聚合氯化鋁(PAC)是國(guó)際上近年來(lái)發(fā)展較快的高效水處理劑之一。與傳統(tǒng)藥劑相比，具有用量少、成本低、凈化水質(zhì)優(yōu)、使用方便等一系列特點(diǎn)，目前正迅速取代傳統(tǒng)水處理藥劑。隨著聚合氯化鋁的廣泛應(yīng)用，其形態(tài)結(jié)構(gòu)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。已有研究表明，絮凝劑的凝聚效率很大程度上取決于混凝過(guò)程中絮凝劑的水解形態(tài)分布特征。
　　關(guān)于多核聚體羥基鋁聚合物的結(jié)構(gòu)，有2種不同的模型：一種是“core links”或“gibbsite fragment”模型，另一種是Al₁₃聚陽(yáng)離子模型^{［１，２］}。Johansson及其合作者證明了一種Keggin結(jié)構(gòu)的聚陽(yáng)離子[A1₁₃O₄(OH)₂₄(H₂0)₁₂]⁷⁺的存在^[l3]。聚陽(yáng)離子模型近年來(lái)得到了更多的承認(rèn)。目前一般認(rèn)為，聚十三鋁含量可以在一定程度上反映混凝劑的有效性。70年代后期，Akitt等提出用A1 NMR鑒定水解鋁溶液中的水解聚合形態(tài)，這種方法可以定量鑒定出具有八面體結(jié)構(gòu)的單體鋁、二聚體鋁和以AlO₄ 四面體為核心、外圍結(jié)構(gòu)由12個(gè)A1(OH)₂八面體組成的、具有Keggin分子結(jié)構(gòu)的聚合物，即A10₄A1₁₂-(OH)₂₄⁷⁺ 。最近Allouche等在A1 NMR的研究中，對(duì)ξ-Al₁₃溶液進(jìn)行熱處理，得到一種新的聚陽(yáng)離子[A1₃₀O₈(OH)₅₆(H0)₂₄]¹⁸⁺(Al₃₀)，這是迄今為止研究發(fā)現(xiàn)的最大的聚陽(yáng)離子，它含有2個(gè)σ-A1₁₃的Keggin單元，由4個(gè)[AlO₆ ]八面體單元的環(huán)連接。以往的研究多數(shù)是通過(guò)向氯化鋁溶液中加人NaOH或Na₂CO₃，來(lái)制備PAC樣品，本實(shí)驗(yàn)所研究的PAC樣品則是通過(guò)酸溶一步法，向稀鹽酸中直接加人鋁箔制備而成。
　　實(shí)驗(yàn)所用藥品均為AR級(jí)。在約15％的稀鹽酸溶液中加人高純鋁箔，在三口燒瓶中加熱到85℃反應(yīng)。待反應(yīng)溶液澄清透明后，過(guò)濾，即得到聚合氯化鋁產(chǎn)品。通過(guò)調(diào)節(jié)鹽酸和鋁箔的用量比，制備出4種不同鹽基度和鋁含量的聚合氯化鋁樣品。根據(jù)GB15892-1995中的測(cè)試方法，對(duì)上述樣品的鋁含量和鹽基度進(jìn)行測(cè)定。
　　將實(shí)驗(yàn)室制備的4種聚合氯化鋁樣品全部稀釋為0.1 mol／L，用核磁共振儀進(jìn)行測(cè)試。采用德國(guó)Broker公司的DSX-300型核磁共振儀，共振頻率為78．2 MHz，翻轉(zhuǎn)角為10^。，2次采樣時(shí)間間隔1s，以Al(H2O)₆³⁺cl₃為化學(xué)位移的參考定義ξ0。
　　在燒杯混凝實(shí)驗(yàn)中采用高嶺土配制原水與黃浦江上游的原水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在20℃下，將高嶺土完全溶解于水中，混合均勻，配制得到高濁度(114NTU)和低濁度(9．99NTU)的原水，對(duì)2種原水分別進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)。濁度測(cè)定采用美國(guó)HACH公司2100P型濁度儀。燒杯混凝實(shí)驗(yàn)在深圳中潤(rùn)公司ZR4-6智能全自動(dòng)混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)中進(jìn)行。4種PAC樣品混凝劑的投藥量均為A1₂O₃ 3 mg／L。向燒杯中加人PAC，以500 r／min快速攪拌1 min。然后以50 r／min慢速攪拌10 min，同時(shí)，攪拌器自動(dòng)從燒杯中緩慢地移出。沉降20 min后，測(cè)定燒杯中水的剩余濁度。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)黃浦江上游的原水(20．5NTU)進(jìn)行燒杯混凝實(shí)驗(yàn)。每種原水進(jìn)行2次平行實(shí)驗(yàn)，取剩余濁度的平均值。

