收稿日期： 2023-01-06

作者簡(jiǎn)介： 韓希雯（1999-），女，遼寧省沈陽(yáng)市人，2017年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：污水處理。

摘""""" 要： 首先介紹了傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑和傳統(tǒng)鐵鹽混凝劑的作用機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)二者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比；基于二者存在的問題介紹了無(wú)機(jī)高分子鋁鹽和鐵鹽混凝劑的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)；最后介紹了一些以聚合鋁鐵加入其他酸根混凝劑的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用，還介紹了如鈦鹽等新型的金屬混凝劑，并對(duì)混凝劑的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)" 鍵" 詞：鋁鹽；鐵鹽；無(wú)機(jī)混凝劑；高分子混凝劑

中圖分類號(hào)：TU991.22""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B"""nbsp;" 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）02-0296-04

如今社會(huì)高速發(fā)展，與此同時(shí)環(huán)境問題也成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。水資源的利用與保護(hù)已經(jīng)成為重中之重的問題，這也促進(jìn)了給水和排水工藝的快速發(fā)展，其中混凝作為水處理工藝的重要環(huán)節(jié)，混凝劑研究的重要性也日益凸顯。無(wú)機(jī)混凝劑由于更易制取和對(duì)環(huán)境危害較小而得以廣泛研究和使用，而無(wú)機(jī)混凝劑主要分為鋁鹽和鐵鹽混凝劑，其中包括傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)金屬混凝劑和無(wú)機(jī)高分子混凝劑。

1" 傳統(tǒng)無(wú)機(jī)金屬混凝劑

1.1" 傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑

傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑主要是硫酸鋁、氯化鋁、明礬等，最早使用的是主要成分為硫酸鋁的混凝劑，它在1884年發(fā)明以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外一直有著廣泛的應(yīng)用，其有固態(tài)和液態(tài)兩種形態(tài)。這些傳統(tǒng)的鋁鹽混凝劑曾經(jīng)在水處理的混凝劑選擇中占有主要地位，鋁鹽混凝劑發(fā)揮作用的原理主要是對(duì)水中的膠體粒子進(jìn)行壓縮雙電層、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃的作用，通過這幾種作用使膠體沉淀，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[1]。其中最具代表性的傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑是硫酸鋁。目前中國(guó)硫酸鋁產(chǎn)能已達(dá)到135萬(wàn)t·a-1，其中產(chǎn)能大于15萬(wàn)t·a-1的企業(yè)不少于10家。其生產(chǎn)工藝已經(jīng)成熟，如今的鋁土礦加壓酸溶法相比于20世紀(jì)80年代初的煅燒礬土常壓酸溶法，硫酸鋁生產(chǎn)過程的能耗大大降低，已經(jīng)成為主流工藝。雖然這種方式大幅降低能耗，但是依舊會(huì)有大量的鋁礦渣產(chǎn)生。有很多新建的生產(chǎn)企業(yè)采用氫氧化鋁和硫酸一步反應(yīng)得到硫酸鋁，這種方式雖然增加了成本，但是不需要外部能源、產(chǎn)品純度更高，而且不會(huì)有鋁礦渣的產(chǎn)生[2]。

傳統(tǒng)的鋁鹽混凝劑在處理水的過程中，具有操作簡(jiǎn)單、方便實(shí)用、藥劑用量少和處理效果顯著等明顯的優(yōu)勢(shì)，但是鋁鹽混凝劑也存在一些明顯弊端，例如絮體生長(zhǎng)緩慢、形成的礬花比較松散易碎、殘余的鋁含量比較高、在處理低溫低濁的水體時(shí)表現(xiàn)較差等?；阡X鹽混凝劑存在的種種弊端，鐵鹽混凝劑開始步入人們的研究視野。

