長春市自來水公司
竇安坤

　　應用聚合鋁作為凈水劑在國內已有三十余年。在此較長的時間里其生產方式和原材料應用經歷了數次變化。到目前為止大多數廠家和供水公司都應用鋁酸鈣原料為主，以兩步法來生產高鹽基度聚合鋁。應用此法生產聚合鋁的最大優點是可已降低生產原材料成本。但其在混凝效果上經筆者多次試驗還較差于應用氫氧化鋁一步法和其兩步法生產的高鹽基度聚合鋁以及固體硫酸鋁。此外其還存有一些其它問題，如在生產過程中存有一定量的碴料及沉淀較難等等。為此筆者認為在應用鋁酸鈣為主要原料生產聚合鋁時還有以下幾方面技術工作需要進行工作：
　　a:在現有生產工藝基礎上如何進一步提高其絡合物的穩定性，以保持其高鹽基度高絡合物性能。
　　b:如何進一步減少含碴量，并進一步提高液料中殘碴下沉速度以便更好的進行液固分離。
　　c:此外還應作些工作，使在液料中的鈣離子也形成絡合物。使其在水的混凝處理中也能起到助凝作用。
　　用氫氧化鋁和鋁酸鈣及鹽酸為原料進行兩步法生產聚合鋁。其有兩種配料生產方法，故其化學反應是如何進行？各種物料相互之間如何發生作用？那些因素影響制約它們反應？對此有必要進行一些工作。現筆者對此兩種方法加入的各種物料進行初步估略平衡測算，以求得較好的更加和理各種物料配比。具體分析以下內容：
　　估測物料在兩步法反應中的基本化學反應式：
　　計算出CaO·AL₂O₃物料中AL₂O₃溶出量：
　　根據聚合鋁可能存在的兩種分子結構，測算出HCL合理用量：
　　測算出SO₄^2-用量（H₂SO₄或AL₂(SO₄)₃）：
　　估算出每噸成品中原材料用量和價格；
　　估測產品質量。
　　第一，氯化鋁法：
　　㈠ 測算依據：
　　初步確定氫氧化鋁加入量為70kg。其中AL₂O₃轉化率按100％。CaO·AL₂O₃里的AL₂O₃轉化率按80％。其它各種物料加入量按以下化學反應方程式測算值確定。聚合鋁的化學分子式是以通式表達即為｛AL₂(OH)_nCL6－n｝m。按此分子表達方式，其可能有10幾種存在形式。根據用氫氧化鋁一步法生產聚合鋁的物料配比。本文是按，以下兩種化學反應式存在進行測算的。在物料反應中加入硫酸根使部份鈣形成硫酸鈣沉淀。
　　㈡AL₂O₃溶出量的測算：
　　按每噸成品AL₂O₃含量10％測算,加入AL(OH)₃為70kg時：
　　⒈AL(OH)₃ ：
　　以知100gAL(OH)₃中含AL₂O₃為64。故70g含：.
