Trinkwasser-Grad Polyaluminiumchlorid (PAC): Sicheres und effizientes Wasserbehandlungsreinigungsmittel

Einführung

Mit der zunehmend schweren globalen Wasserknappheit und den Problemen der Wasserverschmutzung sind sichere und effiziente Technologien zur Behandlung von Trinkwasser der Schlüssel zum Schutz der öffentlichen Gesundheit geworden. Polyaluminiumchlorid (kurz PAC) hat sich seit seinem Auftreten in den 1960er Jahren aufgrund seiner hervorragenden Wasserreinigungsleistung schnell als neuer Typ anorganischer Hochmolekülkoagulanzien an die Stelle traditioneller Aluminiumsalze gesetzt und ist zum Hauptmittel im Bereich der Wasserbehandlung geworden. Besonders im Bereich der Trinkwasseraufbereitung wird Trinkwasser-Qualitäts-PAC aufgrund seiner Eigenschaften von hoher Effizienz, Sicherheit und breiter Anpassungsfähigkeit in städtischen Wasserwerken, ländlichen zentralen Wasserversorgungen und verschiedenen industriellen Systemen zur Herstellung von reinem Wasser weit verbreitet eingesetzt.

Chinas "Hygienestandards für Trinkwasser" (GB5749-2022) hat höhere Anforderungen an die Wasserqualität gestellt, was die Entwicklung von leistungsstarken Wasseraufbereitungsmitteln weiter gefördert hat. Im Vergleich zu traditionellem Aluminiumsulfat und Aluminiumtrichlorid weist Trinkwasser-Qualitäts-PAC signifikante Vorteile wie gute Koagulationseffekte, niedrigen Restaluminiumgehalt, breiten pH-Anpassungsbereich und weniger Schlamm auf. Dieser Artikel wird systematisch die Eigenschaften, den Produktionsprozess, die Qualitätsstandards von Trinkwasser-Qualitäts-PAC und dessen Anwendungstechnologien in verschiedenen Wasserbehandlungen vorstellen und eine Referenz für das Design und das Betriebsmanagement von Wasseraufbereitungsprojekten bieten.

I. Übersicht über Trinkwasser-Grad PAC

Polyaluminiumchlorid ist eine anorganische makromolekulare Verbindung, und seine chemische Formel ist [Al₂(OH)ₙCl₆ ₙ ₙ]ₘ, wobei n=1-5, m≤10. Trinkwasserqualität PAC ist ein hochreines Produkt, das speziell für die Trinkwasseraufbereitung entwickelt wurde. Im Vergleich zu industrieller PAC hat es strengere Einschränkungen hinsichtlich des Gehalts an schädlichen Verunreinigungen wie Schwermetallen. Aus der Perspektive der chemischen Struktur ist PAC ein Hydrolyse-Polymerisationsprodukt zwischen AlCl₃ und Al(OH)₃, das eine große Anzahl von positiv geladenen polynuklearen Hydroxylkomplexen enthält, wie [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺ usw. Diese hochgeladenen Polymere verleihen PAC eine ausgezeichnete elektro-neutralisierende Fähigkeit.

Je nach verschiedenen Produktionsprozessen kann PAC in drei Formen klassifiziert werden: Trommeltrocknungstyp, Sprühtrocknungstyp und Flüssigprodukt. Trinkwasserqualität PAC wird hauptsächlich durch Sprühtrocknungsprozess hergestellt. Dieser Prozess kann durch schnelle Trocknung bei hoher Temperatur die aktiven Komponenten von PAC effektiv erhalten. Das Produkt liegt in Form eines hellgelben Pulvers vor, mit einem Gehalt an Aluminiumoxid (Al₂O₃) von über 30%, und die Basizität wird zwischen 40% und 60% kontrolliert. Flüssiges PAC wird aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit auch in kleinen und mittelgroßen Wasserwerken eingesetzt, jedoch sind die Transportkosten relativ hoch.

China hat strenge Qualitätsstandards für Trinkwasser-Qualität PAC. Die "Polyaluminiumchlorid für Trinkwasser" (GB/T 22627-2014) legt fest: Der Al₂O₃-Gehalt von Trinkwasser-Qualität PAC beträgt ≥28%, der Basizitätsgrad liegt bei 40%-85%, der wasserunlösliche Stoff beträgt ≤1,5%, der Arsen-Gehalt beträgt ≤0,0005%, der Blei-Gehalt beträgt ≤0,002%, der Cadmium-Gehalt beträgt ≤0,0005% und der Quecksilber-Gehalt beträgt ≤0,00001%. Diese Indikatoren gewährleisten die Sicherheit von PAC in der Trinkwasseraufbereitung. Im Vergleich zu internationalen Standards wie denen von Japan und der Europäischen Union sind Chinas Standards strenger in Bezug auf die Grenzwerte für Schwermetalle, insbesondere bei der Kontrolle des Karzinogens Arsen.

