无机高分子絮凝剂（IPF）摘要：对国内近几年无机高分子絮凝剂铝系絮凝剂、铁系絮凝剂、硅系絮凝剂及其复合絮凝剂的制备和应用进展状况的比较研究。
无机高分子絮凝剂分为阳离子型、阴离子型和复合型三大类,简述了不同类型无机高分子絮凝剂研制、开发和混凝机理研究现状的基础上,指出了存在的问题,并对今后的研究方向做了展望。
关键词：无机高分子化合物；絮凝剂；发展历程与现状；开发；应用Inorganic polymer flocculant(IPF)Abstract:Of inorganic polymer flocculants in recent years, domestic aluminum flocculants, iron flocculating agent, silicone flocculant and composite flocculant of a comparative study of preparation and application progress. Inorganic polymer flocculant divided into three types of cationic, anionic and complex, this paper briefly describes the different types of inorganic polymer flocculants research, development and research status quo on the basis of coagu-flocculation mechanism, points out the existing problems, and future research direction were discussed.Keywords:Inorganic polymer compounds; Flocculant; Development course and current situation; Development; application前言无机高分子絮凝剂(Inorganic Polymer Flocculant 简写 IPF)是 20 世纪 60 年代后期才发展起来的一类新型废水处理剂。
与传统絮凝剂相比,它能成倍的提高效能,且价格较低,因而有逐步成为主流药剂的趋势。
目前日本、俄罗斯、西欧及我国生产此类絮凝剂已达到工业化、规模化和流程自动化的程度。
由于无机高分子絮凝剂(IPF)比传统絮凝剂具有适应性强、无毒、可成倍提高效能且相对价廉等优点,而比有机高分子絮凝剂(OPF)价格低廉,另有投加量少、矾花大、除 COD、色度及悬浮物性能好等优点,因而近年已得到广泛重视,被称为第二代无机絮凝剂。
无机高分子絮凝剂(IPF)的生产已占絮凝剂总产量的 30%～60%。
无机絮凝剂是最早使用的第一代絮凝剂，它应用范围非常广泛。
按金属盐可分为铝盐系及铁盐系两类；按阴离子成分又可分为盐酸盐系和硫酸盐系两类；按分子量的大小可分为低分子系和高分子系两类。
1 无机高分子絮凝剂的发展历程絮凝剂是水处理剂中最重要的品种。
2001年全国有200家左右水处理剂生产厂家生产100多个牌号的各类水处理剂20多万吨,产值约10亿元,其中仅絮凝剂就有17万吨,产值达7亿元左右。
在絮凝剂中以无机物为主的高分子絮凝剂占60%以上。
无机高分子絮凝剂(inorganic polymer flocculants,IPF)是1960年代后发展起来的新一代絮凝剂,其性能比传统无机盐絮凝剂硫酸铝、氯化铁等更优异,价格比有机高分子絮凝剂(organic polymer flocculants,OPF)聚丙烯酰胺等更低廉,已成功地应用在给水、工业废水及城市污水处理中,逐渐成为主流絮凝剂[2~4]。
IPF的发展经历了从单核无机高分子如聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铁PFC)等到多核无机高分子如聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合硫酸铝铁(PAFS)、聚合硅酸硫酸铝(PASS)等的转变。
多核IPF具有更大的分子量、更强的絮凝架桥能力和选择性吸附特性,较之单核IPF具有显著的增效互补作用。
含有活性硅酸(聚合硅酸)的多核无机高分子。
凝剂(下文简称Si-IPF)是1980年代末开发研制的一类新型IPF,这类IPF具有电性中和吸附架桥作用特性,絮凝效果好,处理后水中残留铝是及残留色度低,生产成本相对较低,因而引起水处理界的极大关注,成为IPF研究的一个热点[2~7],我国目前某些方面的研究达到了较高水平。
2絮凝剂的作用机理2.1促使胶体凝聚的方法。
（1）加入带相反电荷的胶体，此时水中原有胶体和加入胶体发生电中和，使两种胶体的负电位都减少。
（2）添加和胶粒电荷符号相反的高价离子，从而降低胶粒的负电位，因为高价反离子较易由扩散层进入到吸附层。
2.2水质在净化过程中的三个基本反应机理。
1）凝结作用。
微细粒子的表面电荷经中和后，利用粒子与粒子之间彼此微弱的吸引力而形成凝集作用，这种力量非常薄弱，容易受到机械力的破坏。
凝结作用可借助化学药剂的加入而完成，现在所使用的聚合铝型净水剂就是依靠中和粒子上的电荷而凝聚的。
（2）架桥作用。
在两个或多个固体细微粒子间，利用絮凝剂起架桥作用，使细微粒子聚集较大的颗粒的絮体，有机絮凝剂则主要依靠架桥作用使粒子沉降。
（3）沉降作用。