　　100: 70==64 : X　　　　X==64×70÷100=44.8 其含AL:
　　78 : 70==27 : Al　　　Al==70×27÷78==24.23
　　⒉已知每噸成品含AL₂O₃ 100kg，AL(OH)₃已提供44.8kg,故尚需補充量為：
　　N₁=100kg－44.8kg=55.2kg
　　⒉AL₂O₃.CaO中AL₂O₃溶出的量：
　　根據實踐可知CaO·AL₂O₃中AL₂O₃含量為53％其按80％轉化時的需要量
　　100 :N₂==53×0.8 : 55.2 　　　N₂==100×55.2÷0.8÷53==130kg
　　此兩者AL₂O₃總含量為：N== N₁＋N₂== 44.8＋55.2==100kg
　　㈢ 物料的幾種化學反應方程式：
　　⒈AL(OH)₃與HCL反應：
　　⑴當HCL量充足時，其與AL(OH)₃反應如下：
　　AL(OH)₃＋3HCL==ALCL₃＋3H₂O （1）
　　⑵當鹽酸需求量不足時兩者逐步形不足羥基成絡合物，其化學反應式如下：
　　AL(OH)₃＋2HCL==AL(OH)CL₂＋2H₂O （2）
　　AL(OH)₃＋HCL==AL(OH)₂CL＋H₂O （3）
　　⑶ 在（2）（3）反應時由于在一定溫度和壓力作用下則生成含有羥基的氯化鋁的絡合物。其化學反應如下：
　　AL(OH)₂CL＋AL(OH)₂CL==｛AL₂(OH)₄CL₂｝m ⑷
　　AL(OH)₂CL＋AL(OH)CL₂==｛AL₂(OH)₃CL₃｝m ⑸
　　或 AL(OH)₃＋ALCL₃==｛AL₂(OH)₃CL₃｝m ⑹
　　⒉CaO·AL₂O₃與ALCL₃和HCL的反應：
　　⒈與HCL的反應：
　　當HCL量足時其反應如下：
　　AL₂O₃＋6HCL=2ALCL₃＋3H₂O
　　當量不足時其可生成含有羥基的聚合鋁：
　　AL₂O₃＋2HCl ＋H₂O==｛AL₂(OH)₄CL₂｝m ⑺
　　2Ca(OH)₂＋2ALCL₃=｛AL₂(OH)₄CL₂｝m＋2CaCL₂ ⑻
　　CaO＋2H₂O=Ca(OH)₂
　　或為 CaO＋2HCL=CaCL₂＋2H₂O
　　⒊物料相互反應時HCL需求量值的測算：
　　A:如羥基聚合鋁以 ｛AL₂(OH)₃CL₃｝m 分子形式存在時。則其分子量為 ：
　　M1===27×2＋17×3＋35.5×3==211.5 按此分子量計算：
　　⑴氫氧化鋁于鹽酸反應時的相互需用量為。
　　100 : 70== 64 : AL₂O₃ 　　　AL₂O₃==70×64÷100==44.8
　　102 : 44.8 ==54 : AL 　　　　AL=44.8×54÷102=23.7
　　54 : 23.7==109.5 : HCL　　　HCL==23.7×109.5÷54==48.0
　　如鹽酸濃度31％時，其量為：
　　HCL1==100×48.0÷31==154.8 ⑼
　　⑵鋁酸鈣中的AL₂O₃ 于HCL 反應時所需的鹽酸量：
　　已知AL₂O₃量為53％.其轉化率為80％當加入量為130g時，溶出量為55.1。此時溶出AL³⁺ 則是：
　　102 : 55.1==54 : AL 　　　　AL==54×55.1÷102==29.18
　　如鹽酸濃度為31％時其量值是：
　　54 : 29.18==109.5 : HCL　　　HCL==29.18×109.5÷54==58.9
　　100 : HCL==31 : 68.2 　　　　HCL==100×58.9÷31==190
　　即： HCL₂==190 ⑽
　　⑶ CaO需HCL量：
　　已知CaO量為：100 : 130 ==32 : CaO　　　CaO=130×32÷100=41.6
　　如CaO的三分之一形成CaSO4沉淀，使三分之一形成Ca(OH)₂沉淀
　　此時與HCL形成CaCL₂需用HCL量為：
　　56 : 13.73==71 : HCL　　　　HCL=13.73×71÷56=17.0
　　HCL₃ 100 : X==31 :17.0　　　X=17×100÷31=54.8
　　HCL需求總量合計：
