Питьевая вода Класс Поливалюминиевый хлорид (PAC): Безопасный и эффективный агент для очистки воды

Введение

С учетом все более серьезной глобальной нехватки воды и проблем с загрязнением воды, безопасные и эффективные технологии очистки питьевой воды стали ключом к защите общественного здоровья. Полихлорид алюминия (PAC в краткой форме), как новый тип неорганического высокомолекулярного коагулянта, быстро заменил традиционные алюминиевые соли с момента своего появления в 1960-х годах благодаря своим отличным характеристикам очистки воды и стал основным реагентом в области очистки воды. Особенно в области очистки питьевой воды, PAC питьевого класса, обладая такими характеристиками, как высокая эффективность, безопасность и широкая адаптивность, широко используется в городских водопроводах, централизованном водоснабжении в сельской местности и различных системах подготовки чистой воды в промышленности.

Китайский "Гигиенический стандарт для питьевой воды" (GB5749-2022) установил более высокие требования к качеству воды, что способствовало дальнейшему развитию высокоэффективных химикатов для очистки воды. По сравнению с традиционными сульфатом алюминия и трихлоридом алюминия, PAC питьевого качества имеет значительные преимущества, такие как хороший коагуляционный эффект, низкое остаточное содержание алюминия, широкий диапазон адаптивности pH и меньшее количество осадка. Эта статья систематически представит характеристики, процесс производства, стандарты качества PAC питьевого качества и его технологии применения в различных очистках воды, предоставляя справочную информацию для проектирования и управления эксплуатацией проектов очистки воды.

I. Обзор питьевой воды класса PAC

Полиалюминиевый хлорид является неорганическим макромолекулярным соединением, и его химическая формула - [Al₂(OH)ₙCl₆ ₙ ₙ]ₘ, где n=1-5, m≤10. PAC питьевого качества - это высокочистый продукт, специально разработанный для обработки питьевой воды. По сравнению с PAC промышленного качества, он имеет более строгие ограничения по содержанию вредных примесей, таких как тяжелые металлы. С точки зрения химической структуры, PAC является продуктом гидролиза-полимеризации между AlCl₃ и Al(OH)₃, содержащим большое количество положительно заряженных полинуклеарных гидроксильных комплексов, таких как [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺ и т.д. Эти высокозаряженные полимеры наделяют PAC отличной способностью к электро-нейтрализации.

В зависимости от различных производственных процессов PAC можно классифицировать на три формы: тип сушки в барабане, тип сушки распылением и жидкий продукт. PAC для питьевой воды в основном производится методом распылительной сушки. Этот процесс, благодаря быстрому высушиванию при высокой температуре, может эффективно сохранять активные компоненты PAC. Продукт имеет форму светло-желтого порошка, с содержанием оксида алюминия (Al₂O₃) более 30%, а основность контролируется в пределах от 40% до 60%. Жидкий PAC также применяется на малых и средних водных предприятиях из-за удобства использования, но стоимость транспортировки относительно высока.

Китай имеет строгие стандарты качества для PAC питьевой воды. "Полиизомный хлорид для питьевой воды" (GB/T 22627-2014) устанавливает: содержание Al₂O₃ в PAC питьевой воды составляет ≥28%, степень основности 40%-85%, нерастворимые в воде вещества ≤1.5%, содержание мышьяка ≤0.0005%, содержание свинца ≤0.002%, содержание кадмия ≤0.0005%, и содержание ртути ≤0.00001%. Эти показатели обеспечивают безопасность PAC в обработке питьевой воды. По сравнению с международными стандартами, такими как стандарты Японии и Европейского Союза, китайские стандарты строже в отношении пределов содержания тяжелых металлов, особенно для контроля канцерогена мышьяка.

Ii. Механизм применения PAC для питьевой воды в очистке воды

Механизм очистки PAC в обработке воды сложен и эффективен, в основном включает три аспекта: электро-нейтрализация, адсорбционное мостирование и захват сетки. Эффект электро-нейтрализации является основным механизмом очистки воды PAC. Коллоидные частицы в воде обычно несут отрицательные заряды, а высоковалентные положительно заряженные агрегаты, образующиеся после гидролиза PAC, могут эффективно нейтрализовать эти отрицательные заряды, разрушать стабильность коллоидов и вызывать их дестабилизацию и коагуляцию. Исследования показывают, что чем выше содержание Alb (компонент со средним степенью полимеризации) в PAC, тем сильнее его способность к электро-нейтрализации и тем лучше эффект коагуляции.

