Agua Potable Grado Cloruro de Polialuminio (PAC): Agente Purificador de Tratamiento de Agua Seguro y Eficiente

Introducción

Con la cada vez más grave escasez global de agua y los problemas de contaminación del agua, las tecnologías de tratamiento de agua potable seguras y eficientes se han convertido en la clave para salvaguardar la salud pública. El cloruro de polialuminio (PAC, por sus siglas en inglés), como un nuevo tipo de coagulante inorgánico de alto peso molecular, ha reemplazado rápidamente a las sales de aluminio tradicionales desde su aparición en la década de 1960 debido a su excelente rendimiento en la purificación del agua y se ha convertido en el agente principal en el campo del tratamiento de agua. Especialmente en el campo del tratamiento de agua potable, el PAC de grado potable, con sus características de alta eficiencia, seguridad y amplia adaptabilidad, se utiliza ampliamente en las obras de agua urbanas, el suministro de agua centralizado rural y varios sistemas de preparación de agua pura industrial.

El "Estándar Higiénico para el Agua Potable" de China (GB5749-2022) ha establecido requisitos más altos para la calidad del agua, lo que ha promovido aún más el desarrollo de productos químicos de tratamiento de agua de alto rendimiento. En comparación con el sulfato de aluminio y el tricloro de aluminio tradicionales, el PAC de grado para agua potable tiene ventajas significativas, como un buen efecto de coagulación, bajo aluminio residual, amplio rango de adaptabilidad de pH y menos lodo. Este artículo presentará sistemáticamente las características, el proceso de producción, los estándares de calidad del PAC de grado para agua potable y sus tecnologías de aplicación en varios tratamientos de agua, proporcionando una referencia para el diseño y la gestión de operaciones de proyectos de tratamiento de agua.

I. Visión general del PAC de grado de agua potable

El cloruro de polialuminio es un compuesto macromolecular inorgánico, y su fórmula química es [Al₂(OH)ₙCl₆ ₙ ₙ]ₘ, donde n=1-5, m≤10. El PAC de grado para agua potable es un producto de alta pureza desarrollado especialmente para el tratamiento de agua potable. En comparación con el PAC de grado industrial, tiene restricciones más estrictas sobre el contenido de impurezas dañinas como metales pesados. Desde una perspectiva de estructura química, el PAC es un producto de hidroalización-polimerización entre AlCl₃ y Al(OH)₃, que contiene una gran cantidad de complejos hidroxilo polinucleares cargados positivamente, como [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺, etc. Estos polímeros altamente cargados dotan al PAC de una excelente capacidad de electro-neutralización.

Según los diferentes procesos de producción, el PAC se puede clasificar en tres formas: tipo secado en tambor, tipo secado por pulverización y producto líquido. El PAC de grado para agua potable se produce principalmente mediante el proceso de secado por pulverización. Este proceso, a través de un secado rápido a alta temperatura, puede mantener de manera efectiva los componentes activos del PAC. El producto se presenta en forma de un polvo amarillo claro, con un contenido de alúmina (Al₂O₃) de más del 30%, y la basicidad se controla entre el 40% y el 60%. El PAC líquido también se aplica en plantas de agua pequeñas y medianas debido a su conveniencia de uso, pero el costo de transporte es relativamente alto.

China tiene estándares de calidad estrictos para el PAC de grado para agua potable. La "Cloruro de Polialuminio para Agua Potable" (GB/T 22627-2014) estipula: El contenido de Al₂O₃ del PAC de grado para agua potable es ≥28%, el grado de basicidad es 40%-85%, la materia insoluble en agua es ≤1.5%, el contenido de arsénico es ≤0.0005%, el contenido de plomo es ≤0.002%, el contenido de cadmio es ≤0.0005%, y el contenido de mercurio es ≤0.00001%. Estos indicadores garantizan la seguridad del PAC en el tratamiento de agua potable. En comparación con estándares internacionales como los de Japón y la Unión Europea, los estándares de China son más estrictos en términos de límites de metales pesados, especialmente para el control del carcinógeno arsénico.

Ii. El Mecanismo del PAC de Grado de Agua Potable en el Tratamiento de Agua

El mecanismo de purificación de PAC en el tratamiento de aguas es complejo y eficiente, incluyendo principalmente tres aspectos: electro-neutralización, puenteo por adsorción y barrido de captura en red. El efecto de electro-neutralización es el mecanismo central de la purificación de agua con PAC. Las partículas coloidales en el agua generalmente llevan cargas negativas, y los agregados cargados positivamente de alta valencia producidos después de la hidrólisis de PAC pueden neutralizar efectivamente estas cargas negativas, destruir la estabilidad de los coloides y causar su desestabilización y coagulación. Los estudios muestran que cuanto mayor es el contenido de Alb (componente de grado medio de polimerización) en PAC, más fuerte es su capacidad de electro-neutralización y mejor es el efecto de coagulación.