　　HCL==HCL1＋HCL2＋HCL3==154.8＋190＋54.8==399.6
　　⑷SO₄^2-消耗用量：
　　（a） H₂SO₄:
　　56 : 13.73 =98 : H₂SO₄ 　　　H₂SO₄=13.73×98÷56=24
　　（b） AL₂(SO₄)₃.18H₂O:
　　666 : AS =288 : 23.53　　　　AS=666×23.52÷288=54.39
　　按｛AL₂(OH)₃CL₃｝分子形式測算此時聚合物的鹽酸消耗太高。故按此種分子存形式進行物料配比是不經濟的。故不能采用此種分子結構的形式進行物料配比計算。
　 B:,如按羥基聚合鋁以｛AL₂(OH)₄CL₂｝m分子形式存在時。進行物料配比。則其分子量為：
　　M2===27×2＋17×4＋35.5×2===193
　　⑴氫氧化鋁與鹽酸反應需HCL量：
　　HCL₄===100×（24.23×71÷54）÷31===102.74
　　⑵鋁酸鈣中的AL₂O₃ 于鹽酸反應需HCL量：
　　102 : 55.1 ===54 : AL 　　　AL=55.1×54÷102=29.17
　　54 : 29.17 ==71 : HCL　　　　HCL==29.17×71÷54==38.35
　　HCL₅==100×38.35÷31==123.7
　　⑶HCL用量計：
　　HCL₆=HCL4＋HCL5＋HCL3=102.74＋54.8＋123.7=281.24
　　按｛AL₂(OH)₄CL₂｝分子形式測算此時聚合物的鹽基度比值為79％。故此種分子存在機率較高，故應按此種分子形式進行物料配比計算。其單位經濟成本尚可。
　　⒋氧化鈣水解產物的測算；
　　⑴氧化鈣生成氯化鈣需用鹽酸量：
　　已知CaO為32％ 100 : 130 =32 :CaO　　　　　CaO=130×32÷100=41.6
　　總CaO保留66％其余于鹽酸反應：
　　其反應式為：
　　CaO＋2HCL==CaCL₂ ＋H₂O
　　56: 13.86==71 : HCL HCL=13.86×71÷56=17.57
　　HCL HCL3=100 : HC L=31 : 17.57 HCL=100×17.57÷31=56.67
　　如果CaO全部轉化成CaCL₂時，其HCL需用量為：
　　56 : 41.6 =71 ; HCL HCL=41.6×71÷56=52.74
　　100 ; HCL =31 ; 52.74 HCL=100×52.74÷31=170
　　⑵水界后HO^-離子的數量：
　　以知CaO的數量為： 100 : 130 = 32 : X　　　　X=130×32÷100=41.6
　　又知 CaO＋2H₂O ==Ca(OH)₂
　　即 T1= 56 : 41.6=34 : X X=41.6×34÷56==25.25 （11）
　　⑶聚合鋁中HO^-需用的數量：
　　如分子以（7）的形式存在；即 M=193
　　此時 OH^-離子量為：S1==17×3==51 按此可求出當 AL₂O₃為107
　　需用的 OH^-離子量。即：
　　102 : 105.7==54 : X 　　　X==105×54÷102==55.5
　　T2 54 : 55.5==51 : X 　　 X==55.5×51÷54==52.4 （12）
　　此時 T1－T2==40.98－52.4=－11.42
　　㈣ 物料反應過程的驗算；
　　⒈AL(OH)₃于HCL的反應：
　　AL(OH)₃＋3HCL==2ALCL₃ ＋3H₂O
　　78 　　　 109.5 133
　　70　　　　　HCL
　　HCL==70×109.5÷78==98.26
　　100 : HCL =31 : 98.26　　　　HCL=100×98.26÷31==316.9
　　需HCL加入量為 357.88 故此反應產物均為 ALCL₃ 同時尚余 HCL 量為：
　　363.00－316.9==46.1
　　⒉加入CaO·AL₂O₃的反應：
　　由于前步反應溶液中含有HCL溶液，同時又含有ALCL₃ 故當CaO.AL2CL3物料加入時，在溶液里各種物料先水解成離子狀態，然后進一步縮合成聚合物。
