趙志萍，丁立輝（常州友邦凈水材料有限公司，江蘇常州213100）

聚氯化鋁過濾性能的影響因素研究

趙志萍，丁立輝
（常州友邦凈水材料有限公司，江蘇常州213100）

為改善聚氯化鋁（PAC）生產中產品的過濾效果，從工藝、原料、產品3個方面研究了反應時間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、硫酸根離子含量、三價鐵離子含量、氧化鋁含量、鹽基度等多個因素對PAC過濾效果的影響。研究表明，反應時間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、原料中硫酸根離子含量對PAC的過濾效果均有顯著影響。為確保PAC的可濾性，建議生產中反應時間為60 min，過濾溫度為60～80℃，盡量少用鋁酸鈣粉，盡量選用不含硫酸根離子的原料酸。產品中氧化鋁含量的變化對PAC的過濾效果有一定影響，但不會改變產品的可濾性。原料中三價鐵離子含量、產品鹽基度的變化對PAC的過濾效果無顯著影響。

聚氯化鋁；過濾性能；水不溶物

聚氯化鋁（PAC）是一種應用廣泛的無機高分子混凝劑，其生產技術已日益成熟。目前，大多數(shù)企業(yè)采用常壓工藝生產PAC。該工藝主要以鋁礬土熟料或鋁酸鈣、含鋁鹽酸為原料，采用酸溶一步法制備，因成品液中水不溶物較多，需通過壓濾或長時間靜置才能符合GB/T 22627—2008《水處理劑聚氯化鋁》對液體PAC中水不溶物的質量要求，而工業(yè)級PAC生產所用含鋁酸通常為各種副產酸或廢酸，除主成分AlCl3、HCl之外還含有其他雜質，導致PAC在實際生產中常出現(xiàn)難以壓濾的情況，致使產品水不溶物難以達標。鑒于此，筆者從工藝、原料、產品3個方面研究了反應時間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、SO42-含量、Fe3+含量、Al2O3含量、鹽基度等多個因素對PAC過濾性能的影響，為實際生產中PAC過濾效果的改善提供技術指導。

1 實驗原料與儀器

鋁酸鈣粉（Al2O3質量分數(shù)＞50%）；鹽酸、濃硫酸、六水氯化鋁、四水氯化亞鐵、六水氯化鐵，均為AR。

1 000 mL四口燒瓶；恒溫電熱套；分析天平；電子恒速攪拌器；500 mL分液漏斗；調溫電爐。

2 實驗方法

2.1 PAC的制備方法

將鹽酸、六水氯化鋁、鋁酸鈣粉、適量水等原料按實驗設計的質量比加入四口燒瓶中，攪拌下加熱回流反應，至沸騰開始計時，保溫反應60 min，反應液過濾除渣即得成品PAC。

2.2 過濾性能的判斷方法［1］

取剛出釜的反應液100 mL，冷卻至80℃。在布氏漏斗內墊上直徑為70 mm的中速定量濾紙，在真空狀態(tài)下倒入反應液，調節(jié)并保持真空度為-0.040～-0.035 MPa，用秒表測量過濾時間，至濾液抽干為止，即為過濾時間。通過過濾時間的長短可反映產品過濾性能的優(yōu)劣，過濾時間＞10 min即表明產品過濾性能欠佳。

2.3 分析項目與方法

水不溶物、氧化鋁含量、鹽基度按照 GB/T 22627—2008《水處理劑聚氯化鋁》中的相應方法進行檢測。

3 結果與討論

3.1 生產工藝條件對PAC過濾效果的影響

3.1.1 反應時間對PAC過濾效果的影響

為了研究反應時間對PAC成品液過濾效果的影響，在其他條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質量分數(shù)為 13.5%，目標 PAC中 w（Al2O3）= 10.5%，鹽基度=75%，過濾溫度=80℃］，改變反應時間，得到PAC的過濾效果與反應時間的關系圖，結果如圖1所示。

圖1 反應時間對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

由圖1可知，隨著反應時間的延長，過濾時間呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢。反應初期，由于鋁酸鈣粉尚未完全反應，反應液中水不溶物含量較高，因此過濾時間較長；隨著反應的進行，過濾時間逐漸縮短，當反應時間在60～80 min時，水不溶物含量趨于穩(wěn)定，說明鋁酸鈣粉中可溶性成分基本溶出，此時產品的過濾時間也較短；當反應時間≥80 min時，PAC成品液的過濾時間陡然延長，反應2 h時，PAC成品液抽濾10 min仍未抽干，主要原因有二，一是長時間的攪拌使反應液中水不溶物被分散成更細小的顆粒，二是PAC內部各分子之間的交聯(lián)聚合度隨反應時間的延長而增大，二者導致過濾難度加大。因此，本實驗選擇60 min作為反應時間，既可以保證鋁酸鈣粉的最大溶出率，又可以提高PAC的過濾效果。

