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造纸用水絮凝剂聚合氯化铝添加量的综合优化

                         造纸用水絮凝剂聚合氯化铝添加量的综合优化
                             张舒心1 柴欣生1,2 田迎新1,2 陈润权2
    ( 1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州广东510641;2. 国家纸制品质量监督检验中心,广东东莞523080)
    摘要: 聚合氯化铝是一种目前最广泛使用的高效混凝剂,它具有用量少、除浊高、对出水pH 影响小等优点,目前在国内外广泛应用于水处理上。在本文中,采用粒径分析、电导率以及可见紫外光谱法对影响PAC 混凝效果及不利因素进行了综合的研究。结果表明: PAC 可将原水中粒径较小的悬浮物凝聚成大颗粒絮状物而缓慢下沉,PAC投加量过多不仅影响絮凝效果,而且也造成因混凝剂无机离子的引入使原水电导率上升。由于通过絮凝剂的方式很难完全消除水中细小悬浮物,因此必须重视对后续水处理的过滤工艺。本方法对造纸原水净化混凝段条件的控制,将具有重要的指导意义。
    关键词: 聚合氯化铝; 粒径分析; 电导率; 紫外分光光度法
    中图分类号: TS727 文献标识码: A 文章编号: 1671 - 4571( 2014) 06 - 0079 - 04
    造纸过程( 制浆、洗涤、抄纸等) 需要大量的用水,因此水的洁净程度直接影响到产品的质量。如抄纸工段用水的浊度超标,会给成纸带来压花、斑点、尘埃等各种纸病,杂质含量超标会使成纸的物理强度下降[1,2],还会导致成纸施胶度下降进而使成本提高[3]。很显然,使用自来水的成本太高,国内大多数纸厂是采用河水并对其进行适当的净化处理。由于天然水源的洁净程度与地理位置、环境、气候等因素密切相关,存在着诸多不确定的因素( 如水中悬浮物和污染物含量的变化) [4],因此,研究如何根据原水的实际情况及时调整净化处理的工艺条件( 如化学试剂的用量等) ,对于保证生产的正常进行、产品的质量以及节省成本,将具有重要的指导意义。目前主要的生产用水净化工艺有诸多的处理步骤[5,6],如混凝法、膜过滤、厌氧或好氧生物处理、酶处理、氧化剂处理和多效蒸发法。其中,混凝法通常是水净化处理的第一个环节,它是通过添加絮凝剂的方式将原水中的细小悬浮物聚集成大的颗粒,进而加速悬浮物的沉积速度[7]。在众多的混凝剂中,聚合氯化铝( PAC) 的使用最为广泛。它是一种高性能无机高分子絮凝剂,分子式为Aln( OH)mCl3n - m[8],与其他无机高分子混凝剂相比,具有分子结构大,吸附能力强,混凝性能好,絮体大,絮体沉降速度快,投加量少,成本低等优点[9, 10],因此已在水和原水处理的实际应用中占有主导的地位( 90%以上) 。PAC 的絮凝作用与许多因素有关,如温度、pH 值、水力条件、投药量及时间等[7]。在这些因素的研究[11, 12]中,投药量的控制大多是根据浊度法观察水的外观程度,没有考虑由于絮凝剂的加入而引入的其它物质,特别是对纸机湿部有不利影响的阴离子[13]。因此,有必要从水的表观和内在的洁净程度来综合评价絮凝工艺的优劣。
    在本文中,采用粒径分析、电导率以及紫外可见光谱法( UV - vis) 等手段对影响PAC 混凝因素进行了研究。主要是通过考察原水经PAC 絮凝前后的粒径分布、无机离子电导率、UV - vis 光谱结合可见光谱光散射( 浊度) 的变化,探讨PAC 混凝的条件( 如混凝时间、混凝剂的加入量) 对给定原水处理效果的综合影响。该研究可为造纸原水净化混凝段条件的控制提供指导。
    1·实验
    1. 1 实验仪器
    马尔文激光粒度仪( MS2000) ,150A 台式电导率仪, 5415R 高速离心机, 8453 型紫外- 可见分光光度计( 美国Agilent 公司) ,石英比色皿( 光程10mm,美国Agilent 公司) ,Delta 320 型pH 计( 上海Mettler Toledo公司) ,移液枪, 25 mL 容量瓶若干。
    1. 2 材料及试剂
    造纸原水: 取自东江湖水;聚合氯化铝( PAC) : 固体,Al2O3含量( 30 ± 1)%,盐基度45% 60%,配制成浓度1 g /L 的溶液; 硫酸( 1 mol /L) 和氢氧化钠溶液( 1 mol /L) ;
    1. 3 操作方法
    取造纸原水于烧杯,用硫酸或氢氧化钠溶液调节pH 值。在25 mL 容量瓶加入一定量PAC 混凝剂溶液,用造纸原水定容至刻度,摇动均匀。沉降一定时间后在清液的1 /2 处取样,测定上清液的吸光度、粒径分布和电导率。
    2 ·结果与讨论
    2. 1 PAC 对原水中悬浮物的粒径分布的影响
    为了净化原水,通常要在水中加入一定剂量的混凝剂,使原水中不易沉淀的小粒径胶体脱稳而形成大粒径的絮体,从而便于沉降处理。图1 是原水以及原水加不同量的絮凝剂在静置25 min 后其上清液中的胶体粒径的分布情况。
    