Ii. Der Mechanismus von Trinkwasser-Grad PAC in der Wasseraufbereitung

Der Reinigungsmechanismus von PAC in der Wasseraufbereitung ist komplex und effizient und umfasst hauptsächlich drei Aspekte: Elektro-Neutralisation, Adsorptionsbrückenbildung und Netzfangreinigung. Der Elektro-Neutralisationseffekt ist der Kernmechanismus der PAC-Wasserreinigung. Kolloidale Partikel im Wasser tragen normalerweise negative Ladungen, und die hochvalent positiv geladenen Aggregate, die nach der Hydrolyse von PAC entstehen, können diese negativen Ladungen effektiv neutralisieren, die Stabilität der Kolloide zerstören und sie destabilisieren und koagulieren lassen. Studien zeigen, dass der höhere Gehalt an Alb (Komponente mit mittlerem Polymerisationsgrad) in PAC, desto stärker ist seine Elektro-Neutralisationsfähigkeit und desto besser ist der Koagulationseffekt.

Die Adsorptionsbrückenwirkung bezieht sich auf die Tatsache, dass die langkettige Polymerstruktur von PAC "Brücken" zwischen mehreren kolloidalen Partikeln bilden kann, die diese Partikel verbinden, um größere Flocken zu bilden. Dieser Effekt ist besonders wichtig bei der Behandlung von Wasser mit niedriger Temperatur und niedriger Trübung. Der Nettoerfassungs- und Kehr-Effekt tritt auf, wenn die Dosierung von PAC relativ hoch ist, und das gebildete Aluminiumhydroxid-Niederschlag wirkt wie ein Filterscreen, um feine Partikel im Wasser zu erfassen. In praktischen Anwendungen treten diese drei Effekte oft gleichzeitig auf, aber der dominante Mechanismus variiert je nach Wasserqualitätsbedingungen und der Dosierung von PAC.

Im Vergleich zu traditionellen Aluminiumsalzen hat PAC erhebliche Vorteile: Erstens ist PAC ein vorhydrolysiertes Produkt, und seine effektiven Komponenten werden im Werk gebildet und sind nicht von Faktoren wie Wassertemperatur und pH-Wert betroffen, was einen stabilen Koagulationseffekt gewährleistet. Zweitens verleiht die polymerische Struktur von PAC ihm eine stärkere Fähigkeit zur Ladungsneutralisation und einen breiteren pH-Anpassungsbereich (pH5-9). Drittens sind die von PAC erzeugten Flocken groß und dicht, mit einer schnellen Sedimentationsrate. Die verbleibende Aluminiumkonzentration im behandelten Wasser ist niedrig, normalerweise unter 0,1 mg/L kontrolliert, was weit unter dem von der nationalen Norm festgelegten Grenzwert von 0,2 mg/L liegt.

Iii. Anwendung von Trinkwasser-Grad PAC in der Trinkwasseraufbereitung

In der Anwendung von Wasserwerken ist PAC als der zentrale Flockungsmittel, dessen Dosierungsprozess die endgültige Abwasserqualität direkt beeinflusst. Der herkömmliche Behandlungsprozess verwendet normalerweise den Fluss "PAC-Flockung - Sedimentation - Filtration - Desinfektion". Dabei wird der PAC-Dosierungspunkt in der Regel vor dem Schnellmischbehälter festgelegt, und die schnelle und gleichmäßige Verteilung des Reagenz wird durch mechanisches Rühren oder hydraulisches Mischen sichergestellt. Die Dosierung sollte durch einen Bechertest basierend auf der Qualität des Rohwassers bestimmt werden, normalerweise im Bereich von 5 bis 30 mg/L (berechnet als Al₂O₃). Für Wasser mit hoher Trübung kann der Prozess "Vorchlorierung - Flockung" angewendet werden; Für kaltes und trübes Wasser wird empfohlen, es in Kombination mit einem Flockungshilfsmittel zu verwenden.