El efecto de puente de adsorción se refiere al hecho de que la estructura de polímero de cadena larga de PAC puede formar "puentes" entre múltiples partículas coloidales, conectando estas partículas para formar flóculos más grandes. Este efecto es particularmente importante en el tratamiento de agua a baja temperatura y baja turbidez. El efecto de captura y barrido neto ocurre cuando la dosis de PAC es relativamente alta, y el precipitado de hidróxido de aluminio formado actúa como una pantalla de filtro para capturar partículas finas en el agua. En aplicaciones prácticas, estos tres efectos a menudo existen simultáneamente, pero el mecanismo dominante varía según las condiciones de calidad del agua y la dosis de PAC.

En comparación con las sales de aluminio tradicionales, el PAC tiene ventajas significativas: En primer lugar, el PAC es un producto prehidrolizado, y sus componentes efectivos se forman en la fábrica y no se ven afectados por factores como la temperatura del agua y el pH, lo que garantiza un efecto de coagulación estable. En segundo lugar, la estructura polimérica del PAC le confiere una mayor capacidad de neutralización de carga y un rango de adaptabilidad al pH más amplio (pH5-9). En tercer lugar, los flóculos producidos por el PAC son grandes y densos, con una rápida tasa de sedimentación. La concentración residual de aluminio en el agua tratada es baja, generalmente controlada por debajo de 0.1mg/L, lo que está muy por debajo del límite de 0.2mg/L estipulado por la norma nacional.

Iii. Aplicación de PAC de Grado para Agua Potable en el Tratamiento de Agua Potable

En la aplicación de obras hidráulicas, el PAC, como el coagulante principal, su proceso de dosificación afecta directamente la calidad del efluente final. El proceso de tratamiento convencional generalmente adopta el flujo de "coagulación con PAC - sedimentación - filtración - desinfección". Entre ellos, el punto de dosificación de PAC generalmente se establece antes del tanque de mezcla rápida, y se asegura la dispersión rápida y uniforme del reactivo a través de agitación mecánica o mezcla hidráulica. La dosificación debe determinarse a través de una prueba en vaso según la calidad del agua cruda, generalmente variando de 5 a 30 mg/L (calculado como Al₂O₃). Para agua con alta turbidez, se puede adoptar el proceso de "pre-cloración - coagulación"; para agua de baja temperatura y baja turbidez, se recomienda usarlo en combinación con un auxiliar coagulante.

PAC muestra ventajas únicas en el tratamiento de la contaminación repentina del agua. Cuando aparecen algas anormales, materia orgánica o contaminación por metales pesados en el agua cruda, estos contaminantes pueden ser eliminados de manera efectiva ajustando la dosis de PAC y el valor de pH. Los estudios muestran que, bajo condiciones optimizadas, PAC puede lograr una tasa de eliminación de más del 90% para metales pesados como el plomo y el cadmio, y una tasa de eliminación de más del 95% para células algales. Al tratar brotes estacionales de algas, una planta de tratamiento de agua aumentó la dosis de PAC de 15mg/L a 25mg/L, mientras controlaba el pH dentro del rango de 6.5-7.0. Como resultado, el número de algas en el efluente se redujo con éxito de 5,000 por mL a menos de 50 por mL.

En los proyectos rurales de agua potable segura, la aplicación de PAC es más flexible y diversa. Para los sistemas de suministro de agua centralizados, se puede adoptar equipo de dosificación automática. Para los puntos de suministro de agua descentralizados, se han desarrollado dispositivos de dosificación simples y productos en pequeños envases. En el proyecto de renovación de agua potable rural de una cierta provincia, se promovió y utilizó PAC, elevando la tasa de calificación del suministro de agua del 60% a más del 90%, resolviendo efectivamente el problema de larga data de la alta calidad de agua con flúor y arsénico en las áreas rurales. Cabe destacar que en las aplicaciones rurales, se debe prestar especial atención a la simplicidad de operación y al control de costos. El PAC líquido o las soluciones de PAC pre-preparadas son más favorecidas.

Iv. Aplicación de PAC de Grado para Agua Potable en el Suministro de Agua Urbano y Suministro de Agua Industrial

Además de la producción convencional de agua potable, el sistema de suministro de agua urbana también incluye la reutilización de agua reciclada y el mantenimiento de la calidad del agua en la red de tuberías. El PAC se aplica ampliamente en estos campos. En el tratamiento de la reutilización de agua reciclada, el PAC puede eliminar eficazmente la materia orgánica coloidal y el fósforo en el agua. La planta de agua reciclada de una cierta ciudad adoptó el proceso de coagulación con PAC + filtración por membrana, reduciendo el COD del efluente a menos de 10mg/L y el fósforo total a menos de 0.3mg/L, cumpliendo plenamente con los estándares para el uso de agua en paisajismo. Para el problema del "agua amarilla" en la red de tuberías, al ajustar la dosis de PAC en la planta de agua para optimizar el efecto de coagulación, se puede reducir significativamente la deposición de hierro y manganeso en la red de tuberías. Después de que una cierta ciudad implementó la dosis optimizada de PAC, las quejas sobre la calidad del agua en el extremo del usuario disminuyeron en un 70%.