　　⒈溶液中已含有的離子：
　　ALCL₃=AL³⁺ ＋ 3CL 　　　　HCL==H⁺ ＋CL^-
　　⒉當CaO·AL₂O₃加入后：
　　CaO ＋H₂O =Ca(OH)₂ ==Ca²⁺ ＋2OH^-
　　AL₂O₃ ＋6HCL =2ALCL₃ ＋3H₂O
　　102 : AL₂O₃ =219 ; 46.1 AL₂O₃=102×46.1÷219=21.47
　　即有21.47份AL₂O₃于HCL反應。而另42.13份AL₂O₃于H₂O離子作用進行如下反應：
　　AL₂O₃ ＋3H₂O==2AL(OH)₃
　　既而又進行縮合為： ALCL₃＋AL(OH)₃==｛AL₂(OH)₃CL₃｝m
　　由于溶液中有較多的CaO分子與水分子作用故而形成Ca(OH)₂故此時反應又繼續進行，其反應如下：
　　2Ca(OH)₂＋2｛AL₂(OH)₃CL₃｝=2｛AL₂(OH)₄CL₂｝＋2CaCL₂ （11）
　　⒊加入H₂SO₄反應：
　　CaO ＋ H₂SO₄===CaSO4 ＋ H₂O
　　根據溶液聚合后需有鹽基度的要求，估算鈣離子含量將保留66％于溶
　　液中故H₂SO₄加入量應為：
　　⑴已知CaO·AL₂O₃加入量為150，其中CaO含量為32％則CaO總量是：
　　100 : 130==32 : X　　　　X==130×32÷100==41.6
　　保留此量的70％是：41.6×0.7==29.19　　　　　41.6－29.19==12.41
　　需用H₂SO₄量是： 56 : 12.41==98 : X　　　　　X==12.41×98÷56==21.71
　　已知H₂SO₄濃度為96％
　　100 : X ==96 : 21.71　　　　　X==21.71×100÷96==22.61
　　如用硫酸鋁取代硫酸時，則加入37 kg AL₂(SO₄)₃.18H₂O即可。同時將增加0.889％的AL₂O₃含量。其計算如下：
　　666 : AS =288 : 21.71　　　　　AS=21.71×666÷288=50.20
　　100 : 50=15.6 : AL₂O₃ AL₂O₃=50×15.6÷100=7.8
　　㈤,如CaO·AL₂O₃加入量為135時:
　　⒈其H₂SO₄加入量為：
　　100 : 135=32 : CaO　　　　　　CaO=135×32÷100=43.2
　　43.2×0.70=30.24 43.2－30.24=12.96
　　56 : 12.96=98 : X　　　　　　　X=12.96×98÷56=22.68
　　100 : H₂SO₄=96 : 22.68　　　　H₂SO₄=22.68×100÷98=23.14
　　如用硫酸鋁取代硫酸時，則加入51.36kg｛AL₂(SO₄)₃·18H₂O｝即可
　　同時將增加0.8％的AL₂O₃含量。其計算如下：
　　666 : AS =288 : 22.21 AS=666×22.21÷288=51.36
　　AL₂O₃ 100 : 51.36 ==15.6 : X　　　 X=51.36×15.6÷100=8.0
　　⒉HCL需用量；
　　⑴AL₂O₃溶出量：100 : 135 ==53×0.8 : X　　　 X=135×42.4÷100=57.24
　　57.24＋44.8=102.04
　　⑵HCL需用量：109.3 : 102 =245.51 :HCL　　　HCL =102×245.51÷109.3=229.11
　　CaO需酸量：100 : 135 =32 :CaO　　　　　　　CaO=135×32÷100=43.2
　　56 : 43.2×0.7 =71 :HCL　　　　HCL =43.2×0.7×71÷56=38.34
　　100 : HCL =31 ; 38.34 　　　　 HCL=100×38.34÷31=123.6
　　總需HCL量： 123.6＋229.11=352.71
　　㈥每噸產品原材料用量：
　　根據㈡和㈤測算比較，現對㈡中以｛AL₂(OH)₄CL₂｝m分子型式測算結果的物料量計算其每噸用各種原材料量和價格：