PAC zeigt einzigartige Vorteile im Umgang mit plötzlicher Wasserverunreinigung. Wenn abnormale Algen, organische Stoffe oder Schwermetallverunreinigungen im Rohwasser auftreten, können diese Schadstoffe durch Anpassung der Dosierung von PAC und des pH-Wertes effektiv entfernt werden. Studien zeigen, dass unter optimierten Bedingungen PAC eine Abtrennungsrate von über 90 % für Schwermetalle wie Blei und Cadmium sowie eine Abtrennungsrate von mehr als 95 % für Algenzellen erreichen kann. Bei der Bekämpfung saisonaler Algenblüten erhöhte eine bestimmte Wasserpflanze die Dosierung von PAC von 15 mg/L auf 25 mg/L, während der pH-Wert im Bereich von 6,5-7,0 gehalten wurde. Infolgedessen wurde die Anzahl der Algen im Abwasser erfolgreich von 5.000 pro mL auf weniger als 50 pro mL reduziert.

In ländlichen Projekten zur sicheren Trinkwasserversorgung ist die Anwendung von PAC flexibler und vielfältiger. Für zentrale Wasserversorgungssysteme kann automatische Dosiergeräte eingesetzt werden. Für dezentrale Wasserversorgungsstellen wurden einfache Dosiergeräte und kleinverpackte Produkte entwickelt. Im Projekt zur Renovierung der Trinkwasserversorgung in einer bestimmten Provinz wurde PAC gefördert und eingesetzt, wodurch die Qualifikationsrate der Wasserversorgung von 60 % auf über 90 % erhöht wurde, was das langjährige Problem der hohen Fluorid- und Arsenwerte in der Wasserqualität in ländlichen Gebieten effektiv löste. Es ist erwähnenswert, dass in ländlichen Anwendungen besonderes Augenmerk auf die Einfachheit der Bedienung und die Kostenkontrolle gelegt werden sollte. Flüssiges PAC oder vorgefertigte PAC-Lösungen werden bevorzugt.

Iv. Anwendung von Trinkwasser-Qualitäts-PAC in der städtischen Wasserversorgung und industriellen Wasserversorgung

Neben der herkömmlichen Produktion von Trinkwasser umfasst das städtische Wasserversorgungssystem auch die Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser und die Aufrechterhaltung der Wasserqualität im Rohrleitungsnetz. PAC wird in diesen Bereichen weit verbreitet angewendet. Bei der Behandlung der Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser kann PAC effektiv kolloidale organische Stoffe und Phosphor im Wasser entfernen. Eine bestimmte Stadt hat in ihrem aufbereiteten Wasserwerk den Prozess der PAC-Koagulation + Membranfiltration eingeführt, wodurch der COD des Abwassers auf unter 10 mg/L und der Gesamtphosphor auf weniger als 0,3 mg/L gesenkt wurde, was die Standards für die Nutzung von Landschaftswasser vollständig erfüllt. Für das Problem des "gelben Wassers" im Rohrleitungsnetz kann durch Anpassung der PAC-Dosierung im Wasserwerk zur Optimierung des Koagulationseffekts die Ablagerung von Eisen und Mangan im Rohrleitungsnetz erheblich reduziert werden. Nachdem eine bestimmte Stadt die optimierte PAC-Dosierung umgesetzt hat, sind die Beschwerden über die Wasserqualität am Nutzerende um 70 % zurückgegangen.

Im Bereich der industriellen Wasserversorgung haben verschiedene Branchen unterschiedliche Anforderungen an die Wasserqualität, und die Anwendung von PAC zeigt ebenfalls vielfältige Eigenschaften. In der Behandlung von Kesselspeisewasser der Energiebranche kann PAC als Vorbehandlungsagent die Belastung des nachfolgenden Ionenaustauschsystems effektiv reduzieren. Bei der Herstellung von ultrapurem Wasser in der Elektronikindustrie wird hochreines PAC verwendet, um Spurenelemente aus dem Wasser zu entfernen. Die Lebensmittel- und Getränkeindustrie legt mehr Wert auf die Sicherheit von PAC und dessen Einfluss auf den Geschmack. Eine bestimmte Brauerei hat ein speziell entwickeltes, niedrigrestliches PAC eingeführt, um das traditionelle Flockungsmittel zu ersetzen, was die Qualität des Brauwassers erheblich verbessert und das Produkt reiner im Geschmack macht.

