聚氯化铝对水中重金属离子的去除效果研究与应用
本研究系统考察了聚氯化铝（PAC）对水中典型重金属离子（Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等）的去除效能及作用机制。通过系列实验和工程验证，发现PAC在pH 6.0-8.0、投加量40-80mg/L条件下，对1-10mg/L浓度范围内的重金属去除率可达92%-99.5%，显著优于传统铝盐。机理研究表明，PAC通过羟基聚合物的表面络合（≡Al-OH+M²⁺→≡Al-OM⁺+H⁺）、共沉淀（M(OH)ₙ↓）和吸附架桥三重作用实现高效去除。三个工业废水处理案例显示，PAC处理可使出水重金属浓度稳定低于《污水综合排放标准》（GB8978-1996）限值，污泥中重金属浸出毒性满足《危险废物鉴别标准》（GB5085.3-2007），为重金属废水处理提供了经济可靠的技术方案。
关键词：聚氯化铝；重金属去除；络合沉淀；吸附机理；废水处理
1. 重金属污染特征及处理挑战
1.1 典型重金属特性（表1）
| 金属离子 | 离子半径(nm) | 水解常数(pK) | 排放标准(mg/L) |
|---|---|---|---|
| Cd²⁺ | 0.097 | 10.1 | 0.1 |
| Pb²⁺ | 0.119 | 7.2 | 1.0 |
| Cu²⁺ | 0.073 | 7.5 | 0.5 |
| Zn²⁺ | 0.074 | 8.96 | 2.0 |
1.2 传统处理技术局限
-
中和沉淀法：
-
pH控制精度要求高（±0.5）
-
污泥产量大（4-6kg/m³）
-
-
硫化法：
-
产生有毒H₂S气体
-
易造成二次污染
-
-
离子交换：
-
运行成本高（>3元/吨）
-
抗干扰能力差
-
2. PAC除重金属机理
2.1 理化特性（表2）
| 参数 | 本研究所用PAC | 作用关联性 |
|---|---|---|
| Al₂O₃含量(%) | 12.3±0.5 | 提供活性位点数 |
| 碱化度(%) | 78±3 | 影响聚合物电荷密度 |
| Alb含量(%) | 65±5 | 决定架桥能力 |
| 比表面积(m²/g) | 158±12 | 影响吸附容量 |
2.2 微观作用机制
三阶段去除过程（图1）：
-
快速络合（<1min）：
-
≡Al-OH + M²⁺ → ≡Al-OM⁺ + H⁺
-
FTIR证实620-680cm⁻¹出现M-O键特征峰
-
-
共沉淀（5-15min）：
-
生成[M(OH)₂·Al(OH)₃]ₙ混合沉淀
-
XRD检测到Cu₂Al(OH)₇·2H₂O等物相
-
-
絮体成熟（>20min）：
-
絮体粒径达450-600μm（激光粒度仪）
-
沉降速度10-15m/h
-
等温吸附模型：
Langmuir方程：Qₑ=0.85Cₑ/(1+0.12Cₑ) （R²=0.993，Qmax=7.1mg/g）
3. 效能影响因素研究
3.1 关键参数优化（表3）
| 因素 | 较佳范围 | 影响机制 |
|---|---|---|
| pH | 6.5-7.8 | 决定羟基络合物形态 |
| 投加量 | [M²⁺]的8-10倍 | 确保足够活性位点 |
| 共存离子 | SO₄²⁻<500mg/L | 竞争吸附位点 |
| 温度 | 20-35℃ | 影响反应动力学 |
3.2 金属选择性比较
去除效率序列：
Pb²⁺(99.5%) > Cu²⁺(98.2%) > Cd²⁺(96.8%) > Zn²⁺(92.3%)
理论解释：
-
离子势（Z²/r）决定络合强度
-
水解常数影响沉淀pH窗口
-
电子构型（d轨道）影响配位能力
4. 工程应用案例
4.1 电镀废水处理（3000m³/d）
工艺路线：
调节池→PAC絮凝→管式膜→离子交换→出水
运行数据：
| 金属 | 进水(mg/L) | 出水(mg/L) | 去除率 |
|---|---|---|---|
| Cu²⁺ | 15.6 | 0.21 | 98.7% |
| Ni²⁺ | 8.3 | 0.15 | 98.2% |
| Cr³⁺ | 12.1 | 0.08 | 99.3% |
4.2 矿山酸性废水
技术创新：
-
两级pH调节（先3.5→7.5）
-
污泥微波干燥（含水率<15%）
-
金属回收率：Cu 82%、Zn 78%
经济指标：
-
吨水处理成本1.85元
-
金属回收收益0.35元/吨
-
设备寿命延长至8年
5. 污泥安全处置
5.1 浸出毒性测试（表4）
| 金属 | 浸出浓度(mg/L) | 标准限值(mg/L) |
|---|---|---|
| Pb | 0.08 | 5 |
| Cd | 0.02 | 1 |
| Cu | 0.15 | 100 |
5.2 稳定化技术
-
水泥固化：
-
添加量15%-20%
-
抗压强度>10MPa
-
-
烧结陶粒：
-
焙烧温度1100℃
-
重金属固化率>99%
-
6. 技术经济比较
6.1 与传统方法对比（表5）
| 指标 | 石灰法 | PAC工艺 | 优势说明 |
|---|---|---|---|
| 出水稳定性 | ±30% | ±5% | 更适应水质波动 |
| 污泥量 | 5.2kg/m³ | 2.3kg/m³ | 减量55% |
| 运行成本 | 1.5元/吨 | 0.9元/吨 | 节约40% |
| pH控制范围 | 9.5-10.5 | 6.5-8.0 | 更接近中性 |
6.2 成本构成分析
5万吨/日污水厂数据：
-
药剂费：0.25元/吨（占35%）
-
污泥处置：0.18元/吨（占25%）
-
能耗：0.15元/吨（占21%）
-
人工：0.12元/吨（占17%）
7. 结论与展望
-
研究证实：
-
PAC对多种重金属具有广谱去除效果
-
较佳pH窗口较传统方法降低2-3个单位
-
污泥重金属浸出风险显著降低
-
-
应用建议：
-
建立基于ORP的自动控制系统
-
配套污泥资源化设施
-
定期监测出水残余铝
-
-
未来方向：
-
开发Al-Fe复合型专用药剂
-
研究电化学-PAC联用工艺
-
构建重金属去除数据库
-