Água Potável Grau Policloreto de Alumínio (PAC): Agente Purificador de Tratamento de Água Seguro e Eficiente

Introdução

Com a crescente escassez global de água e os problemas de poluição da água, tecnologias seguras e eficientes de tratamento de água potável tornaram-se a chave para salvaguardar a saúde pública. O Cloreto de Polialumínio (PAC, em resumo), como um novo tipo de coagulante inorgânico de alta molécula, rapidamente substituiu os sais de alumínio tradicionais desde sua chegada na década de 1960 devido ao seu excelente desempenho na purificação da água e tornou-se o agente principal no campo do tratamento de água. Especialmente no campo do tratamento de água potável, o PAC de grau potável, com suas características de alta eficiência, segurança e ampla adaptabilidade, é amplamente utilizado em sistemas de abastecimento de água urbanos, abastecimento de água centralizado rural e vários sistemas de preparação de água pura industrial.

O "Padrão Higiênico para Água Potável" da China (GB5749-2022) estabeleceu requisitos mais elevados para a qualidade da água, o que promoveu ainda mais o desenvolvimento de produtos químicos de tratamento de água de alto desempenho. Comparado ao sulfato de alumínio e ao tricloreto de alumínio tradicionais, o PAC de grau potável apresenta vantagens significativas, como bom efeito de coagulação, baixo alumínio residual, ampla faixa de adaptabilidade de pH e menos lodo. Este artigo irá introduzir sistematicamente as características, o processo de produção, os padrões de qualidade do PAC de grau potável e suas tecnologias de aplicação em vários tratamentos de água, fornecendo uma referência para o design e a gestão operacional de projetos de tratamento de água.

I. Visão Geral do PAC de Água Potável

O cloreto de polialumínio é um composto macromolecular inorgânico, e sua fórmula química é [Al₂(OH)ₙCl₆ ₙ ₙ]ₘ, onde n=1-5, m≤10. O PAC de grau para água potável é um produto de alta pureza especialmente desenvolvido para o tratamento de água potável. Comparado ao PAC de grau industrial, ele possui restrições mais rigorosas sobre o conteúdo de impurezas nocivas, como metais pesados. Do ponto de vista da estrutura química, o PAC é um produto de hidrólise-polimerização entre AlCl₃ e Al(OH)₃, contendo um grande número de complexos hidroxila polinucleares carregados positivamente, como [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺, etc. Esses polímeros altamente carregados conferem ao PAC uma excelente capacidade de eletro-neutralização.

De acordo com diferentes processos de produção, o PAC pode ser classificado em três formas: tipo seco em tambor, tipo seco por spray e produto líquido. O PAC de grau para água potável é produzido principalmente pelo processo de secagem por spray. Este processo, através da secagem rápida em alta temperatura, pode manter efetivamente os componentes ativos do PAC. O produto está na forma de pó amarelo claro, com um teor de alumina (Al₂O₃) superior a 30%, e a basicidade é controlada entre 40% e 60%. O PAC líquido também é aplicado em pequenas e médias estações de tratamento de água devido à sua conveniência de uso, mas o custo de transporte é relativamente alto.

A China tem padrões de qualidade rigorosos para PAC de grau potável. O "Cloreto de Polialumínio para Água Potável" (GB/T 22627-2014) estipula: O teor de Al₂O₃ do PAC de grau potável é ≥28%, o grau de basicidade é 40%-85%, a matéria insolúvel em água é ≤1,5%, o teor de arsênio é ≤0,0005%, o teor de chumbo é ≤0,002%, o teor de cádmio é ≤0,0005%, e o teor de mercúrio é ≤0,00001%. Esses indicadores garantem a segurança do PAC no tratamento de água potável. Comparado com padrões internacionais, como os do Japão e da União Europeia, os padrões da China são mais rigorosos em termos de limites de metais pesados, especialmente para o controle do carcinógeno arsênio.

Ii. O Mecanismo do PAC de Grau de Água Potável no Tratamento de Água

O mecanismo de purificação do PAC no tratamento de água é complexo e eficiente, incluindo principalmente três aspectos: eletro-neutralização, ponte de adsorção e varredura de captura em rede. O efeito de eletro-neutralização é o mecanismo central da purificação de água do PAC. Partículas coloidais na água geralmente carregam cargas negativas, e os agregados positivamente carregados de alta valência produzidos após a hidrólise do PAC podem neutralizar efetivamente essas cargas negativas, destruir a estabilidade dos coloides e causar sua desestabilização e coagulação. Estudos mostram que quanto maior o conteúdo de Alb (componente de grau médio de polimerização) no PAC, mais forte é sua capacidade de eletro-neutralização e melhor é o efeito de coagulação.