En el campo del suministro de agua industrial, diferentes industrias tienen requisitos variados para la calidad del agua, y la aplicación de PAC también muestra características diversas. En el tratamiento del agua de alimentación de calderas de la industria energética, PAC, como agente de pretratamiento, puede reducir eficazmente la carga del sistema de intercambio iónico posterior. En la preparación de agua ultrapura en la industria electrónica, se utiliza PAC de alta pureza para eliminar metales traza del agua. La industria de alimentos y bebidas presta más atención a la seguridad de PAC y su impacto en el sabor. Una cervecería ha adoptado un PAC de bajo residuo especialmente diseñado para reemplazar el coagulante tradicional, mejorando significativamente la calidad del agua de elaboración y haciendo que el producto tenga un sabor más puro.

La reutilización de aguas residuales industriales es otro escenario de aplicación importante del PAC. En el tratamiento avanzado de aguas residuales en industrias como el acero, la tintorería y la impresión, y la fabricación de papel, el PAC puede eliminar simultáneamente COD, color y metales pesados, logrando la reutilización de aguas residuales. Un cierto molino de papel adoptó el proceso de coagulación de PAC + ozono, aumentando la tasa de reutilización de aguas residuales del 40% al 75% y ahorrando 2 millones de toneladas de agua dulce anualmente. A diferencia del suministro de agua municipal, la dosis de PAC en aplicaciones industriales suele ser más alta, y a veces es necesario utilizarlo en combinación con floculantes poliméricos orgánicos para lograr el mejor efecto de tratamiento.

V. Tendencias y Perspectivas de Desarrollo del PAC de Grado para Agua Potable

Con el avance de la tecnología de tratamiento de agua y los crecientes requisitos de protección ambiental, el PAC de grado potable está desarrollándose hacia un alto rendimiento, funcionalidad y sostenibilidad. Nuevos tipos de productos compuestos de PAC están surgiendo constantemente, como el PAC que contiene silicio (PACS) y el PAC que contiene hierro (PAFC), etc. Estos productos tienen mejores efectos de tratamiento para calidades de agua específicas. La introducción de la nanotecnología también ha dado lugar al PAC a nanoescala, cuya mayor área de superficie específica y mayor actividad han mejorado significativamente la eficiencia de coagulación. La capacidad de eliminación de arsénico del nano-PAC desarrollado por un cierto equipo de investigación es más de tres veces superior a la del PAC tradicional.

La producción verde es una tendencia inevitable en la industria PAC. Los residuos y las aguas residuales ácidas generadas en el proceso de producción tradicional de PAC están siendo controlados de manera efectiva a través de la mejora de procesos. La nueva tecnología de secado por pulverización reduce el consumo de energía en un 30% y la tasa de recuperación de subproductos supera el 95%. En el futuro, la tecnología para producir PAC de alta calidad a partir de ácidos residuales industriales, escoria de aluminio y otros materiales de desecho se mejorará aún más para lograr el reciclaje de recursos. El método biológico de PAC también se encuentra en la etapa de investigación de laboratorio y se espera que reduzca aún más el impacto ambiental del proceso de producción.

Las aplicaciones inteligentes cambiarán la forma tradicional en que se utiliza el PAC. El sistema de dosificación inteligente basado en big data e inteligencia artificial puede analizar los cambios en la calidad del agua en tiempo real y predecir la dosificación óptima de PAC. Un cierto proyecto de planta de agua inteligente ha logrado un control avanzado de la dosificación de PAC a través de un modelo de aprendizaje automático, reduciendo el consumo de productos químicos en un 20% mientras se asegura la estabilidad de la calidad del efluente. Con el desarrollo de la tecnología del Internet de las Cosas (iot), la monitorización remota y la optimización de la dosificación de PAC se volverán posibles, lo que es particularmente adecuado para escenarios de aplicación en puntos de suministro de agua descentralizados y plantas de agua rurales.

Conclusión

El cloruro de polialuminio de grado para agua potable, como un agente químico clave en el tratamiento moderno del agua, desempeña un papel insustituible en la garantía de la seguridad del agua potable, la mejora de la calidad del suministro de agua urbana y el apoyo al desarrollo industrial sostenible debido a su alta eficiencia, seguridad y fuerte adaptabilidad. Con el avance tecnológico y la mejora de los estándares de protección ambiental, los productos PAC y sus tecnologías de aplicación continuarán innovando, proporcionando soluciones más completas para abordar los desafíos globales de los recursos hídricos. La industria del tratamiento de agua debe reconocer plenamente el valor científico del PAC, optimizar continuamente sus tecnologías de producción y aplicación, y al mismo tiempo fortalecer la investigación y el desarrollo de nuevos coagulantes para proporcionar a la humanidad agua potable más segura y limpia.