    由图可知: 原水中悬浮物颗粒分布的平均粒径最小( 不利于沉降) 。投加适量PAC( 20 mg /L) 后可使原水中悬浮物颗粒分布的平均粒径增大,有利于沉降和过滤。然而,如果过量加入PAC( 50 mg /L) 后,反而使悬浮物颗粒分布的平均粒径趋于变小,不利于悬浮物的沉降。这是由于铝盐高价的聚合正价离子对于中和粘土胶核的负荷以及粘土胶体双电层的压缩能力很大,利于混凝过程; 若溶液中聚合正价离子过多,脱稳的胶体会随时发生胶体再稳现象。因此,过量加入沉淀剂不仅造成的水处理成本的提高,也影响到水体澄清( 沉降、过滤) 工艺的功效。
    2. 2 PAC 的电导率
    PAC 是无机离子,其中的阴离子是氯离子。当其正离子与悬浮物形成大的沉积物而被滤出后,无机阴离子仍然留在水中。原水中无机阴离子含量增多,不仅对造纸设备的腐蚀作用大[14, 15],也会导致造纸助剂分子表面上的正电荷跟浆料上的负电荷接触机率大大减少从而降低了助剂的效果,增加了细小纤维等的损失[16],同时增加了白水处理的负荷。由于原水中的电导率与水中的无机离子的浓度相关,因此可用电导率进行评价。
    由图2 可知,原水中本身就含有一定量的无机离子,加入PAC 后不论是经静置20 min 后还是高速离心后的水样中的电导率都与PAC 的加入量成正比关系。因此,在絮凝剂添加时需要考虑由于PAC 无机阴离子引入而对后续工艺产生的不利影响。由图我们还可以看出,水中细小的悬浮物通过高速离心可以显著去除而使得电导率也大幅度下降。该结果说明在原水处理工艺中,沉降后的过滤工艺优劣,也直接关系到纸机用水的质量,即: 后续过滤工艺的优劣直接影响到水的表观澄清度,也关系到水中无机离子的含量。
    
    2. 3 以紫外- 可见光谱评价PAC 处理水样的效果
    图3 示意了不同浓度的聚合氯化铝紫外- 可见光谱,由图可知PAC 本身在紫外波长范围( 小于400nm) 有吸收光谱。一般认为,氯离子在更低的波长范围有紫外吸收,在250 400 nm 之间的吸收是氢氧化铝正离子的贡献。通常,悬浮物在溶液中对入射光的散射的结果在紫外- 可见光谱中成基线上移的现象,即浊度测量的基本原理。因此,我们也可以通过PAC 处理水样的紫外- 可见光谱的变化,综合评价其处理的效果。
    
    2. 3. 1 沉淀时间和用量的影响
    在前期的研究中,人们发现PAC 处理原水絮凝在pH = 8. 0 左右较为理想[8]。由图4 所示,在该pH条件下原水在420 nm 的吸光度( 浊度) 在添加PAC( 20 mg /L) 后可显著下降,并在静止20 min 后已基本趋于稳定。
    
    在该给定的时间下,不同的PAC 混凝剂的加入量对浊度的影响如图5 所示。由图可知,对于给定的水样,当PAC 混凝剂的加入量为20 mg /L 是其浊度最小,浊度去除率达到90 %,而继续增加PAC 混凝剂的用量反而使浊度上升。这一结果和上面图1 中悬浮物粒径分布的现象是相吻合的。这说明,从表观的水体澄清( 即浊度) 角度而言,PAC 对悬浮物的沉淀有个最佳的加入量。
    由图5 还可以看出,尽管通过PAC 混凝剂的加入可显著提高水的表观澄清的程度,但要想使其浊度为0( 即达到100%的效果) ,靠自然沉降的澄清方法是不可能的。因此,必须对后续过滤工艺加以重视。
    
    2. 3. 2 对PAC 处理水体紫外光谱的分析
    图6 是投加不同量PAC 后原水的紫外- 可见光谱,其中插入图为投加不同量PAC 后原水的紫外-可见导数光谱( 单位波长的变化率) 。结合图3 和图6 可以看出,由于氯离子和氢氧化铝正离子在( 200250) nm 波长处的光谱吸收,其单位波长变化率与原水在该波长范围的变化率是不吻合的。这也就从光谱上证明了PAC 的添加会引入了这些对工艺不利的无机离子。因此,选择合理的PAC 投加量可减少这些无机离子不必要的引入,得到真正意义上的造纸用水所需的更洁净的水质,以减少纸机运行中由于水质问题而产生的故障以及产品质量的问题,进而实现节能减排,提高纸厂运行的效率和在市场上的竞争力。
       
    3· 结论
    本文主要是通过把原水的粒径分布、电导率和低波长的无机离子的光谱与可见波长的浊度吸收相结合的方法,探讨了PAC 混凝最佳条件的选择和优化。研究表明: 过量加入PAC 对悬浮物的沉淀不利,造成混凝效果降低; 尽管PAC 混凝剂的加入可显著提高水的表观澄清程度,但靠自然沉降的澄清方法不能使其浊度为0( 即达到100% 的效果) ,反而会由于PAC的加入,增加了溶液中的无机离子( 与电导率成正比关系) ; 后续过滤工艺的优劣直接影响到水的表观澄清度,也与水中无机离子含量密切相关。
    参考文献:略


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