　　⒈以｛AL₂(OH)₄CL₂｝m分子形式聚合成氯化鋁法：
　　⑴物料配比：
　　AL(OH)₃ : HCL : CaO·AL₂O₃ :H2（SO4）3｛AL₂(SO₄)₃｝
　　1.0 : 5.18 : 2.1428 : 0.3428 （0.8142）
　　此法是先加入AL(OH)₃和HCL使其形成ALCL₃然后在加入CaO·AL₂O₃進一步聚合，同時使部分CaO形成CaCL₃。一部分Ca²⁺離子和SO₄^2-形成CaSO4沉淀。具體每噸成品所需各種原材料數量和價格如下所示：
　　每噸應用原材料數量和價格估算如下：

　　如將H₂SO₄改用AL₂(SO₄)₃.18H₂O時，其加入量應為57公斤。同時AL₂O₃將增加0.88％。此時原材料成本將為474.44元。但AL₂O₃含量將增加到11.81％。如產品中AL₂O₃含量按10.％計，其每噸原材料成本將為401.7元。
　　第二，低鹽基度聚合鋁法：
　　㈠依據：
　　此法是用AL(OH)₃和HCL經反應生成低鹽基度的｛AL2（OH）nCL6-n｝m。然后再加入CaO·AL₂O₃進一步聚合，制成高鹽基度聚合鋁。溶液中的CaO經加入H₂SO₄后生成CaSO4沉淀。
　　㈡物料配比及單耗：
　　⒈物料配比：
　　AL(OH)₃ : HCL : CaO·AL₂O₃ : H₂SO₄｛AL₂(SO₄)₃.18H₂O｝
　　　1　　　 3.85　1.928 0.357 　　　0.814
　　⒉每噸成品需用原材料量和估算：
　　此產品每噸原材料應用數量和價格估算如下：

　　在此聚合鋁制作中，如用｛AL₂(SO₄)₃.18H₂O｝取代時，其用量為57 kg。此時每噸物料價格是408.9元。但AL₂O₃含量將增加0.92％產品中AL₂O₃含量達到11.13％。如AL₂O₃含量為10.0％.此時每噸原料成本為：567.00元。
　　⒊按此物料配比的化學反應：
　　第一步； AL(OH)₃＋HCL=AL(OH)₂CL＋H₂O
　　AL(OH)₂CL＋HCL=AL(OH)CL₂＋H₂O
　　在一定溫度和壓力下又進行縮合反應如下：
　　AL(OH)CL₂＋AL(OH)CL₂=｛AL2（OH）2CL4｝m
　　AL(OH)₂CL＋AL(OH)CL₂=｛AL₂(OH)₃CL₃｝m
　　上述反應是在HCL量不足情況與加壓高溫情況下進行的。當HCL量過量時在適當溫度壓力下則進行下述反應；
　　AL(OH)₃＋3HCL=ALCL₃＋3H₂O
　　在此反應中AL(OH)₃和HCL需用量分別為：78；109.5
　　已知AL(OH)₃和HCL（純量）加入量分別為; 70 ；83.7；則明顯HCL量不足。（HCL應為98.26）
　　78 ; 70 : =109.5 : X　　　　 X=70×109.5÷78=98.26
　　根據物料加入量可知第一步反應為低羥基聚合鋁。即為：
　　｛AL2（OH）2CL4｝和｛AL2（OH）CL5｝混合聚合物。
　　第二步：加入 CaO·AL₂O₃的反應：
　　當將CaO·AL₂O₃加入已形成的低鹽基度物料液體后，一部分氧化物水解生成氫氧化物后又繼續與低鹽基度聚合物進一步縮合生成高鹽基度聚合鋁。其化學反應如下：
　　CaO ＋2H₂O =Ca(OH)₂
　　AL₂O₃ ＋3H₂O =2AL(OH)₃
　　AL₂O₃ ＋6HCl =2ALCL₃
　　3 Ca(OH)₂＋2ALCL₃ =2AL(OH)₃ ＋3CaCL₂
　　2AL(OH)₃＋｛AL2（OH）2CL4｝=2｛AL₂(OH)₄CL₂｝
　　⒋物料平衡分析：
　　聚合鋁以｛AL₂(OH)₄CL₂｝m分子形式存在時。
　　⑴HCL需用量：
　　AL(OH)₃ ：54 ; 24.23 =71 : HCL　　　 HCL=24.23×71÷54=31.85
　　100 : X =31 : 31.85　　　　　 HCL=100×31.85÷31=102.7
　　AL₂O₃.CaO ：100 : 135 =53×0.8 : X　　 AL₂O₃=135×42.4÷100=57.24
