聚合氯化鋁(PAC)是國際上近年來發(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，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。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)的聚陽離子[A1₁₃O₄(OH)₂₄(H₂0)₁₂]⁷⁺的存在^[l3]。聚陽離子模型近年來得到了更多的承認(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ξ-Al₁₃溶液進行熱處理，得到一種新的聚陽離子[A1₃₀O₈(OH)₅₆(H0)₂₄]¹⁸⁺(Al₃₀)，這是迄今為止研究發(fā)現(xiàn)的最大的聚陽離子，它含有2個σ-A1₁₃的Keggin單元，由4個[AlO₆ ]八面體單元的環(huán)連接。以往的研究多數(shù)是通過向氯化鋁溶液中加人NaOH或Na₂CO₃，來制備PAC樣品，本實驗所研究的PAC樣品則是通過酸溶一步法，向稀鹽酸中直接加人鋁箔制備而成。
　　實驗所用藥品均為AR級。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，過濾，即得到聚合氯化鋁產(chǎn)品。通過調(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中的測試方法，對上述樣品的鋁含量和鹽基度進行測定。
　　將實驗室制備的4種聚合氯化鋁樣品全部稀釋為0.1 mol／L，用核磁共振儀進行測試。采用德國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。
　　在燒杯混凝實驗中采用高嶺土配制原水與黃浦江上游的原水進行實驗。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2種原水分別進行混凝實驗。濁度測定采用美國HACH公司2100P型濁度儀。燒杯混凝實驗在深圳中潤公司ZR4-6智能全自動混凝實驗攪拌機中進行。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，攪拌器自動從燒杯中緩慢地移出。沉降20 min后，測定燒杯中水的剩余濁度。在相同的實驗條件下，對黃浦江上游的原水(20．5NTU)進行燒杯混凝實驗。每種原水進行2次平行實驗，取剩余濁度的平均值。

結(jié)果與討論
　　PAC樣品²⁷A1 NMR測試的綜合圖譜見圖1。在ξ0和ξ63處，分別有1個共振峰，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)的聚陽離子Al₁₃的結(jié)構(gòu)中心為四面體A10₄，外圍是12個鋁八面體，但是其八面體部分由于信號過寬在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，即鹽基度或堿化度B(羥基與3倍鋁離子的摩爾比)增高，Al₁₃的相對含量逐漸增大。這一趨勢與已有的文獻報道^[6]相一致。根據(jù)共振峰的積分面積計算，可得出不同鹽基度PAC樣品中Al₁₃的相對含量，并且，n(Al₁₃)／n( Al_m)的值與鹽基度呈線性相關(guān)，變化趨勢如圖2所示。但是，²⁷A1 NMR測試也存在較明顯的缺點。在較低的磁場強度下，某些鋁形態(tài)無法被檢測。由于配位對稱性較差，鋁核有較大的四級耦合常數(shù)，信號可能過寬而不能被檢測。在本實驗中，只檢測到單聚體鋁和Al ，結(jié)構(gòu)中心四面體這2個共振峰，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驗條件有關(guān)。

　　 對高嶺土原水進行的燒杯混凝實驗的結(jié)果見圖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)燒杯實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過混凝沉降，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。而對于較低濁度的原水(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，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，且對高濁度原水的效果更為顯著。由此可見，鹽基度與混凝效果密切相關(guān)。另外，對于工業(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)品的鹽基度對降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品效果都很有利。