水处理剂聚硫氯化铝（PACS）的研究进展

李 思, 江雨航, 张金辉, 陈军林，潘 一, 杨双春

（1.辽宁石油化工大学, 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油集团长城钻探工程有限公司测井公司， 辽宁 盘锦 124000）

目前工业废水、城市生活污水造成水资源的污染日益严重，水处理剂的制备与水处理技术的研究一直受到高度重视。聚硫氯化铝（PACS）实质上是一种改性液体聚合氯化铝，是在聚合氯化铝结构中增加了硫酸根配位基，其稳定性和絮凝效果均优于聚合氯化铝[1]，具有絮凝效果好、投加量少、效率高、适用范围广泛等特点，是国内外公认的优质无机高分子絮凝剂之一。目前关于聚硫氯化铝的研究较少，多集中在PACS 的制备和应用方面，本文主要介绍了不同原料的聚硫氯化铝制备工艺以及聚硫氯化铝在废水处理中的应用。

1 制备聚硫氯化铝技术研究

1.1 以煤矸石为原料

煤矸石是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，它资源丰富，经过酸浸后可以作为原料制备聚硫氯化铝。李俊梅[2]以太原某煤矿的煤矸石为基本原料，利用聚合反应得到氧化铝含量为 10%～11%、碱化度为60%～70%、SO42-浓度为2.3%～3%的聚硫氯化铝。工艺流程如图1 所示。

当T（焙烧温度）=700～750 ℃，t（焙烧时间）=1～1.5 h，盐酸浓度为 20%，矸粉投加比=1.0～1.5时，制备的聚硫氯化铝最优。研究还表明聚合率随聚合时间的延长而增加，当聚合时间大于2 h 时，反应体系中的单体聚合完全。因此，作者建议煤矸石制备聚硫氯化铝时，聚合时间应控制在2 h。赵银[3]以煤矸石为主要原料，经过活化和酸浸，制得含 A12O38%～11%、pH 值为 3.0～3.5、碱化度为60%～75%、比重在1.10 以上、含硫酸根的聚硫氯化铝，其中关键步骤是对煤矸石的活化和酸浸。煤矸石中氧化铝的活性随着焙烧温度和焙烧时间的变化而变化，活性越低就越难浸取。作者研究表明，盐酸的投放量、浓度以及酸浸时间均会影响到产品的质量。以煤矸石为原料制备聚硫氯化铝的方法工艺路线先进，产品的附加值高，不会对环境造成新的污染，有较高的经济效益。

图1 煤矸石制备PACS 的工艺流程Fig.1 The preparation process of PACS using gangue

1.2 以铝矾土为原料

矾土矿的主要成分为Al2O3，含量约为25%～40%。且Fe2O3的含量大于2%，含铁量相对较高，用于生产工业铝会比较困难，可将其应用到聚硫氯化铝的制备中。郝玉凤[4]等人以铝矾土、工业盐酸、工业硫酸为原料，交替进行水解和聚合反应，制得含Al2O318.2%、碱化度55.35%、pH值为4的样品1和含Al2O321.8%、碱化度78.41%、pH值为4.5的样品2。研究表明发现，Al2O3的含量在25%以上、碱化度控制在45%～80%范围内的聚硫氯化铝质量更稳定。工艺流程如图2所示。

朱少敏[5]等人以铝矾土为原料，采用盐酸/硫酸溶出法制备聚硫氯化铝。并分别考察了盐酸用量、加热时间、硫酸用量对铝矾土中铝溶出量的影响以及硫酸对溶出液中AlCl3结晶的影响。结果表明，用铝矾土制备聚硫氯化铝的最佳条件为：铝矾土36%、反应温度为 100 ℃、Cl-/SO42-=4︰1、加热时间为2 h。以铝矾土矿为原料制备聚硫氯化铝既不会造成资源的浪费，又不会污染环境，有较高的经济效益和社会效益，但缺点是铝土矿资源有限，不适用于长期大量生产。