O efeito de ponte de adsorção refere-se ao fato de que a estrutura de polímero de cadeia longa do PAC pode formar "Pontes" entre múltiplas partículas coloidais, conectando essas partículas para formar flocos maiores. Este efeito é particularmente importante no tratamento de água de baixa temperatura e baixa turbidez. O efeito de captura e varredura ocorre quando a dosagem de PAC é relativamente alta, e o precipitado de hidróxido de alumínio formado atua como uma tela de filtro para capturar partículas finas na água. Em aplicações práticas, esses três efeitos muitas vezes existem simultaneamente, mas o mecanismo dominante varia com as condições de qualidade da água e a dosagem de PAC.

Comparado com sais de alumínio tradicionais, o PAC tem vantagens significativas: Primeiro, o PAC é um produto pré-hidrolisado, e seus componentes efetivos são formados na fábrica e não são afetados por fatores como temperatura da água e pH, garantindo um efeito de coagulação estável. Em segundo lugar, a estrutura polimérica do PAC confere a ele uma capacidade de neutralização de carga mais forte e uma faixa de adaptabilidade de pH mais ampla (pH5-9). Em terceiro lugar, os flocos produzidos pelo PAC são grandes e densos, com uma taxa de sedimentação rápida. A concentração residual de alumínio na água tratada é baixa, geralmente controlada abaixo de 0,1mg/L, o que é muito inferior ao limite de 0,2mg/L estipulado pela norma nacional.

Iii. Aplicação do PAC de Grau para Água Potável no Tratamento de Água Potável

Na aplicação de obras de água, o PAC, como o coagulante principal, seu processo de dosagem afeta diretamente a qualidade final do efluente. O processo de tratamento convencional geralmente adota o fluxo "coagulação com PAC - sedimentação - filtração - desinfecção". Entre eles, o ponto de dosagem do PAC é geralmente definido antes do tanque de mistura rápida, e a dispersão rápida e uniforme do reagente é garantida através de agitação mecânica ou mistura hidráulica. A dosagem deve ser determinada através de um teste em copo com base na qualidade da água bruta, geralmente variando de 5 a 30mg/L (calculado como Al₂O₃). Para água com alta turbidez, o processo "pré-cloração - coagulação" pode ser adotado; Para água de baixa temperatura e baixa turbidez, recomenda-se usá-lo em combinação com um auxiliar de coagulação.

PAC mostra vantagens únicas no tratamento de poluição hídrica súbita. Quando algas anormais, matéria orgânica ou poluição por metais pesados aparecem na água bruta, esses poluentes podem ser efetivamente removidos ajustando a dosagem de PAC e o valor de pH. Estudos mostram que, sob condições otimizadas, o PAC pode alcançar uma taxa de remoção de mais de 90% para metais pesados como chumbo e cádmio, e uma taxa de remoção de mais de 95% para células de algas. Ao lidar com surtos sazonais de algas, uma determinada estação de tratamento de água aumentou a dosagem de PAC de 15mg/L para 25mg/L, enquanto controlava o pH dentro da faixa de 6,5-7,0. Como resultado, o número de algas no efluente foi reduzido com sucesso de 5.000 por mL para menos de 50 por mL.

Em projetos rurais de água potável, a aplicação de PAC é mais flexível e diversificada. Para sistemas de abastecimento de água centralizados, equipamentos de dosagem automáticos podem ser adotados. Para pontos de abastecimento de água descentralizados, dispositivos de dosagem simples e produtos em pequenas embalagens foram desenvolvidos. No projeto de renovação de água potável rural de uma certa província, o PAC foi promovido e utilizado, elevando a taxa de qualificação do abastecimento de água de 60% para mais de 90%, resolvendo efetivamente o problema de longa data da alta qualidade de água com flúor e arsênio nas áreas rurais. Vale ressaltar que em aplicações rurais, deve-se prestar atenção especial à simplicidade de operação e ao controle de custos. PAC líquido ou soluções de PAC pré-preparadas são mais favorecidas.

Iv. Aplicação do PAC de Grau para Água Potável no Abastecimento Urbano de Água e Abastecimento de Água Industrial

Além da produção convencional de água potável, o sistema de abastecimento urbano de água também inclui a reutilização de água recuperada e a manutenção da qualidade da água na rede de tubulações. O PAC é amplamente aplicado nessas áreas. No tratamento da reutilização de água recuperada, o PAC pode remover efetivamente matéria orgânica coloidal e fósforo na água. A planta de água recuperada de uma certa cidade adotou o processo de coagulação com PAC + filtração por membrana, reduzindo o COD do efluente para abaixo de 10mg/L e o fósforo total para menos de 0,3mg/L, atendendo plenamente aos padrões para uso de água em paisagismo. Para o problema da "água amarela" na rede de tubulações, ajustando a dosagem de PAC na estação de tratamento de água para otimizar o efeito de coagulação, a deposição de ferro e manganês na rede de tubulações pode ser significativamente reduzida. Após uma certa cidade implementar a dosagem otimizada de PAC, as reclamações sobre a qualidade da água no ponto de uso diminuíram em 70%.