1.2" 傳統(tǒng)鐵鹽混凝劑

鐵鹽混凝劑在水處理中的作用機(jī)理類似于鋁鹽混凝劑，但是鐵鹽混凝劑形成的絮凝體比鋁鹽混凝劑形成的密集，而且可以更快地沉降下去，它處理低溫低濁水的能力也比鋁鹽混凝劑強(qiáng)，投加量也更小。鐵鹽混凝劑對(duì)自然界的生物不會(huì)產(chǎn)生很大危害，價(jià)格也更加低廉，鐵鹽對(duì)水中的含硫物質(zhì)和含磷、砷的鹽類，也有一定的去除效果。但是，鐵鹽混凝劑也有明顯的缺點(diǎn)，它很容易受潮吸水，還不容易保存；對(duì)塑料制品、金屬和混凝土都有較強(qiáng)的腐蝕性；鐵鹽處理后的水具有更高的色度；它的最佳投放量范圍小，所以控制難度更大。故鋁鹽和鐵鹽在使用過程中都存在著以下問題：絮體的尺寸比較小而且生長(zhǎng)較為緩慢、沉降所需的時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)于低溫低濁水的處理效果差、出水的pH變化比較大、會(huì)有殘留的氣味和色度[3-4]。

基于傳統(tǒng)的鋁鹽和鐵鹽混凝劑存在的一系列問題，研究人員開始了新型混凝劑——無(wú)機(jī)高分子混凝劑的研究。20世紀(jì)60年代，無(wú)機(jī)高分子混凝劑被研發(fā)出來(lái)并開始應(yīng)用，直到今天無(wú)機(jī)高分子混凝劑在水處理工藝中依舊占有絕對(duì)地位。我國(guó)在無(wú)機(jī)高分子混凝劑的產(chǎn)業(yè)中延續(xù)了環(huán)保的核心理念，在原料和生產(chǎn)工藝上大多采用以廢治廢的方式。

2" 無(wú)機(jī)高分子混凝劑

2.1" 無(wú)機(jī)高分子鋁鹽混凝劑

2.1.1" 聚合氯化鋁

聚合氯化鋁作為一種多核高效的無(wú)機(jī)高分子混凝劑，是我國(guó)凈水產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)鋁鹽產(chǎn)品，其在技術(shù)和原料方面頗具優(yōu)勢(shì)[5]。相比于傳統(tǒng)的鋁鹽，聚合氯化鋁少了自發(fā)水解的過程，與此同時(shí)其中的納米級(jí)聚合鋁分子可以發(fā)揮其更大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其優(yōu)勢(shì)的開發(fā)利用可以作為對(duì)混凝強(qiáng)化的探究途徑。聚合氯化鋁的混凝效果與鋁的性質(zhì)密切相關(guān)，其具有良好的穩(wěn)定性和較高的電荷密度。有研究表明聚合氯化鋁的優(yōu)良特性得益于其特殊組成，尤其是Al13和Al30高分子聚合物的物化性質(zhì)。這是鋁鹽在水解過程中的中間產(chǎn)物，其中Al13是聚合氯化鋁的最佳形態(tài)，所以后續(xù)的研究中要提高Al13的含量以達(dá)到提升混凝效果的目的[6]。

但是聚合鋁鹽也存在一些不足，例如分子量和粒度較差、進(jìn)一步水解不穩(wěn)定等問題，基于這些問題，復(fù)合鋁鹽開始走進(jìn)人們視野。復(fù)合鋁鹽目前研究主要包括聚硅氯化鋁、聚磷氯化鋁等。

2.1.2" 聚合硅酸氯化鋁

聚硅氯化鋁解決了聚集體吸附架橋能力較差的問題，也具有更高的分子量，而且得益于其具有的羥基鋁離子，聚合硅酸氯化鋁在混凝效果上表現(xiàn)出更優(yōu)于聚合氯化鋁的優(yōu)勢(shì)，而且其處理后殘余鋁的含量也更低。它在除磷方面有著典型的應(yīng)用，它具有絮凝效果好、污泥產(chǎn)量少、顆粒硬度低等優(yōu)點(diǎn)。聚磷氯化鋁通過磷酸根的作用，可以形成帶磷酸根的絮體，它對(duì)含油污水有機(jī)廢水等污染水可以在少量藥劑投加的情況下達(dá)到極高的去除效果，可見復(fù)合鋁鹽的混凝效果總體來(lái)說(shuō)優(yōu)于聚合鋁鹽。

