘土矿物，如硅藻土， 高岭土等。提取其中铝分在经济上是适宜的。(2)用煤研石制取聚合氯化铝是对工业废料的综合利用 ，不与炼铝工 业争原料，也不要进行专门开采，相反减轻了环境污染。因此，除运费 外，煤研石几乎可以不计

21、算成本。(3)煤研石本身含有可燃成分。大多数矿务局的煤研石的发热量在 1200卡/克以上。可以在沸腾炉中燃烧，因此，焙烧过程不需要另加燃 料。(4)焙烧后的煤研石颗粒有微孔，不需要用球磨机磨成极细粉状，即可 酸溶，且溶出效率很高，甚至达到80%U上。(5)多数煤研石的Fe:O含量在35%&左，个别含量可能还高。在酸 溶时有可能把铁同时溶出，使聚合氯化铝中的含铁量提高，这对混凝 效果并无不利影响。(6)肝石酸浸后，渣中主要成分为 SiO2,可作为水泥添料，提高水泥强 度。焙烧活化后的灰分，可以制水玻璃、白炭黑等产品。从以上几点可以看出，煤研石是一种物美价廉的聚合氯化铝原料。生产原理及工艺特点生产

22、原理经查阅相关文献，煤研石中主要的矿物组分为高岭石(Al 2Q 2SiO2 2H2O),煤研石在高温锻烧过程中伴有结构膨胀、成 分挥发，在锻烧的过程中结晶态的高岭石由于脱羟基转化为非晶态的 偏高岭石(Al 2。 2SiO2),偏高岭石具有大的比表面积和高的化学反应活性，其中的Al2a可以酸浸出来。化学方程式如下：A12Q 2SiO2 2H2O - Al 2Q 2SiO2 + 2H 2O (600-900C)A12Q 2SiO2 + 6HCl - 2SiO2 J+ AlCl 3 + 3H2O生产工艺特点本工艺采用煤研石和盐酸作为原料，该工艺具有如下特点：(1)生产工艺简单，操作方便；(2)原料来

23、源广泛并且用量少，价格低廉，煤研石基本上只有运费成本，生产成本低(3)反应速度快，生产周期短，经济效益快(4)产品质量稳定可靠且易于控制，各项性能指标达到国家标准 性能指标；工艺参数和操作条件的确定随着不同产地，不同层位，不同开采方式，煤研石的化学组成 变化很大。除含有碳外，一般以氧化物为主，其中二氧化硅和氧化铝 占较大比例，此外还有常量组分以及少量微量元素。因此，具体情况 需测定煤研石中的氧化铝含量。查阅相关资料，选定煤研石中二氧化硅的含量为51.79%,三氧化二铁和三氧化二铝含量为3.98麻口 22.58%勺煤研石进行参数确定。单因素实验研究结果表明，在常压、反应温度为 105108C (

24、水和盐酸的共沸温度)条件下，得出用质量分数 20%勺盐酸浸取煤研石中的铝的优化反应条件：煤研石锻烧温度为650C ,此时,煤研石的活性最高，氧化铝 的溶出率也最大。酸浸时间为3h,由于原料中具有活性的 A12Q组份含量有限， 因此过长的浸取时间并不能使浸出率得到太大的提高。同时 ,长时间 地维持在较高的浸取温度(110 C),亦将导致较大的盐酸蒸发损失和 酸雾污染，而且,酸浸时间越长成本就越高，设备的腐蚀也就越大，所 以选取酸浸时间为3h为优化的酸浸时间。加酸量为0.01908mo1/g ,煤研石的加酸量越大溶出率越高，考 虑到实际生产情况，加酸量越大成木就越高，固液比为1:4,固液比过大和过

25、小都会影响煤研石中氧化铝的 溶出率，因为随着固液比的增大，一方面，由于浆体的黏度降低，浸出 液中盐酸的扩散速度加快，有利于浸出；另一方面，由于酸浓度的降低 铝的溶出率降低。煤研石中氧化铝的优化后的溶出率可达 63.7%。工艺流程说明本文所介绍的用煤研石制取聚合氯化铝的方法就是酸溶法，工艺流程可分为粉碎、焙烧、酸溶、过滤、加碱聚合、熟化、蒸发、干燥 等几道工序。其工艺流程如图所示：粉碎焙烧粉碎后的煤研石经过焙烧过程，生成(Al 2cB 2SiO2)设备：钢球磨、循环流化床燃烧锅炉煤研石中含有碳，可自己进行燃烧，炉渣即为下一步反应原料。而循环流化床锅炉可以用煤研石做燃料， 因为要作为燃料，对颗粒要

26、 求严格，所以用钢球磨。酸浸溶解加入盐酸进行酸浸3h。设备：蒸汽加热反应釜因为工艺要求需要加热，并且有循环流化床过滤可以提供热量， 因此可选用防腐的加热反应器。沉淀混凝溶出液采用混凝沉淀法进行分离。从反应釜连续流出的溶出液进 入沉淀池，待沉淀池充满后加混凝剂聚丙烯酰胺或动物胶进行混合， 静止，清液转入存贮池，沉渣即可排出。设备：沉淀池浓缩结晶从酸溶工序中得来的酸溶液进入搪瓷釜内呈负压状态， 然后用蒸 汽加热以实现浓缩。当蒸出液为母液体积的 4550%寸，即停止加热 浓缩，然后出料经滞留梢冷却过滤后可得结晶 A1C13。蒸发出的水蒸 汽和部分盐酸气可进行回收，循环使用。设备：搪瓷釜滞留梢沸腾热解浓缩结晶的A1C13用热网加热到170180c条件下进行热分解， 使产品碱化度控制在7075%热分解的HC1气体在吸收塔内循环吸 收，用以配制稀盐酸，可在酸溶工序中重复利用。设备：热网加热器配水聚合，干燥结晶从沸腾热解工序中得到的 A1C13,加水溶解混合并加以搅拌，产 品由