Die Wiederverwendung von industriellem Abwasser ist ein weiteres wichtiges Anwendungsszenario von PAC. In der fortgeschrittenen Behandlung von Abwasser in Industrien wie Stahl, Färben und Drucken sowie Papierherstellung kann PAC gleichzeitig COD, Farbe und Schwermetalle entfernen und so die Wiederverwendung von Abwasser erreichen. Eine bestimmte Papierfabrik hat den PAC-Koagulations- + Ozonprozess übernommen, wodurch die Wiederverwendungsrate von Abwasser von 40 % auf 75 % erhöht und jährlich 2 Millionen Tonnen Frischwasser eingespart wurden. Im Gegensatz zur kommunalen Wasserversorgung ist die Dosierung von PAC in industriellen Anwendungen normalerweise höher, und manchmal muss es in Kombination mit organischen Polymerflockungsmitteln verwendet werden, um die beste Behandlungseffizienz zu erzielen.

V. Entwicklungstrends und -aussichten von Trinkwasser-Qualität PAC

Mit dem Fortschritt der Wasseraufbereitungstechnologie und den zunehmenden Anforderungen an den Umweltschutz entwickelt sich PAC in Trinkwasserqualität in Richtung hohe Leistung, Funktionalität und Umweltfreundlichkeit. Neue Arten von Verbund-PAC-Produkten tauchen ständig auf, wie z.B. silikonhaltige PAC (PACS) und eisenhaltige PAC (PAFC) usw. Diese Produkte haben bessere Behandlungseffekte für spezifische Wasserqualitäten. Die Einführung der Nanotechnologie hat auch zur Entwicklung von nanoskaligem PAC geführt, dessen größere spezifische Oberfläche und höhere Aktivität die Koagulationseffizienz erheblich verbessert haben. Die Arsenentfernungskapazität des von einem bestimmten Forschungsteam entwickelten Nano-PAC ist mehr als dreimal so hoch wie die des traditionellen PAC.

Grüne Produktion ist ein unvermeidlicher Trend in der PAC-Industrie. Die Abfallrückstände und das saure Abwasser, die im traditionellen PAC-Produktionsprozess entstehen, werden durch Prozessverbesserungen effektiv kontrolliert. Die neue Sprühtrocknungstechnologie reduziert den Energieverbrauch um 30 % und die Rückgewinnungsrate von Nebenprodukten übersteigt 95 %. In Zukunft wird die Technologie zur Herstellung von hochwertigem PAC aus Industrieabfällen, Aluminiumschlacke und anderen Abfallmaterialien weiter verbessert, um die Ressourcennutzung zu erreichen. Die biologische Methode zur Herstellung von PAC befindet sich ebenfalls in der Forschungsphase im Labor und wird voraussichtlich die Umweltauswirkungen des Produktionsprozesses weiter reduzieren.

Intelligente Anwendungen werden die traditionelle Verwendung von PAC verändern. Das intelligente Dosierungssystem, das auf Big Data und künstlicher Intelligenz basiert, kann Änderungen der Wasserqualität in Echtzeit analysieren und die optimale Dosierung von PAC vorhersagen. Ein bestimmtes intelligentes Wasserwerkprojekt hat durch ein maschinelles Lernmodell eine fortschrittliche Steuerung der PAC-Dosierung erreicht, wodurch der Chemikalienverbrauch um 20 % gesenkt wurde, während die Stabilität der Abwasserqualität gewährleistet bleibt. Mit der Entwicklung der Internet-of-Things (IoT)-Technologie wird die Fernüberwachung und Optimierung der PAC-Dosierung möglich werden, was besonders für Anwendungsszenarien an dezentralen Wasserversorgungsstellen und in ländlichen Wasserwerken geeignet ist.

Schlussfolgerung

Trinkwasser-Grad Polyaluminiumchlorid, als ein zentrales chemisches Mittel in der modernen Wasseraufbereitung, spielt eine unersetzliche Rolle bei der Gewährleistung der Trinkwassersicherheit, der Verbesserung der Qualität der städtischen Wasserversorgung und der Unterstützung einer nachhaltigen industriellen Entwicklung aufgrund seiner hohen Effizienz, Sicherheit und starken Anpassungsfähigkeit. Mit dem technologischen Fortschritt und der Verbesserung der Umweltstandards werden PAC-Produkte und deren Anwendungstechnologien weiterhin innovativ sein und umfassendere Lösungen zur Bewältigung globaler Herausforderungen im Bereich der Wasserressourcen bieten. Die Wasseraufbereitungsindustrie sollte den wissenschaftlichen Wert von PAC vollumfänglich anerkennen, kontinuierlich seine Produktions- und Anwendungstechnologien optimieren und gleichzeitig die Forschung und Entwicklung neuer Flockungsmittel stärken, um der Menschheit sichereres und saubereres Trinkwasser bereitzustellen.