3.1.2 過濾溫度對PAC過濾效果的影響

為了考察過濾溫度對PAC成品液過濾效果的影響，在其他條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質量分數(shù)為 13.5%，目標 PAC中w（Al2O3）= 10.5%，鹽基度=75%，反應時間=60 min］，分別在不同溫度下進行過濾實驗，結果如圖2所示。

圖2 過濾溫度對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

由圖2可知，PAC成品液的過濾時間隨著溫度的增高而逐漸縮短，這是由于液體的黏度是溫度的指數(shù)函數(shù)，它隨溫度的升高而明顯下降，升溫是降低黏度最簡單而有效的措施，黏度降低，過濾阻力減小，過濾時間也隨著縮短。但過濾溫度不宜過高，因為高溫會增強產品對過濾設備的酸腐蝕性，影響整體設備或部分配件的使用壽命。因此，為了兼顧過濾效果和過濾設備的使用壽命，選擇60～80℃作為PAC成品液的過濾溫度。

3.2 原料對PAC過濾效果的影響

3.2.1 原料配比中鋁酸鈣粉用量對PAC過濾效果的影響

鋁酸鈣粉是生產PAC的重要原料之一，本實驗保持其他反應條件不變［目標 PAC中 w（Al2O3）= 10.5%，鹽基度=75%，反應時間=60 min，過濾溫度= 80℃］，考察鋁酸鈣粉用量與PAC過濾效果的關系，實驗結果見圖3。

由圖3可知，隨著原料配比中鋁酸鈣粉用量的遞增，PAC反應液的過濾時間也逐漸延長，這是由PAC反應液中鋁酸鈣粉帶入的水不溶物含量的增長引起的。當鋁酸鈣粉質量分數(shù)達到17.5%時，PAC反應液過濾時間>10 min，且濾渣難以抽濾至干。因此，PAC生產反應中應盡可能減少鋁酸鈣粉的用量，質量分數(shù)最高不超過16.5%，可達到較好的過濾效果。

圖3 鋁酸鈣粉用量對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

3.2.2 原料中SO42-含量對PAC過濾效果的影響

目前，國內工業(yè)級PAC生產中使用的原料酸多數(shù)是含鋁副產酸，其中不可避免地含有一些雜質離子，SO42-就是常見的一種。本實驗在其他實驗條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質量分數(shù)為13.5%，目標PAC中w（Al2O3）=10.5%，鹽基度=75%，反應時間=60 min，過濾溫度=80℃］，考察原料配比中SO42-含量對PAC反應液過濾效果的影響，為進廠原料質量指標的控制和生產配比的設置提供參考，實驗結果見圖4。

圖4 SO42-含量對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

由圖4可知，原料中SO42-含量越高，反應液過濾時間越長，當SO42-質量分數(shù)大于1.5%時，反應液難以過濾，這是因為原料中SO42-與酸溶出的Ca2+反應生成微溶性的CaSO4沉淀堵塞過濾介質，且形成的濾餅通透性欠佳，導致過濾越來越難。因此，SO42-的存在對PAC反應液的過濾起負作用，應盡可能避免原料中含有SO42-，若難以避免，應控制SO42-質量不超過原料總質量的1.5%。

3.2.3 原料中Fe3+含量對PAC過濾效果的影響

由于來源和廠家不同，原料酸和鋁酸鈣粉中Fe3+含量也不盡相同。為考察Fe3+含量對PAC反應液過濾效果的影響，本實驗在其他條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質量分數(shù)為13.5%，目標PAC中w（Al2O3）=10.5%，鹽基度=75%，反應時間= 60 min，過濾溫度=80℃］，在GB/T 22627—2008《水處理劑聚氯化鋁》允許的Fe3+含量范圍內，改變原料中Fe3+含量，得出Fe3+含量與過濾效果的關系圖，結果如圖5所示。

圖5 Fe3+含量對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

由圖5可知，隨著Fe3+含量的增高，PAC反應液的過濾時間和水不溶物含量基本保持不變。因此，F(xiàn)e3+含量的變化對產品的過濾效果沒有顯著影響。

3.3 產品指標對PAC過濾效果的影響

為考察目標產品質量指標對PAC反應液過濾效果的影響，在其他實驗條件不變的情況下（原料配比中鋁酸鈣粉的質量分數(shù)為 13.5%，反應時間= 60 min，過濾溫度=80℃），分別調節(jié)產品Al2O3含量和鹽基度，得出產品質量指標與過濾效果的關系圖，結果如圖6、圖7所示。