Эффект адсорбционного мостика относится к тому, что длинноцепочечная полимерная структура PAC может образовывать "мосты" между несколькими коллоидными частицами, соединяя эти частицы для формирования более крупных флоков. Этот эффект особенно важен при обработке воды с низкой температурой и низкой мутностью. Эффект захвата и подметания возникает, когда доза PAC относительно высока, и образованный осадок гидроксида алюминия действует как фильтровальная сетка для захвата мелких частиц в воде. В практических приложениях эти три эффекта часто существуют одновременно, но доминирующий механизм варьируется в зависимости от условий качества воды и дозы PAC.

По сравнению с традиционными алюминиевыми солями, PAC имеет значительные преимущества: Во-первых, PAC является предварительно гидролизованным продуктом, и его эффективные компоненты формируются на заводе и не подвержены влиянию таких факторов, как температура воды и pH, что обеспечивает стабильный коагуляционный эффект. Во-вторых, полимерная структура PAC наделяет его более сильной способностью нейтрализовать заряд и более широким диапазоном адаптации к pH (pH5-9). В-третьих, флоки, производимые PAC, крупные и плотные, с высокой скоростью осаждения. Остаточная концентрация алюминия в обработанной воде низка, обычно контролируется ниже 0.1mg/L, что значительно ниже предела 0.2mg/L, установленного национальным стандартом.

Iii. Применение PAC питьевой воды в очистке питьевой воды

В приложении к водоснабжению PAC, как основной коагулянт, его процесс дозирования непосредственно влияет на качество конечного сточных вод. Обычный процесс обработки обычно принимает поток "коагуляция PAC - осаждение - фильтрация - дезинфекция". Среди них точка дозирования PAC обычно устанавливается перед баком для быстрого смешивания, и обеспечивается быстрое и равномерное распределение реагента с помощью механического перемешивания или гидравлического смешивания. Дозировка должна определяться с помощью теста в стакане на основе качества исходной воды, обычно в диапазоне от 5 до 30 мг/л (рассчитано как Al₂O₃). Для воды с высокой мутностью можно использовать процесс "предварительная хлоризация - коагуляция"; для воды с низкой температурой и низкой мутностью рекомендуется использовать в сочетании с вспомогательным коагулянтом.

PAC демонстрирует уникальные преимущества в борьбе с внезапным загрязнением воды. Когда в сырой воде появляются аномальные водоросли, органические вещества или загрязнение тяжелыми металлами, эти загрязнители можно эффективно удалить, регулируя дозировку PAC и значение pH. Исследования показывают, что при оптимизированных условиях PAC может достичь уровня удаления более 90% для тяжелых металлов, таких как свинец и кадмий, и уровня удаления более 95% для клеток водорослей. При борьбе с сезонными вспышками водорослей одно водное предприятие увеличило дозировку PAC с 15 мг/л до 25 мг/л, контролируя при этом pH в диапазоне 6,5-7,0. В результате количество водорослей в сточных водах было успешно снижено с 5 000 на мл до менее 50 на мл.

В проектах по обеспечению безопасной питьевой водой в сельской местности применение PAC более гибкое и разнообразное. Для централизованных систем водоснабжения можно использовать автоматическое дозирующее оборудование. Для децентрализованных точек водоснабжения разработаны простые дозирующие устройства и продукты в малой упаковке. В проекте по модернизации питьевой воды в одной из провинций PAC был внедрен и использован, повысив квалификацию водоснабжения с 60% до более 90%, эффективно решая давнюю проблему высокого содержания фтора и мышьяка в качестве воды в сельских районах. Стоит отметить, что в сельских приложениях особое внимание следует уделять простоте эксплуатации и контролю затрат. Жидкий PAC или заранее подготовленные растворы PAC пользуются большим спросом.

Iv. Применение PAC питьевой воды в городском водоснабжении и промышленном водоснабжении

В дополнение к традиционному производству питьевой воды, городская система водоснабжения также включает повторное использование очищенной воды и поддержание качества воды в трубопроводной сети. PAC широко применяется в этих областях. В процессе обработки повторного использования очищенной воды PAC может эффективно удалять коллоидные органические вещества и фосфор из воды. Очищающий завод по обработке очищенной воды в одном из городов применил процесс коагуляции PAC + мембранной фильтрации, снизив содержание COD в сточных водах ниже 10 мг/л и общее содержание фосфора до менее 0,3 мг/л, полностью соответствуя стандартам для использования воды в ландшафтном дизайне. Для проблемы "желтой воды" в трубопроводной сети, путем регулирования дозировки PAC на водозаборном заводе для оптимизации коагуляционного эффекта, можно значительно уменьшить осаждение железа и марганца в трубопроводной сети. После того как в одном из городов была внедрена оптимизированная дозировка PAC, количество жалоб на качество воды со стороны пользователей уменьшилось на 70%.

