Anwendungseffekt von PAC bei der Wasseraufbereitung von Wärmekraftwerken
1. Vorbehandlung des Zusatzwassers
Natürliche Gewässer enthalten häufig Schlamm, Ton, Humus und andere Schwebstoffe sowie kolloidale Verunreinigungen, Bakterien, Pilze, Algen, Viren und andere Mikroorganismen. Diese Stoffe sind im Wasser relativ stabil und verursachen hauptsächlich Trübung, Verfärbung und Geruch. Überschüssige organische Substanzen gelangen in den Ionenaustauscher, verunreinigen das Harz, reduzieren dessen Austauschkapazität und können sogar die Abwasserqualität der Entsalzungsanlage beeinträchtigen. Koagulation, Sedimentation und Filtration dienen primär der Entfernung dieser Verunreinigungen, um den Gehalt an Schwebstoffen im Wasser auf unter 5 mg/l zu senken und somit geklärtes Wasser zu erhalten. Dies wird als Wasservorbehandlung bezeichnet. Nach der Vorbehandlung kann das Wasser erst dann als Kesselwasser verwendet werden, wenn die gelösten Salze durch Ionenaustausch und die gelösten Gase durch Erhitzen, Vakuumieren oder Einblasen entfernt wurden. Werden diese Verunreinigungen nicht zuerst entfernt, kann die nachfolgende Entsalzung nicht durchgeführt werden. Daher ist die Koagulationsbehandlung von Wasser ein wichtiger Schritt im Wasseraufbereitungsprozess.
Die Vorbehandlung von Wärmekraftwerkswasser erfolgt wie folgt: Rohwasser → Koagulation → Fällung und Klärung → Filtration. Gängige Koagulationsmittel sind Polyaluminiumchlorid, Polyferrisulfat, Aluminiumsulfat, Eisen(III)-chlorid usw. Im Folgenden wird hauptsächlich die Anwendung von Polyaluminiumchlorid erläutert.
Polyaluminiumchlorid (PAC) wird aus Aluminiumasche oder Aluminiummineralien hergestellt. Unter hohem Druck und hoher Temperatur reagiert es mit Alkali und Aluminium zu einem Polymer. Je nach Rohstoff und Herstellungsverfahren variieren die Produktspezifikationen. Die Summenformel von PAC lautet [Al₂(OH)ₙCl₆₋ₙ]ᵐ, wobei n eine beliebige ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist und m die Zehnerpotenz angibt. PAC ist sowohl in fester als auch in flüssiger Form erhältlich.
2. Gerinnungsmechanismus
Koagulationsmittel haben drei Hauptwirkungen auf kolloidale Partikel in Wasser: elektrische Neutralisation, Adsorptionsbrückenbildung und Auswaschung. Welche dieser drei Wirkungen überwiegt, hängt von der Art und Dosierung des Koagulationsmittels, der Beschaffenheit und Menge der kolloidalen Partikel im Wasser sowie dem pH-Wert des Wassers ab. Der Wirkungsmechanismus von Polyaluminiumchlorid ähnelt dem von Aluminiumsulfat, und das Verhalten von Aluminiumsulfat in Wasser beruht auf der Bildung verschiedener Hydrolyseprodukte durch Al³⁺.
Polyaluminiumchlorid kann als verschiedenes Zwischenprodukt bei der Hydrolyse und Polymerisation von Aluminiumchlorid zu Al(OH)₃ unter bestimmten Bedingungen betrachtet werden. Es liegt in Wasser direkt in Form verschiedener polymerer Spezies und Al(OH)a(s) vor, ohne dass eine Hydrolyse von Al³⁺ stattfindet.
3. Anwendung und Einflussfaktoren
1. Wassertemperatur
Die Wassertemperatur hat einen deutlichen Einfluss auf die Wirksamkeit der Koagulationsbehandlung. Bei niedrigen Wassertemperaturen ist die Hydrolyse des Koagulationsmittels erschwert, insbesondere bei Temperaturen unter 5 °C. In diesem Fall verläuft die Hydrolyse langsam, und das gebildete Flockungsmittel weist eine lockere Struktur, einen hohen Wassergehalt und feine Partikel auf. Niedrige Wassertemperaturen begünstigen zudem die Solvatation der Kolloidpartikel, verlängern die Flockungszeit und verlangsamen die Sedimentation. Untersuchungen zeigen, dass eine Wassertemperatur von 25–30 °C optimal ist.
2. pH-Wert des Wassers
Die Hydrolyse von Polyaluminiumchlorid ist ein Prozess der kontinuierlichen Freisetzung von H+-Ionen. Daher entstehen unter verschiedenen pH-Bedingungen unterschiedliche Hydrolysezwischenprodukte. Der optimale pH-Wert für die Koagulationsbehandlung von Polyaluminiumchlorid liegt im Allgemeinen zwischen 6,5 und 7,5. Bei diesem pH-Wert ist die Koagulationswirkung am höchsten.
3. Dosierung des Gerinnungsmittels
Bei unzureichender Zugabe von Koagulans ist die Resttrübung im Abwasser höher. Bei zu hoher Zugabe adsorbieren die Kolloidpartikel im Wasser überschüssiges Koagulans, wodurch sich deren Ladungseigenschaften verändern und die Resttrübung im Abwasser erneut ansteigt. Da die Koagulation keine einfache chemische Reaktion ist, lässt sich die erforderliche Dosierung nicht berechnen, sondern muss anhand der spezifischen Wasserqualität bestimmt werden. Bei saisonalen Schwankungen der Wasserqualität ist die Dosierung entsprechend anzupassen.
4. Kontaktmedium
Bei der Koagulationsbehandlung oder anderen Fällungsverfahren kann die Wirksamkeit der Behandlung deutlich verbessert werden, wenn sich eine gewisse Schlammschicht im Wasser befindet. Diese Schlammschicht bietet eine große Oberfläche und trägt durch Adsorption, Katalyse und Kristallisation zu einer verbesserten Koagulationswirkung bei.
Die Koagulationsfällung ist heutzutage ein weit verbreitetes Verfahren zur Wasseraufbereitung. Polyaluminiumchlorid wird in der Wasseraufbereitung als Flockungsmittel eingesetzt und zeichnet sich durch gute Koagulationsleistung, große Flocken, geringe Dosierung, hohe Effizienz, schnelle Fällung und ein breites Anwendungsspektrum aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Flockungsmitteln kann die Dosierung um ein Drittel bis die Hälfte reduziert und die Kosten um 40 % gesenkt werden. In Kombination mit dem Betrieb eines ventillosen Filters und eines Aktivkohlefilters wird die Trübung des Rohwassers deutlich reduziert, die Ablaufqualität der Entsalzungsanlage verbessert und die Austauschkapazität des Entsalzungsharzes erhöht, wodurch die Betriebskosten sinken.