1.3 以铝灰渣为原料

图2 铝矾土制备PACS的工艺流程Fig.2 The preparation process of PACS using bauxite

铝灰渣的主要成分是铝及其氧化物，是铝加工厂中熔铝过程所产生的废渣。尚谦[6]等以铝灰渣为基本原料，使其与硫酸、盐酸反应，经过熟化后得到含Al2O37.0%～9.0%、碱化度60%～80%、pH值3.0～3.5 的聚硫氯化铝。通过试验发现，若要制得净水效果较好的PACS，需严格控制SO42-浓度，水量以及铝灰渣的加入方式，并控制烘干温度，使其不能超过 110 ℃。刘永生[7]利用江苏省东台市钨酸厂产生的废铝为原料，经过水解、聚合等一系列反应后得到含Al2O3≥10%、SO42-≤3.5%、pH 值 3.5～5.0的聚硫氯化铝。工艺流程图如图3 所示。

图3 铝灰渣制备PACS 的工艺流程Fig.3 The preparation process of PACS using Aluminum ash

实验中应控制反应温度在90 ℃以上，且使pH值≥3.5，所投入的铝量应为理论值的1.3 倍以上。用铝灰渣制聚硫氯化铝的方法可行，产品性能优良，但铝灰中含有较多的有害物质。

2 聚硫氯化铝在水处理中的应用

2.1 聚硫氯化铝处理钢铁废水

处理来自炼钢、炼铁的钢铁废水通常采用PAC或 PAM 絮凝剂进行沉淀处理。但在实际应用中，利用 PAC 处理的废水回用率较低，且在温度低时PAM 的絮凝效果也较差。用聚硫氯化铝处理钢铁废水不但可以减少运输成本，还能取得理想的处理效果。胡义纯[8]将新型混凝剂PACS 应用到某钢铁综合废水的处理过程中，研究发现，与传统PAC 相比，PACS 的投加量仅为 PAC 的一半左右，且出水 SS相对较低，由518 mg/L 下降到6.4 mg/L。PAM 的用量仅为1.8 mg/L，PAM 的投加减小了对后续设备的影响以及处理成本。且现场考察发现，聚硫氯化铝产生的矾花大且密实，沉淀效果明显。此外，PACS使废水对水温的适应性较强，因此当气温变化时PAC 投加量变化并不大，这样就减少了投加泵频率和冲程的调节，同时减少设备的损坏。吉民[9]等人研究了絮凝剂的投加量和温度对其絮凝效果的影响，发现水温与混凝剂投加量均与处理效果成反比。实际生产研究发现，PAC 的月处理水量为 29×104t，吨水成本为0.205 元，而PACS 的月处理水量为31×104t，吨水成本为0.167 元。PACS 的投加量为 PAC 的一半，且出水 SS 的质量浓度小于 10 mg/L，其净水效果远要好于PAC。另外PACS 的聚合度高，可减少PAM 的使用量，减少其对设备的损伤。利用PACS 处理钢铁废水，可减少运输次数，从而减少了运输成本，但由于 PACS 的碱化度相对较高，pH 值也较高，可能会对设备造成一定的腐蚀。

2.2 聚硫氯化铝处理含油废水

含油废水的来源广泛，如石油工业、机械工业以及食品工业等在生产中都会产生大量的含油废水。利用絮凝剂处理含油废水是应用较为广泛且便利的方法[10]，其中 PACS 絮凝剂的除油效果显著。李爱阳[11]从炼油厂废水总进水口处取 500 mL 的含油废水进行实验，研究发现当PACS 的投加量为3～5 mg/L、SO42-的投加量为12～15（摩尔比）、碱化度为70%时，PACS 的除油效果较好。作者又将PACS 与PAC 的絮凝效果进行比较，结果显示，100 mg/L 的PAC，浊度为 12NTU，CODCr去除率为 58.7%，而100 mg/L 的PACS，浊度为2NTU，CODCr去除率为81%。相同条件下，PACS 的除油效果比PAC 明显且制备成本较低。且PACS 在处理含油废水时受pH值影响较小，pH 值为 6～9 时絮凝效果较好。何伟光[12]等人从高峰期的餐馆厨房中取 1500mL 的含油污水进行试验，研究表明，当处理1 t 的含油废水时，最佳条件是：浓度为1%的PACS 17 mg/L，溶气水用的含量为35%，pH 值为7，处理后残存油量低于10 mg/L。作者将PACS 与碱式氯化铝的pH 适用范围进行比较，得到碱式氯化铝为 6～7， PACS则为5～8，适用范围较广。作者又将PACS 与其他絮凝剂进行比较，发现PACS 试剂的用量相对较少且效果显著，当用药量过多时不会发生反絮凝现象，且处理费用也相对较低。PACS 絮凝剂具有良好的破乳、絮凝及气浮活性，并利用气浮法使固液迅速分离，除油效果好，但是PACS 药剂在净水过程中产生的污泥量较多，为后续处理造成困难。

