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铝盐铁盐的水解机理



污水处理

所有离子在水体中都会发生不同程度的水解. AIB+和Fe+可以与六个水分子发生配合反应形成正八面体结构,例如AI(H2 0)。这种正八面体结构可以进一步水解,即氢氧取代水分子,或者称其为配合水分子的脱质子过程。为了表示方便往往省略掉水化层(hydration shell),只表示金属离子和氢氧根: AP+-Al ( OH)2+ -AI (OH)

AI (OH)-AIOH)

在水解过程中,上述反应的每一步都脱去一个质子,从而引起平衡向右移动。由于氢氧化铝的溶解度很低,因此在中等pH值范围内就会发生沉淀。如果进一步提高pH值,会形成溶解性的铝酸钠。对于铁盐同样存在此类反应,但是氢氧化铁的溶解度要低得多

由于形成不溶性氢氧化物,往往又是多核聚合物,因此测定水解常数(hydrolysis constant)就非常困难,而且现在发表的数据有很大的差异。水解常数可通过如下的过程来确定:

M + + H2O - M (OH) 2 H + + +

K i

M(哦)2+ + H2OM(哦)H+

(1-19)

K2

(1-20)

M (OH) E = H20-MOH s = H

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M (OH) s + H2OM(哦);+ H +

(1-21)

K

(1-22)

M(哦)3-M3 + 30H

对于铝和铁的水解物,其最稳定的固体形式分别是三水铝石(gibbsite)和针铁矿(goethite),但是形成上述物质所要达到的平衡时间非常长(几个月甚至更长),对无定型沉淀物(amorphous precipitates)的溶解平衡常使用溶解度常数Ksam来表示,在混凝剂的实际使用中更加快速和方便。但是目前还未得到无定型氢氧化物的溶解度常数的准确值,只有估计值。表1-5列出了溶解度常数和水解常数(pK值)。

一般认

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为铝的水
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解常数范围比铁的要窄,这主要是由水合分子数目不同而引起的。水解过程中铝的配位数由6下降到4,而铁的配位数始终为6,从图1-10我们可以看出,在铝盐溶液中主要离子种类由AIP+变化到AI(OH), , pH值范围变化只有1个单位。而对于水合铁离子,由Fe(OH)2+变化到Fe((H),却跨越了8个pH值单位

高电荷的金属离子水解除了能形成简单的单体外,还可以形成一系列多核聚合物。如在单体铝离子到氢氧化铝之间存在一系列的阳离子多聚合体,或者聚合物。



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在饮用水处理中,混凝剂去除天然有机

质(Natural Organic Matter,简称NOM)和呸)作为胶体颗粒的机理主要包括网捕、吸附、电中1再保险eOHpFeOH和、脱稳、络合、沉淀等途径。

型的NOM分子。天然水体中存在着大量的无机颗粒,包括黏土、铁氧化物、硅酸盐、铝氧化物和许多其他矿物。由于胶体表面吸附大量有机质,虽然各种水体中的这些颗粒各不相同,但都显示出相同的电化学特性,

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这是因为它们的表面一般都覆盖有羟基,见,覆盖的羧基可释放氢离子,因此天然水体中胶体都带负电荷。胶体表面电位会随溶液pH值变化。在细菌颗粒和吸附细菌 图1-10溶解态水合铁离子和水合铝离子的胶体表面电位也会有类似现象。羟基和羧与无定型氢氧化物的平衡基在黏土颗粒和细菌颗粒上的电化学行为见 (Fer和Al,分别为溶解态总铁和总铝量),在大多数天然水体的pH值条件下,这些颗粒带有负表面电荷一般在0.1~1ueg/mg.

使用硫酸铝作混凝剂时,电中和是主要的混凝机理,那么进行有效的快速搅拌对于混轰过程能否成功是至关重要的。pH值对硫酸铝的混凝过程也非常关键,因为在不同的pHf下铝盐各形态的溶解度不同,铝盐溶解性与pH值的关系曲线见图1-14,如果混合液的ph值在4~5之间,铝盐主要以AI(OH)2+ , Als(OH)t和AlP+为主要形态。但是,当水中铝盐以负电形态为主时,才有最佳的卷扫絮凝作用,而此时pH值在6~8,图1-15是铝盐的有效水解形态和对水中胶体、NOM颗粒的去除机理。

Amixthaxjah曾对硫酸铝盐的混凝过程进行深入研究,他认为,铝盐在混凝过程中,主要的混凝机理有两种:一是铝盐水解形成的溶解性聚合物质吸附于胶体上,利用电中和使得胶体脱稳,即所谓的“吸附”,二是胶体颗粒被氢氧化铝沉淀物网捕,即所谓的“卷扫捕

AI3+及其各种水解形态都与沉淀Al (OH)3有着溶解沉淀的平衡关系,在饱和溶液中,各种形态的离子的饱和浓度直接决定于溶液的pH值。图中的直线分别表示在饱和溶液中各种溶解性化合态在不同pH值时的饱和浓度,超过这些浓度,溶解态就变为沉淀。即在直线右侧,随着pH值的升高,AI(OH)3的溶解度也升高,升高到一定的程度时,会出现最低溶解度。铝盐作为混凝剂的时候,溶液的pH值对于它的混凝过程起着很重要的作用。当pH值在4-5之间的时候,铝盐以阳离子形式存在,例如A13+AI(OH)2+,Al (OH)a。当pH值在6~8之间的时候,铝以负离子的形式出现,像AI(OH),,就会出现最佳卷扫和最佳卷扫混凝区。最佳卷扫混凝区的范围是,铝矾的投加量为20~50mg/L, pH值为6.8~8.2,在这个范围内,可以用最低的混凝剂投加量产生最佳的混凝沉降效果。



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混合液的pH值

硫酸铝的絮凝机理及其与zeta电势的关系

上述分析均是基于硫酸铝溶液的水解特征获得水解区域图。实际上, A13+的水解过程很大程度上是受到阴离子助凝剂的影响。最明显的对比就是聚合氯化铝和硫酸铝的混凝效果差异。在相同的铝含量的投加量下,前者的混凝效果远远好于后者。一般对于同一种水.

PAC的纯铝投加量在为硫酸铝投加量的1/3~1/2时,就可以达到相同的混凝效果。这种巨大的差异是由于阴离子的存在而产生的。本章由恒信达发布聚合氯化铝 www.hxdhb.com

同样在铝盐或铁盐中加入水溶性甲壳素、聚胺等,也可以影响铝盐的水解图。另外从图1-16可以看出,它并不能反映混凝的动力学过程,不同的混凝剂混凝区域和混凝动力学有很大的差异。图1-17为复配聚胺等聚合物(820A~C)后的聚合氯化铝混凝过程图。从图可知,加入聚合物后,水解凝聚速度和絮体平均粒径远远高于普通的聚合氯化铝,尤其是对于低温低浊水,加入聚合物的聚氯化铝形成矾花的时间均可以比常规聚氯化铝提前2~5min。

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