В области промышленного водоснабжения различные отрасли имеют разные требования к качеству воды, и применение PAC также демонстрирует разнообразные характеристики. В обработке воды для котлов в энергетической отрасли PAC, как агент предварительной обработки, может эффективно снизить нагрузку на последующую систему ионного обмена. В подготовке ультрачистой воды в электронной промышленности используется высокочистый PAC для удаления следовых металлов из воды. Пищевая и напитковая промышленность уделяет больше внимания безопасности PAC и его влиянию на вкус. Одна пивоварня приняла специально разработанный PAC с низким содержанием остатков, чтобы заменить традиционный коагулянт, что значительно улучшило качество воды для пивоварения и сделало продукт вкуснее.

Повторное использование сточных вод является еще одним важным сценарием применения PAC. В процессе углубленной очистки сточных вод в таких отраслях, как сталелитейная, красящая и печатная, а также целлюлозно-бумажная, PAC может одновременно удалять COD, цвет и тяжелые металлы, достигая повторного использования сточных вод. Одна бумажная фабрика приняла процесс коагуляции PAC + озон, увеличив коэффициент повторного использования сточных вод с 40% до 75% и сэкономив 2 миллиона тонн пресной воды ежегодно. В отличие от муниципального водоснабжения, дозировка PAC в промышленных приложениях обычно выше, и иногда его необходимо использовать в сочетании с органическими полимерными флокулянтами для достижения наилучшего эффекта очистки.

V. Тенденции и перспективы развития PAC для питьевой воды

С развитием технологий очистки воды и увеличением требований к охране окружающей среды, PAC питьевого качества развивается в сторону высокой производительности, функциональности и экологичности. Новые типы композитных продуктов PAC постоянно появляются, такие как содержащий кремний PAC (PACS) и содержащий железо PAC (PAFC) и т.д. Эти продукты имеют лучшие эффекты очистки для специфических качеств воды. Введение нанотехнологий также привело к появлению нано-PAC, чья большая удельная поверхность и высокая активность значительно повысили эффективность коагуляции. Способность к удалению мышьяка у нано-PAC, разработанного определенной исследовательской группой, более чем в три раза превышает таковую у традиционного PAC.

Зеленое производство является неизбежной тенденцией в индустрии PAC. Отходы и кислые сточные воды, образующиеся в традиционном процессе производства PAC, эффективно контролируются за счет улучшения процессов. Новая технология распылительной сушки снижает потребление энергии на 30%, а коэффициент восстановления побочных продуктов превышает 95%. В будущем технологии производства высококачественного PAC из промышленных кислот, алюминиевых шлаков и других отходов будут дополнительно улучшены для достижения переработки ресурсов. Биологический метод PAC также находится на стадии лабораторных исследований и ожидается, что он дополнительно снизит воздействие на окружающую среду в процессе производства.

Интеллектуальные приложения изменят традиционный способ использования PAC. Интеллектуальная система дозирования, основанная на больших данных и искусственном интеллекте, может анализировать изменения качества воды в реальном времени и предсказывать оптимальную дозу PAC. Определенный проект умного водозабора достиг передового контроля дозирования PAC с помощью модели машинного обучения, снизив потребление химикатов на 20%, при этом обеспечивая стабильность качества сточных вод. С развитием технологий Интернета вещей (iot) удаленный мониторинг и оптимизация дозирования PAC станут возможными, что особенно подходит для сценариев применения в децентрализованных точках водоснабжения и сельских водозаборах.

Заключение

Питьевая вода класса полиалюминиевого хлорида, как основной химический агент в современном водоочистке, играет незаменимую роль в обеспечении безопасности питьевой воды, улучшении качества городского водоснабжения и поддержке устойчивого промышленного развития благодаря своей высокой эффективности, безопасности и сильной адаптивности. С развитием технологий и улучшением стандартов охраны окружающей среды продукты PAC и их технологии применения будут продолжать инновации, предоставляя более комплексные решения для решения глобальных проблем водных ресурсов. Водоочистная промышленность должна полностью осознавать научную ценность PAC, постоянно оптимизировать свои технологии производства и применения, а также одновременно усиливать исследования и разработки новых коагулянтов, чтобы предоставить человечеству более безопасную и чистую питьевую воду.