3.3.1 Al2O3含量對PAC過濾效果的影響

圖6為氧化鋁含量對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響。由圖6可知，隨著PAC成品中Al2O3含量的遞增，水不溶物含量基本保持不變，因為鋁酸鈣粉中酸不溶物是PAC水不溶物的唯一來源，且實驗各配比中鋁酸鈣粉用量保持一致；隨著PAC成品中Al2O3含量的遞增，PAC反應液的過濾時間稍有延長，因為PAC反應液的黏度隨著Al2O3含量的遞增略有增加，過濾阻力也隨之增大，但反應液的過濾性能仍較好。因此，Al2O3含量的增加對PAC反應液過濾性能的影響不大。

圖6 氧化鋁含量對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

3.3.2 鹽基度對PAC過濾效果的影響

圖7 產品鹽基度對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響

圖7為產品鹽基度對PAC過濾時間和水不溶物含量的影響。由圖7可知，在GB/T 22627—2008《水處理劑 聚氯化鋁》要求的產品鹽基度范圍內，PAC產品鹽基度的變化對產品過濾性能無顯著影響。通常情況下，PAC聚合度越高，產品黏度也越高，過濾時間也會相應延長，但在現(xiàn)行的產品國標中，鹽基度的檢測方法得出的結果僅能反映PAC的堿化度，反映不出PAC的聚合度，堿化度的高低對PAC反應液過濾性能的好壞無顯著影響。

4 結論

1）反應時間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、原料中SO42-含量的變化對PAC的過濾效果均有顯著影響。實際生產中，為改善PAC的過濾效果，得到合格的PAC產品，建議作如下控制：反應時間為60 min；過濾溫度為60～80℃；鋁酸鈣粉用量越少越好，最高質量分數(shù)不超過16.5%；原料中最好不含SO42-，若無法避免，最高不超過原料總質量的 1.5%。2）產品中Al2O3含量的變化對PAC的過濾效果有一定影響。Al2O3含量的增加會稍延長過濾時間，但不影響PAC的可濾性，PAC仍可較快地實現(xiàn)固液分離。3）原料Fe3+含量、產品鹽基度的變化對PAC的過濾效果無顯著影響。

［1］ HG 3746—2004水處理劑用鋁酸鈣［S］.

聯(lián)系方式：44150382@qq.com

日本開發(fā)鋰電池內電子運動定量分析新方法

2014年3月13日，日產汽車（Nissan）和日產ARC對外正式宣布，兩家公司已合作開發(fā)出一種可以直接觀測鋰離子電池在充放電過程中正極材料內的電子運動，并可實現(xiàn)定量化的分析方法。

通常情況下，若想得到容量大、壽命長的鋰離子電池，需在電極活性材料中盡可能多地儲存鋰，因此首先需要掌握電池中電子的運動規(guī)律和特性。傳統(tǒng)的分析方法無法直接觀察到電池中電子的運動，也無法針對電極活性材料中的錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、氧（O）等元素做定量分析。

日產汽車和日產ARC開發(fā)的分析方法，是將L吸收邊X射線吸收光譜法和采用矢量型超級計算機 “地球模擬器”做的第一性原理計算法（first-principles calculation）相結合的全新分析方法。此前的研究者也采用X射線吸收光譜法進行分析，但多以K吸收邊為著眼點，除了被束縛在原子內的電子，無法直接有效地觀測到其他參與充放電電子的活動情況。

采用最新研制的分析方法，可直接觀察到參與了電池反應中的電子的流動情況。結合第一性原理計算方法，則可實現(xiàn)電子遷移率從間接推定到精確測量的轉變。

該方法還有助于解決困擾研究者多年的難題，即在充放電時流動電流的起源。通過對電子運動的定量分析，有助于準確掌握電池內部（特別是正極活性材料）反應的情況，從而為性能優(yōu)良、使用壽命長的電極材料的設計與研發(fā)提供可能。

賈磊譯自レスポンス.2014-03-13.

Study on influence factors of PAC filtration performance

Zhao Zhiping，Ding Lihui
（Changzhou Y oubang W ater-purging Chemical Co.，Ltd.，Changzhou 213100，China）

In order to improve filtering effect of poly aluminium chloride（PAC），the influences of reaction time，filtering temperature，dosage of Ca（AlO2）2，contents of SO42-，F(xiàn)e3+，and Al2O3，and basicity on PAC filtering effect were investigated from three aspects of process，raw materials，and product.Results showed that reaction time，filtering temperature，dosage of Ca（AlO2）2，and SO42-content in the raw material all had remarkable influence on filtering effect of PAC.To ensure filterability of PAC，reaction time of 60 min and filtering temperature at 60～80℃were suggested，dosages of Ca（AlO2）2and SO42-in acid were less as far as possible.Changes of Al2O3content in the product had certain influence on filtering effect of PAC，but would not change filterability of PAC.Changes of Fe3+in raw materials and basicity of PAC had no significant influence on filtering effect of PAC.

poly aluminium chloride；filtration performance；water insolubles

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0049-04

2013-10-15

趙志萍（1982— ），女，碩士研究生，工程師，研究方向為化學絮凝劑的生產技術。