絮体一旦形成，便需在静止状态下借重力而沉降，由絮体沉降的快慢可测知形成絮体的大小。
如果絮体具有足够的沉降速度，能于较短时间在沉降区完全沉淀下来，则可得非常清澈的水质。
3 各类无机高分子絮凝剂性能3.1聚铝类无机高分子絮凝剂。
一般认为聚铝是一种高效的无机高分子，是指Al 盐到Al(OH) 之间的一系列准稳态物质，即二铝到十三铝的羟基络合物。
它的研究开发对整个无机高分子絮凝剂的发展产生着极大的影响。
聚铝是一系列的准稳态物，环境条件的变化会使它发生脱稳现象，脱稳即絮凝。
通常，聚合铝的盐基度越高，絮凝效果越强，但过高时将失去稳定而生成难溶解的氢氧化铝沉淀，导致絮凝效果降低。
盐基度以75%～85%为最佳。
3.2 聚铁类无机高分子絮凝剂我国聚合铁研制始于20世纪80年代初，首先研制出聚合硫酸铁（PFS）。
PFS是在硫酸铁分子族的网状结构中插入羟基后所形成的一种无机高分子絮凝剂，可有效去处水中的悬浮物、有机物、硫化物、亚硝酸盐、胶体及金属离子，具有除臭、破乳及污泥脱水等功能，对浮游微生物也有较好的去除效果。
PFS处理含油污水效果远比硫酸亚铁显著，且对金属设备的腐蚀性也大大降低，其不足之处是产生的污泥量较多、出水带色。
3.3 硅酸盐类无机高分子絮凝剂聚合硅酸和活化硅酸属阴离子型絮凝剂，其作用机理是靠分子链上的阴离子活性基团与胶体微粒表面间的范得华力、氢键作用而引起的吸附架桥作用，而不具有电中和作用。
聚硅酸絮凝剂是一种应用较早的絮凝剂。
聚硅酸是用中和法即由硅酸钠在加酸条件下水解、聚合反应到一定程度的中间产物。
由于硅酸溶胶具有强烈的缩聚作用，随缩聚反应的进行，分子量不断增大，最终转化为高分子凝胶，失去其混凝活性。
因而活性硅酸不能长期存放，必须现场配置使用，从而降低其实用性。
不稳定性和阴离子性等特性在一定程度上制约了活性硅酸在废水处理中的应用。
于是，人们研制出聚硅酸盐絮凝剂，聚硅酸盐是一类新型无机高分子絮凝剂，是在聚硅酸(即活化硅酸)和传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基本上发展起来的聚硅铝酸与金属铝铁盐的复合产物。
3.4复合絮凝剂复合型无机高分子絮凝剂是在普通无机高分子絮凝剂中引入其他活性离子,以提高药剂的电中和能力,诸如聚铝、聚铁、聚活性硅胶[25]及其改性产品。
其中聚硅酸硫酸铝,活性较好,聚合度适宜,不易形成凝胶,絮凝效果显著。
用于处理低浊度水时,其效果优于PAC和PFS。
此外,为了改善低温、低浊度水的净化效果,人们又研制开发出一种聚硅酸铁(PSF)[26, 27],这种药剂处理低温低浊水,比硫酸铁的絮凝效果有明显的优越性:用量少,投料范围宽,絮团形成时间短且颗粒大而密实,可缩短水样在处理系统中的停留时间,对处理水的pH值基本无影响。
还有以AlC13和Na2SiO3为原料,采用向聚合硅酸溶液直接加入AlC13的共聚工艺,制备的聚硅氯化铝絮凝剂(PASC)[28],PASC比PAC具有更好的除浊、脱色,残留铝含量低。
4 无机高分子絮凝剂的开发和应用(1)对于较多的絮凝剂,利用工业废水或矿渣来制取絮凝剂,同时用其处理废水,达到以废制废、变废为宝而使资源优化的研究正在逐步展开.这样才能尽量节约资源,使资源循环不息,才是真正意义上的制取絮凝剂工艺,这在广大学者的研究中要极为注意.(2)目前,由于新型的复合型絮凝剂具有独特的优势(应用范围广、用量少、去除率高、絮凝效果好、来源广等等),对于它的开发和研制将成为必然.其中以聚硅酸盐类的复合型絮凝剂为多.无机高分子絮凝剂虽然在形态、聚合度及相应的絮凝效果方面比传统的无机盐絮凝剂要好,但是比有机絮凝剂则要差些,而且还存在对进一步水解反应的不稳定性问题。
这些主要弱点促使研究和开发向各种复合型无机高分子絮凝剂发展。
复合絮凝剂包含各种成分,其主要原料是铝盐,铁盐和硅酸盐,在复合絮凝剂中各组分的适当配比和制备时的最佳工艺是研究的重要方面,制备过程中和最终产品内各组分的化学形态转化及其综合结果是研究和应用时的关键问题。
合氯化铝是目前废水处理和饮用水供给中普遍使用的高效混凝剂,它具有用量少、除浊率高、污水pH对其影响小等特点[9]。
但在实际应用过程中存在铝盐二次污染的问题,对人体健康和生态平衡具有一定的负面效应。
70年代中期,聚合硫酸铁问世并应用生产实际,但在实际应用过程中表现出腐蚀性强,影响设备使用寿命,絮凝产生的污泥脱水性差,沉淀含水率高等问题[10]。
为此,研究人员开发了新型的无机高分子絮凝剂聚合氯化铝铁,并应用于处理污染河水[6,11,12]和城市供水[13]等多领域并取得了一定效果,但对其应用于垃圾渗滤液的处理却鲜有报导。
以聚合氯化铝、聚合氯化铁和不同配比的聚合氯化铝铁为研究对象,研究其对垃圾渗滤液的混凝吸附效果,对垃圾渗滤液的处理具有一定的现实意义。
开展制备聚硅酸盐类絮凝剂的新工艺的研究,使得工艺简单,从而得到高效、质优、价廉和无二次污染的絮凝剂.由于聚硅酸盐类的絮凝剂稳定性普遍不高,因此应该特别注意研究如何提高产品的稳定性能.5发展前景当前,世界水处理剂产业正趋于向复合化、高效能、多功能、低毒无公害的绿色产业方向发展。
适用、高效、安全与经济将是评价无机高分子絮凝剂质量好坏的关键性指标。
针对当前无机高分子絮凝剂领域研制、开发和应用当中存在的一些问题,笔者提出下面几点建议:5.1 深入开展絮凝剂基础理论的研究,建立定量化的数学模型系统加强混凝机理的研究,不仅有助于新产品的开发及性能的优化,提高产品的稳定性,还有助于为将来高效混凝剂的开发奠定理论基础。