結(jié)果與討論
　　PAC樣品²⁷A1 NMR測(cè)試的綜合圖譜見(jiàn)圖1。在ξ0和ξ63處，分別有1個(gè)共振峰，代表八面體單聚物Al(H2O)_３^＋＋＋和Al₁₃的ξ一[A1₁₃O₄(OH)₂₄(H2O)₁₂]7+四面體成分^[1,6,7]。。具有Keggin形態(tài)結(jié)構(gòu)的聚陽(yáng)離子Al₁₃的結(jié)構(gòu)中心為四面體A10₄，外圍是12個(gè)鋁八面體，但是其八面體部分由于信號(hào)過(guò)寬在²⁷A1 NMR圖譜中很難顯示^[8]。因此ξ63處的共振峰代表Al ，聚合陽(yáng)離子組分的十三分之一。圖1顯示4種PAC樣品隨著鹽基度的升高， ξ63處的峰逐漸增強(qiáng)，即鹽基度或堿化度B(羥基與3倍鋁離子的摩爾比)增高，Al₁₃的相對(duì)含量逐漸增大。這一趨勢(shì)與已有的文獻(xiàn)報(bào)道^[6]相一致。根據(jù)共振峰的積分面積計(jì)算，可得出不同鹽基度PAC樣品中Al₁₃的相對(duì)含量，并且，n(Al₁₃)／n( Al_m)的值與鹽基度呈線性相關(guān)，變化趨勢(shì)如圖2所示。但是，²⁷A1 NMR測(cè)試也存在較明顯的缺點(diǎn)。在較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，某些鋁形態(tài)無(wú)法被檢測(cè)。由于配位對(duì)稱(chēng)性較差，鋁核有較大的四級(jí)耦合常數(shù)，信號(hào)可能過(guò)寬而不能被檢測(cè)。在本實(shí)驗(yàn)中，只檢測(cè)到單聚體鋁和Al ，結(jié)構(gòu)中心四面體這2個(gè)共振峰，而總鋁中的某些部分，如一些低聚物，比Al₁₃更高聚合態(tài)的鋁離子，Allouche等研究發(fā)現(xiàn)的如等形態(tài)都未能檢出。這可能與PAC樣品的制備與處理方法和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。

　　 對(duì)高嶺土原水進(jìn)行的燒杯混凝實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖3。鹽基度一直是聚合氯化鋁分子結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。根據(jù)燒杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)混凝沉降，在所制備PAC樣品的鹽基度范圍內(nèi)，隨著鹽基度逐漸升高，高濁度的高嶺土原水(114NTU)和黃浦江原水的剩余濁度降低，曲線呈現(xiàn)非常明顯的下降趨勢(shì)。而對(duì)于較低濁度的原水(9．99NTU)，處理后水的剩余濁度隨著鹽基度的升高有輕微的降低趨勢(shì)，但變化不明顯，曲線基本上呈水平。凈化水剩余濁度的高低反映混凝效果的優(yōu)劣，因此，對(duì)于相同濁度的高嶺土原水，在相同的混凝劑用量下(3mg／L A1₂O₃，)，隨著鹽基度的增大，混凝劑的處理效果提高，且對(duì)高濁度原水的效果更為顯著。由此可見(jiàn)，鹽基度與混凝效果密切相關(guān)。另外，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言，若采用同一生產(chǎn)工藝，PAC產(chǎn)品的鹽基度越高，所需原材料的消耗越少，成本越低。因此, 提高聚合鋁產(chǎn)品的鹽基度對(duì)降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品效果都很有利。