隨著水處理工藝規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，鋁鹽混凝劑的使用量也在逐漸增多，這也造成了飲用水中鋁超標(biāo)的問題日益明顯。相比于此，無(wú)機(jī)高分子鐵鹽混凝劑開始被廣泛研究與使用，鐵鹽混凝劑本身就具有很多優(yōu)于鋁鹽混凝劑的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)規(guī)避了鋁鹽混凝劑的危害，無(wú)機(jī)高分子鐵鹽混凝劑將傳統(tǒng)鐵鹽的優(yōu)勢(shì)更加優(yōu)化。

2.2" 無(wú)機(jī)高分子鐵鹽混凝劑

與鋁鹽混凝劑類似，無(wú)機(jī)高分子鐵鹽混凝劑也分為聚合鐵鹽和復(fù)合鐵鹽等。聚合鐵鹽目前的主要研究是聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵和聚合硅酸鐵等。聚合鐵的混凝性能優(yōu)于傳統(tǒng)鐵鹽，而腐蝕性和用量都小于傳統(tǒng)鐵鹽，它形成絮體速度快，處理后出水的色度和鐵的濃度都低于傳統(tǒng)鐵鹽的處理效果。

2.2.1" 聚合硫酸鐵

聚合硫酸鐵是一種新型的無(wú)機(jī)高分子混凝劑，不含有重金屬物質(zhì)，無(wú)毒無(wú)害，其應(yīng)用非常廣泛，生產(chǎn)工藝也頗為成熟[7]。韓曉剛[8]等開發(fā)出一種制備方法，利用酸性亞鐵在催化劑和輔助催化劑作用下得到PFS。李楊[9]等采用七水硫酸亞鐵、氯酸鈉和濃硫酸，再加入聚環(huán)氧氯丙烷二甲胺和白水泥制得PFS固體。贠宏飛[10]等也開發(fā)出PFS的制備方法。韓曉剛[11]等將硫酸亞鐵脫除水分后與高錳酸鉀混合得到硫酸鐵氧粉，再與硫酸溶液拌勻并加入膨化劑，可得到PFS固體。陳嘉賓[12]等開發(fā)出一種高效高濃PFS生產(chǎn)工藝。PFS用量少、適用范圍廣、中和能力強(qiáng)、表面積大，被廣泛應(yīng)用于水處理行業(yè)[13]。

2.2.2" 聚合硅酸鐵

20世紀(jì)90年代日本學(xué)者研制出了聚合硅酸" 鐵[14]，它是以活性硅酸和聚合鐵為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的新型水處理混凝劑，硅酸離子在聚合后可以很明顯地提升傳統(tǒng)鐵鹽的混凝性能，提高它的黏附能力，在除濁度、除COD方面性能較為明顯。

為了提升聚合鐵鹽的吸附和形成絮體的能力、提升水處理的效率、節(jié)省混凝劑的使用從而降低二次污染，復(fù)合鐵鹽開始成為人們研究的新焦點(diǎn)。復(fù)合鐵鹽混凝劑的研究主要為聚磷硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵、聚硫酸鋁鐵等新型混凝劑。

2.2.3" 聚磷硫酸鐵

聚磷硫酸鐵是在聚合硫酸鐵的基礎(chǔ)上發(fā)展合成的新型高分子混凝劑，它很大程度地增強(qiáng)了聚合硫酸鐵的絡(luò)合能力，因此它的絮凝速度更快，對(duì)于色度、濁度等的去除能力能更強(qiáng)，但是它的缺點(diǎn)也很顯著，它有較強(qiáng)的腐蝕性，也容易產(chǎn)生色度[15]。

2.2.4" 聚硅酸鋁鐵

聚合硅酸鋁鐵解決了普通復(fù)合鐵鹽存在的問題，它將鋁鹽和鐵鹽綜合在一起，既規(guī)避了鋁鹽沉降速度慢和鐵鹽腐蝕性強(qiáng)的缺點(diǎn)，還規(guī)避了硅酸的縮聚，從而達(dá)到提高絮凝效果的目的[16-17]。

