目前水处理中使用的絮凝剂多为聚合铝絮凝剂，不可避免地会给水中带来相当浓度的铝离子。过量的铝离子通过自来水进入人体，会导致帕金森综合征、铝性骨营养不良、铝性贫血、脱发、脑痴呆等疾病[1]。为此，一些国家制定了饮用水中铝含量的限量标准，如世界卫生组织的铝限量标准为0.2mg/L，美国的限量标准为0.05mg/L，而我国建设部也在《2000年城市供水行业技术进步和发展规划》中的水质暂行国家标准中规定“饮用水中铝含量不得高于0.2mg/L”[2]。因此，如何选择一种新型高效环保、絮凝性能好、絮凝水中铝离子含量相对较少的絮凝剂成为当前水处理领域的重要课题。
经过大量的实验研究[3-4]，我公司开发出一种新型环保改性蒙脱土复合絮凝剂，絮凝性能好，成本低，铝离子含量低。用它处理自来水，与传统的聚合铝絮凝剂相比，出水浊度下降9.5%，药剂成本下降9.5%，出水铝离子含量下降53.1%(仅为0.15mg/L
第一，实验部分
(一)实验的主要原材料、试剂和仪器
1.实验原料和试剂:湖北向阳矿工业级蒙脱石(有机膨润土矿的一种目标矿物，蒙脱石含量70%，灰色，200目，脱色率≥ 75%，阳离子交换容量≥220 mmol/100g)；水溶性有机高分子絮凝剂，自制(分子量40万左右的多糖有机高分子，PX)；简称)；南京化学工业公司精细化工厂工业级聚合三氯化铝(PAC)；多聚磷酸钠，分析纯，天津博迪化学有限公司；天津苏庄化学试剂厂分析纯三氯化铝；天津苏庄化学试剂厂分析纯碳酸钠；天津苏庄化学试剂厂分析纯氢氧化钠。
2.实验仪器:上海利达仪器厂SZ-1型六单元搅拌机；新泽西州派恩布鲁克Chaus公司100/w马赫自动浊度计。美国；；上海利达仪器厂QM500陶瓷球磨机；BA210万分之一克数显微型电子秤广泛应用于省环保仪器设备厂；上海玻璃仪器厂PHS-2C数字酸度计；广东环保仪器设备厂FN101-3A鼓风干燥箱。
(2)改性蒙脱土的制备
将占蒙脱石质量5%的多聚磷酸钠和占蒙脱石质量0.5%的碳酸钠加入蒙脱石水化浆料中，搅拌均匀，放入阻隔瓷球磨机中研磨3小时，取出密封陈化24小时，得到钠基蒙脱石浆料备用；将0.4mol/L氢氧化钠溶液滴加到0.4mol/L三氯化铝溶液中，滴速控制在0.5 ml ~ 2 ml/min。按照NaOH(摩尔数):AlCl3(摩尔数)= 2.4 ∶ 1的摩尔比控制两种溶液的相对混合量，即溶液的OH-/Al3+摩尔比为2.4，最后将所得溶液在200°下旋转，按照4.0mmol/g蒙脱石的投料比(即混合比为4 mmol/g蒙脱石定量混合1g天然蒙脱石)将铝交联剂滴入蒙脱石悬浮液中。滴加完毕后，在转速为200转/分钟的搅拌器中搅拌2小时，然后静置水解1天，得到改性蒙脱土。将改性蒙脱土干燥、研磨后，得到改性蒙脱土絮凝剂粉末。
(3)制备用于自来水处理的复合絮凝剂
先将制得的改性蒙脱土絮凝剂粉末和水溶性天然有机高分子絮凝剂PX按100∶1(质量比)的比例配成40%的高浓度水溶液，然后以500 ~ 1000转/分的高速分散2小时，使溶液中的颗粒尽可能细分散，然后在500转/分的搅拌下缓慢加入水，最后配成0.5%质量浓度的水溶液，即改性。
(4)水样的处理
取自中国武汉余家头水厂取水口的长江水样:浊度95NTU，总碱度105mg/L(以CaCO3计)，水温24℃ ~ 25℃。
(5)将絮凝剂用于自来水的处理实验。
有两组凝血实验。一组是用传统絮凝剂聚合氯化铝(PAC) (0.5%工作液)混凝原水，找出浊度相对较低、絮凝后性价比最好的聚合氯化铝(PAC)絮凝剂的用量。另一组是用改性蒙脱土复合絮凝剂(0.5%工作液)在相同条件下对同一原水进行混凝试验，确定浊度相对较低、絮凝后性价比最好的改性蒙脱土复合絮凝剂的投加量；两个过程基本相同，即在每组实验中，将6个盛有1000mL长江原水的烧杯放在ZR4-6混凝试验混合器上，然后将这6个水样按照不同的絮凝剂投加量进行逐年混凝沉淀试验。沉淀完成后，用2100/W马赫自动浊度计测量每个水样中上清液的浊度。然后用FLAN6000电感耦合等离子体质谱仪和铝的单元素标准溶液对两组水样上清液中的铝离子含量进行测试分析，得到两组水样的浊度和对应的铝离子含量的比较值。
二。结果和讨论
(一)传统絮凝剂PAC处理自来水的试验结果
在100转/分钟的搅拌速度下，将不同量的0.5%PAC传统絮凝剂(粉末PAC，价格为2.1元/kg)分别加入到6个1000mL自来水原水样品中。加入絮凝剂后，继续搅拌5分钟，然后静置沉降。待水样完全沉降后，分别测定其出水浊度、浊度降低率、铝离子含量及相应的絮凝剂成本，确定最佳性价比絮凝剂的投加量的相应成本。