　　102 : 57.24 =54 : X 　　　　　AL³⁺=57.24×54÷100=30.9
　　54 : 31 =71 : HCL　　　　　　 HCL=31×71÷54=40.8
　　100 : X =31 : 40.8 　　　　　 HCL=100×40.8÷31=131.6
　　CaO ：100 : 135 =32 : CaO　　 CaO=135×32÷100=43.2
　　43.2 ÷10×6=25.92
　　56 : 25.92 =71 : HCL　　　　 HCL=25.91×71÷56=32.8
　　100 ; HCL=31 : 32.8　　　　　HCL=100×32.8÷31=105.8
　　按此推算總需HCL量=105.8＋131.6＋102.7=340.1
　　但在物料配比中HCL實際用量確為270.0這與測算相差為；
　　340－270=70
　　此時如不考慮CaO的消耗HCL量。僅考慮CaO·AL₂O₃和AL(OH)₃的消耗HCL量則為： 102.7＋131.6=234.3
　　此時HCL量則余： 270－234.3=35.7 按此余量CaO與反應，僅能有如下HCL量與CaO作用：
　　71 : 35.7 =56 : X　　　　 CaO=35.7×56÷71=28.15
　　已知CaO總量為43.2故尚余量如下：
　　43.2－28.15=15.05
　　⑵H₂SO₄消耗量測算：
　　已知 CaO＋H₂SO₄==CaSO4↓＋H₂O
　　56 : 15.05 =98 : H₂SO₄ H₂SO₄=15.05×98÷56=26.33
　　100 ; X =96 ; 26.33 　　　H₂SO₄=100×26.33÷96=27.42
　　實際加入量和測算量相差為：27.42－25=2.42 此誤差值可視為計算誤差。
　　如加入硫酸鋁時其量為：
　　666 : X =288 : 25.79　　　 X=666×25.79÷288=59.6
　　此時增AL₂O₃加量為：
　　100 ; 59.6 =15.6 : X　　　 X=59.6×15.6÷100=9.29
　　如按此配量AL₂O₃總量則為：
　　9.29＋57.24＋44.8=111.33
　　第三，按⑶按⑴⑵物料配比：（每噸成品）原材料成本：
　　AL(OH)₃:70kg HCL:270kg CaO·AL₂O₃ :110kg AS:47kg
　　其每噸原材料費用為；

　　第四，于硫酸鋁對比混凝試驗結果：
　　㈠2001年11月29日 ㈡ 取樣地點：六凈源水
　　㈢ 源水濁度：27utn ㈣試驗參數：快速攪拌：300／分：慢速：60／分：自沉：5分
　　㈤各種藥劑中三氧化二鋁含量：AS ;15.6％ PAC _{1. 2 .3 .4 .5} :10 ％ 鹽基度:65-75％

　　2001年12月18日 取樣地點：六凈源水 源水濁度：20utn 其它試驗條件同上。

　　第五，產品質量及混凝效果分析：
　　㈠產品質量：
　　⒈此產品為淡紅色液體。比重為：1.18---1.19
　　⒉三氧化二鋁含量應為： 10.8-11.0％
　　⒊鹽基度：65.0---75 ％
　　⒋穩定性：此液體產品在六個月內保持其混凝效果。
　　⒌化學成分含量：應符合國家 GB 15892-1995 規定。
　　㈡混凝效果：
　　經上述混凝試驗可知其（含AL₂O₃:10％）于硫酸鋁（含AL₂O₃：15.6％）作對比混凝時，在等量情況下，其剩余濁度要比硫酸鋁高出百分之三十以上。要達到同等剩余濁度，其藥耗要高出硫酸鋁百分之二十五左右。故在低溫低濁水處理時不如硫酸鋁混凝效果好。但在水處理時，由于含有大量氧化鈣故對水的混凝處理后的PH值影響甚微。如將AL₂O₃含量提高到12％時，其混凝效果將好于硫酸鋁。
　　第六，優缺欠對比：
　　經上述試驗單從原料分析，應用鋁酸鈣為主要原料生產聚合鋁時，每噸成品成本為400元左右。如用氫氧化鋁為原料生產聚合鋁時則需550元左右。 但無論應用鋁酸鈣那種生產方法生產聚合鋁。其都將有百分之十五左右的含酸性物料固體殘雜。對此物料如不采取處理，勢必對生態環境產生不良影響。

二零零一年十一月二日