2.3 聚硫氯化铝处理运河废水

近几年由于工业废水和生活污水的大量排放导致运河水污染严重，传统的混凝剂不适用于处理运河水的污染[13]，目前大量研究表明，新型絮凝剂PACS 在处理运河污染时，可以取得较好的效果。俞筱瑞[14]将聚硫氯化铝与硫酸铝进行了比较试验，发现当在水温为10 ℃，浊度为124 mg/L，pH 为7.26的原水中，加入99 mg/L，浊度为4.7 mg/L，pH 为7.20 的PACS 后，出现矾花的时间为0.25～0.5 min，得到澄清水COD 为6.56 mg O2/L，净水效果好于硫酸铝。利用PACS 可减少反应停留时间，从而提高设备的生产能力。当利用PACS 处理浊度为200～240 mg/L 的运河水时，药品投加量大约为120 mg/L，澄清水浊度﹤10 mg/L。此外，处理系统在加入PACS前后的pH 值改变并不大，当投加量过大时，出水pH 值的下降趋势会有所减缓。利用PACS 处理运河水，所形成絮凝体量大，且沉降速度快，出水浊度和色度基本可以达到标准中规定的要求，因此具有一定的发展前景。

3 结 论

聚硫氯化铝是新型无机高分子絮凝剂，是净水技术研发的重要课题。本文对近几年国内外聚硫氯化铝的研究现状进行了简单归纳，笔者建议今后应在以下几个方面开展研究工作：高效廉价的制备原材料和制备工艺的探索；聚硫氯化铝在生活饮用水处理方面的应用；净水过程中产生的污泥的后续处理研究等。目前，国内外对聚硫氯化铝的研究和应用还处于早期阶段，若想大规模应用到实际生产还需要进行大量的研究和实践。

［1］Bao Yugao, Gudrun Abbt-Braun, Fritz H. Frimmel. Preparation and evaluation of polyaluminum chloride sulfate (PACS) as a coagulant to remove natural organic matter from water [J]. Acta hydrochimica et hydrobiologica, 2006, 34(5): 491-497.

［2］李俊梅. 煤矸石制备聚硫氯化铝(PACS)的工艺研究 [J]. 煤炭学报,1997, 22(1): 77-79.

［3］赵银, 李俊梅. 煤歼石制 PACS 及其性能研究[J]. 太原工业大学学报, 1994, 25(4): 74-76.

［4］郝玉凤, 段伟. 由低品位铝矾土矿制取聚硫氯化铝[J]. 陕西化工,1994, (1): 32-34.

［5］朱少敏, 李刚. 用铝矾土制备聚硫氯化铝的研究[J]. 辽宁师范大学学报, 2005, 28(2): 213-214.

［6］尚谦, 彭太恩. 用铝灰渣制备优质净水剂（PACS）试验研究[J].有色金属加工, 1994( 5): 52-55.

［7］刘永生. 用废铝制备聚硫氯化铝[J]. 山西化工, 1992, 1: 39-41.

［8］胡义纯. 聚硫氯化铝和 PAC 用于钢铁废水处理的对比分析[J]. 给水排水, 2010(1): 254-256.

［9］吉民, 胡义纯. 聚硫氯化铝在钢铁废水处理中的应用[J]. 工业用水与废水, 2010( 5): 81-83.

［10］Yubin Zeng, Changzhu Yang, Jingdong Zhang, et al. Feasibility investigation of oily wastewater treatment by combination of zinc and PAM in coagulation/flocculation [J]. Journal of Hazardous Materials,2007, 147(3): 991-996.

［11］李爱阳. PACS 絮凝处理含油废水[J]. 中国井矿盐,. 2004(1): 35-37.

［12］何伟光, 余大安. PACS——一种高效除油水处理剂[J]. 环境科学,1988(1): 38-40.

［13］SK Al-Dawery, OH Al-Jouborib. Preparation and usage of polyaluminum chloride as a coagulating agent [J]. TJER., 2012, 9(1): 31-36.

［14］俞筱瑞. 高效净水剂—聚硫氯化铝在运河水处理中的应用[J]. 净水技术, 1987(4): 22-23.