从表1可以看出，随着絮凝剂PAC投加量的增加，自来水的浊度降低率和铝离子含量也随之增加。而当0.5%PAC投加量超过1.2mL/L时，浊度降低率没有明显增加，而药品成本和铝离子含量明显增加。因此，综合考虑经济技术指标，最终性价比最好的PAC投加量应为4号样1.2mL/L。此时出水浊度、浊度降低率、铝离子含量和药剂成本分别为4.2 NTU、95.0%、0.32mgm和0.0126元/t，确定为传统絮凝剂处理自来水的最佳经济技术指标。
(2)改性蒙脱土复合絮凝剂处理自来水的试验结果
根据粉状改性蒙脱土复合絮凝剂的价格为1.8元/kg，絮凝剂的成本应低于上述PAC最佳投加量0.0126元/t的成本控制原则，设计了6种不同的投加量配方，0.5%改性蒙脱土复合絮凝剂的投加量均低于1.4mL/L，分别以100r/min搅拌成6个1000mL自来水原水样品。加入不同量的0.5%改性蒙脱土复合絮凝剂，加完后搅拌5min，静置沉降。待水样完全沉降后，测定其出水浊度、浊度降低率、铝离子含量及相应的药剂费用等。，并确定达到最佳性价比时的浊度降低率、铝离子含量及相应的絮凝剂成本。结果见表2(表2中的“FHRP”是“改性蒙脱土复合絮凝剂”的缩写)
从表2可以看出，随着FHRP投加量的增加，自来水的浊度降低率和铝离子含量也随之增加。而当0.5% FHRP的投加量超过1.2mL/L时，除浊率没有明显增加，但药品成本和铝离子含量明显增加。因此，综合考虑经济技术指标，性价比最好的0.5% FHRP用量应为5号样1.2mL/L。此时出水浊度、浊度降低率、铝离子含量和药剂成本分别为3.8NTU、96.0%、0.15mg/L和0.0114元/t，确定为改性蒙脱石复合絮凝剂处理自来水的最佳经济技术指标。
(C)两种絮凝剂处理自来水的结果比较
对比上表1和2中最佳絮凝剂用量对应的水样主要经济技术指标，结果见表3 (PAC为传统絮凝剂，FHRP为改性蒙脱石复合絮凝剂)。从表3可以看出，与传统的聚合铝絮凝剂(PAC)相比，新开发的改性蒙脱石复合絮凝剂(FHRP)出水浊度下降9.5%，药剂成本下降9.5%，出水铝离子含量下降53.1%(仅为0.15mg/L)，符合我国饮用水铝离子含量标准，具有明显的经济效益和环境效益。
(4)对该絮凝剂的絮凝机理进行了研究和探讨。
蒙脱石又称微晶高岭石或高岭石，是一种含少量碱金属和碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。其化学通式为:Nax(H2O)4 {(Al2-XMGX)[si4o 10](OH)2 }。
矿物蒙脱石是一种类似含水层的铝硅酸盐矿物。晶体结构特点是两层硅氧四面体晶片与其间的铝氧八面体晶片结合形成晶体层，形成2∶l结构，晶体层中有水分子和可交换阳离子。改性蒙脱石的层间距增加了0.12nm[5-6]，这是铝交联蒙脱石絮凝性能明显优于天然蒙脱石的重要原因。由于铝交联剂的插层作用，扩大了蒙脱土的二维通道，从而提高了铝交联蒙脱土的比表面积、离子交换容量和微孔直径，扩大了铝交联蒙脱土与胶体粒子的接触表面，吸附容量更大，吸附域更广。最后，铝交联蒙脱石的絮凝吸附性能明显优于天然蒙脱石。因此，铝交联剂的插层导致蒙脱土的层间距扩大，这是提高蒙脱土絮凝吸附性能的关键。
另一方面，PX作为一种水溶性有机高分子絮凝剂，其分子中含有大量的-NH2、-OH和-COOH等亲水性富电子基团，不仅可以通过螯合作用去除水中的金属离子，还可以通过电中和、氢键和桥联作用将水中的颗粒(包括COD等物质)凝聚成更大的絮体[7-8]。
因此，主要起吸附作用的改性蒙脱土与主要起架桥作用的PX相辅相成，使其絮凝性能大大提高，水中的细小絮体凝聚在一起，形成更大更密的絮体，聚合度和抱合力明显增强，使该絮凝剂的沉降速度和吸附性能远高于其他絮凝剂[9]。
三。结论
以我国廉价丰富的蒙脱石为主要原料，制备了一种新型复合絮凝剂，用于自来水处理，取得了良好的效果。与传统的自来水絮凝剂PAC相比，出水浊度下降了9.5%，药品成本下降了9.5%，出水铝离子含量下降了53.1%(仅为0.15mg/L)，达到了我国饮用水铝离子含量标准。具有明显的经济效益和环境效益，在我国自来水处理行业具有重要的应用和推广价值。
参考
[1]阮福昌，黄国水，等.铝的生物毒性及其控制策略[M].上海:上海科技文献出版社。1994,
[2]高秀清。水中残留铝对水质的影响及监测的必要性[J].环境与健康杂志，2000，22 (11): 381-383。
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