No campo do abastecimento industrial de água, diferentes indústrias têm requisitos variados para a qualidade da água, e a aplicação de PAC também apresenta características diversas. No tratamento de água de alimentação de caldeira da indústria de energia, o PAC, como agente de pré-tratamento, pode reduzir efetivamente a carga do sistema de troca iônica subsequente. Na preparação de água ultrapura na indústria eletrônica, o PAC de alta pureza é utilizado para remover metais traços da água. A indústria de alimentos e bebidas presta mais atenção à segurança do PAC e seu impacto no sabor. Uma determinada cervejaria adotou um PAC de baixo resíduo especialmente projetado para substituir o coagulante tradicional, melhorando significativamente a qualidade da água de cervejaria e tornando o produto com um sabor mais puro.

A reutilização de águas residuais industriais é outro importante cenário de aplicação do PAC. No tratamento avançado de águas residuais em indústrias como aço, tingimento e impressão, e fabricação de papel, o PAC pode remover simultaneamente COD, cor e metais pesados, alcançando a reutilização de águas residuais. Uma certa fábrica de papel adotou o processo de coagulação com PAC + ozônio, aumentando a taxa de reutilização de águas residuais de 40% para 75% e economizando 2 milhões de toneladas de água doce anualmente. Ao contrário do abastecimento de água municipal, a dosagem de PAC em aplicações industriais é geralmente maior, e às vezes precisa ser usada em combinação com floculantes de polímero orgânico para alcançar o melhor efeito de tratamento.

V. Tendências e Perspectivas de Desenvolvimento do PAC de Grau para Água Potável

Com o avanço da tecnologia de tratamento de água e o aumento das exigências de proteção ambiental, o PAC de grau potável está se desenvolvendo em direção a alto desempenho, funcionalidade e sustentabilidade. Novos tipos de produtos compostos de PAC estão constantemente surgindo, como PAC contendo silício (PACS) e PAC contendo ferro (PAFC), etc. Esses produtos têm melhores efeitos de tratamento para qualidades específicas da água. A introdução da nanotecnologia também deu origem ao PAC em escala nanométrica, cuja maior área de superfície específica e maior atividade aumentaram significativamente a eficiência de coagulação. A capacidade de remoção de arsênio do nano-PAC desenvolvido por uma certa equipe de pesquisa é mais de três vezes maior do que a do PAC tradicional.

A produção verde é uma tendência inevitável na indústria de PAC. Os resíduos e águas residuais ácidas gerados no processo tradicional de produção de PAC estão sendo efetivamente controlados por meio da melhoria de processos. A nova tecnologia de secagem por spray reduz o consumo de energia em 30% e a taxa de recuperação de subprodutos ultrapassa 95%. No futuro, a tecnologia para produzir PAC de alta qualidade a partir de ácidos residuais industriais, escória de alumínio e outros materiais residuais será ainda mais aprimorada para alcançar a reciclagem de recursos. O método biológico de PAC também está na fase de pesquisa laboratorial e espera-se que reduza ainda mais o impacto ambiental do processo de produção.

Aplicações inteligentes mudarão a maneira tradicional como o PAC é utilizado. O sistema de dosagem inteligente baseado em big data e inteligência artificial pode analisar as mudanças na qualidade da água em tempo real e prever a dosagem ideal de PAC. Um determinado projeto de planta de água inteligente alcançou controle avançado da dosagem de PAC através de um modelo de aprendizado de máquina, reduzindo o consumo de produtos químicos em 20% enquanto garante a estabilidade da qualidade do efluente. Com o desenvolvimento da tecnologia da Internet das Coisas (iot), o monitoramento remoto e a otimização da dosagem de PAC se tornarão possíveis, o que é particularmente adequado para cenários de aplicação em pontos de abastecimento de água descentralizados e plantas de água rurais.

Conclusão

Cloreto de polialumínio de grau potável, como um agente químico central no tratamento moderno de água, desempenha um papel insubstituível na garantia da segurança da água potável, na melhoria da qualidade do abastecimento urbano de água e no apoio ao desenvolvimento industrial sustentável devido à sua alta eficiência, segurança e forte adaptabilidade. Com o avanço tecnológico e a melhoria dos padrões de proteção ambiental, os produtos PAC e suas tecnologias de aplicação continuarão a inovar, fornecendo soluções mais abrangentes para enfrentar os desafios globais dos recursos hídricos. A indústria de tratamento de água deve reconhecer plenamente o valor científico do PAC, otimizar continuamente suas tecnologias de produção e aplicação e, ao mesmo tempo, fortalecer a pesquisa e o desenvolvimento de novos coagulantes para fornecer à humanidade água potável mais segura e limpa.