在鋁鹽和鐵鹽作為常用的混凝劑同時(shí)，綜合它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，科研人員也在致力于研究其他新型的無(wú)機(jī)金屬混凝劑，并取得了顯著的研究效果 。

3" 其他新型無(wú)機(jī)金屬混凝劑

研究人員在聚合鋁鐵的基礎(chǔ)上加入另外的金屬離子以及加入酸根離子制成含有多重成分的新型多效混凝劑，這種新型混凝劑聚合度更高，分子量更大，兼具多重離子的優(yōu)點(diǎn)，可以將各種成分的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)發(fā)揮出來(lái)，達(dá)到以更優(yōu)化的方式處理水體的目的。新型無(wú)機(jī)金屬混凝劑的應(yīng)用范圍廣泛，已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。如含硼的聚硅酸硫酸鐵鋅復(fù)合混凝劑，它就很好地改善了混凝劑的穩(wěn)定性，提高了混凝效果，還可以保持高除濁率。

另外，一些含有鎂元素的鋁鹽混凝劑以及多種離子混凝劑結(jié)合的新品種還在研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段。除了含鋁和含鐵的混凝劑外，還有一些新型的金屬混凝劑開始嶄露頭角，例如鈦鹽就是新型的金屬混凝劑，它具有高電荷和快速水解的能力，具有很強(qiáng)大的開發(fā)潛力[18]。鈦鹽于1937年被首次應(yīng)用于水處理工藝中[19]，其形成絮體礬花的使用pH范圍更加寬泛，并且在酸性條件下，殘余的金屬濃度也很低。在處理低溫低濁水和酸性水方面以及膜濾工藝中，鈦鹽形成的混凝劑可以很好地完成混凝任務(wù)，解決了鐵鹽和鋁鹽存在的例如水解不穩(wěn)定、絮凝效果差、殘余金屬濃度和色度高等問題。近年來(lái)，聚合鈦混凝劑被廣泛研發(fā)，與鋁鹽鐵鹽發(fā)展過程類似，鈦鹽也在由低分子向高分子發(fā)展，由單一金屬元素到復(fù)合制劑發(fā)展，相信在不久的未來(lái)新型的混凝劑也會(huì)被廣泛地投入生產(chǎn)應(yīng)用，成為新的發(fā)展核心[20]。

4" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋁鹽和鐵鹽各有優(yōu)缺點(diǎn)，而一些復(fù)合多重成分的混凝劑和新型金屬混凝劑將在混凝劑的發(fā)展研究領(lǐng)域越來(lái)越重要。目前，我國(guó)對(duì)于無(wú)機(jī)金屬混凝劑的研究已經(jīng)取得了顯著成就，但是仍然需要繼續(xù)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低污染，并控制成本，以此推進(jìn)我國(guó)混凝劑的研究更具規(guī)模。在以后的科研和探索中，科研人員需要針對(duì)新型金屬混凝劑進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研發(fā)，并在不斷提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和先進(jìn)性的前提下深入研究，以高效安全為前提，注重微量可溶物的去除問題，也是研究的新方向，不久的將來(lái)，在科研人員的努力下，我國(guó)的無(wú)機(jī)金屬混凝劑工業(yè)將會(huì)取得更大的進(jìn)步。

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Application and Development of Inorganic Metal Coagulant

HAN Xiwen

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract：" The mechanism of action and the advantages and disadvantages of traditional aluminum salt coagulant and traditional iron salt coagulant were introduced， and the advantages and disadvantages of the two were compared. Based on the problems existing in the two， the application of inorganic polymer aluminum salt and iron salt coagulant and its advantages and disadvantages were introduced. Finally， some advantages and applications of polyaluminum iron plus other acid coagulants were introduced， and new metal coagulants such as titanium salts were introduced， and the development prospects of coagulant were prospected.

Key words： Aluminum salt; Iron salts; Inorganic coagulant; Polymer coagulant