水質參數對聚氯化鋁之混凝機制的影響

使用 PACl 當混凝劑時有三個特性(Dentel, 1991)：(1)多核鋁鹽物種的形 成不受 pH 及溫度的限制(2)多核鋁鹽狀態穩定不易再水解(3)比固體 物有更大的比表面積，用於吸附表面帶負電的顆粒時，其電性中和效 果相當良好。

Annaduraiet al. (2003)指出，2001 年 9 月侵襲台灣的納莉颱風所造 成之高濁度原水，其實驗結果顯示，加入PACl 之後，最低的殘餘濁 度值出現在pH 為 6.7~7.2 之間；而在原水濁度為 100 及 200 NTU 時，

最佳的混凝劑量範圍分別是92~102 ppm 及 103~113 ppm，且此時最 佳混凝劑量與原水濁度成線性正相關。此研究同時指出，原水的pH、

濁度及鹼度，與PACl 的劑量是做實驗時最需考量的因素。

而實際的混凝過程中，PACl 會受各種水質因素影響，生成不同的 水解鋁物種並導致不同的混凝機制，其中以pH 及鹼度影響最為顯著。

(1) pH

PACl 在酸性環境下作用時，其中的優勢物種為單體鋁 Al³⁺，它 產生的聚集體較小，混凝機制主要以 Al³⁺與少量的 Al137+來進行吸附 及電性中和；隨著pH 值增加，Al³⁺水解成AlOH²⁺及Al(OH)2+的比例 會越來越高，而混凝機制會轉變成以 Al137+的電性中和及稍後生成的 Alc進行沉澱掃除(Wang et al., 2004)。

的顆粒，雖然它仍有沉澱掃除的作用，但因其帶負電荷，所以若無足 夠的 Al137+使其電位成中性的話，則顆粒表面會呈現靜電穩定，不易 聚集，反而降低了混凝效果^{(陳， 2005)}。

由以上可知，pH 能影響鋁鹽的水解狀況，產生不同的物種，進 而影響顆粒去穩定的機制，因此需就pH 值的變化所導致鋁鹽混凝劑 產生不同的水解物種作進一步探討。

Hu et al. (2006)提出，以 AlCl3及2 種不同 Al137+比例的PACl 為 混凝劑處理含有營養源的天然水體，實驗結果顯示，在最佳加藥量 時，3 種混凝劑均以沉澱掃除為最有效的機制，且在酸性及鹼性的水 質條件之下，PACl 當中的 Al137+含量越高則其去除效率越好，然而在 中性 pH 範圍時，AlCl3對於濁度及溶解性有機物的去除效率較 PACl 佳，原因為AlCl3投藥後尚可控制pH 值在最佳混凝條件之下，在 5 <

pH < 7 時，AlCl3當中的Ala能轉化成最多的Al137+，所以此時形成最 適混凝情況的因素不是混凝劑種類，而是投藥後所造成的pH 值。

Yanet al. (2007)則提出，以AlCl3及多種不同鹽基比的PACl為混凝 劑，對天然水體進行試驗，結果顯示，PACl當中的γ值越高則能預先 生成越穩定的水解鋁物種，而此水解過程受水體的pH影響。在中性 及鹼性環境之下，PACl當中的γ值越高則能預先生成越多的Alb，有助 於去除濁度；在酸性環境下，則γ值要越低才能預先生成較多的Alb。

Xiaoet al. (2008)指出，在中性 pH 範圍內，混凝機制除了 Alb的 電性中和之外，PACl 水解後會迅速形成 Al(OH)3的膠體，此時優勢 物種為Alc並形成沉澱掃除，而電性中和及顆粒再穩定現象是有可能 會在沉澱掃除的過程中同時存在的，所以主張Al(OH)3是最佳的水解 鋁物種，其操作條件接近pH 中性時的效果較好。

Lin (2008)指出各種 PACl 的鋁型態分佈，及其水解物種在不同 pH 與加藥量之下，對 PACl 混凝行為的影響；其實驗使用 3 種不同的 PACl， 以 Ala(單體鋁)及 Alc(Al(OH)3)為主成分的 PACl-C、Alb含量 高的PACl-E 以及幾乎都是 Alb的高純度聚氯化鋁(PACl-Al13)。結果顯 示，在 pH 為中性時，以 PACl-C 進行混凝作用，不論加藥量高低，

主要以沉澱的 Al(OH)3來形成膠羽。在鹼性環境之下，因 PACl-E 的 Al137+含量高，所以混凝機制主要是靠Al137+的聚集體進行電性中和及 電性補釘(electrostatic patch)。另外，在鹼性的作用環境之下，若加藥 量低，則 PACl-Al13對顆粒的去穩定機制以電性補釘最為明顯，加藥 量足夠的話，由於 Al137+吸附顆粒，會形成帶有電中性的聚集體，而 使顆粒間產生以架橋作用為主的混凝機制。

Yanet al. (2008)亦指出，PACl在中性或鹼性範圍內的濁度去除效 率較好，且在此pH條件下，γ值越高，去除效率就越好；但在酸性環 境之下，使用高γ值的PACl，當pH值降到5.8~6.5時，殘濁值會升高，

此時意味著顆粒發生再穩定現象，所以使用此種類的PACl會發現，

當pH降低，RT值反而會升高，此時需調降γ值才有助於在酸性環境中 去除濁度。

簡而言之，不管是在中性或鹼性pH值下，只要PACl具有高鹽基 比，能產生大量Alb，則其濁度去除效率會較好，但是若在酸性條件 下，則需降低γ值才有助於PACl水解生成Alb(Yan et al., 2007)，增加濁度去 除效率。所以PACl在顆粒去穩定及混凝過程中所扮演的角色不只受預 水解物種影響，包括物種的形成過程也會干擾PACl的濁度去除能力。

另外，在許多文獻中，鹼度常同時與pH 值被提出來討論混凝機 制及去除效率，而以上研究均顯示，原水中要有適當的鹼度才能使 PACl 產生最佳的水解狀態，進而發揮最大的沉澱功效，因此也須就 鹼度進行探討。

(2) 鹼度

鹼度能影響多種混凝劑的水解過程及混凝效率，原水的鹼度越高 代表其[OH^–]越多，而混凝劑水解出的金屬離子會消耗原水的鹼度，

所以隨著混凝劑量的增加，其pH 值下降的趨勢越明顯。

鹼度的消耗也跟PACl 的 γ 值有關，高 γ 值的 PACl 消耗較少的鹼 度，所以投藥的PACl 之 γ 值越低，則水體的 pH 值下降得越多。

傳統的鋁鹽混凝劑以電性中和為主要機制，增加鹼度有助其形成 沉澱掃除，雖然 PACl 相較於傳統的鋁鹽混凝劑而言，在高 γ 值的條 件下較不易受鹼度影響，但提高鹼度仍有助於增進混凝的效果，因為 此時能以Alb的電性中和能力來消耗混凝劑，當 γ >2 時其電性中和的 能力更好，去穩定的效果更佳，可使其發揮最大效用。

Huet al. (2006)提出，以AlCl3及2種不同Al137+比例的PACl為混凝 劑，處理含有營養源的天然水體，實驗結果顯示，對於PACl來說，水 體中鹼度越高則需越多混凝劑量，使加藥後的pH能下降到適當範 圍，產生最佳混凝效果。

Yeet al. (2007)提出，PACl 在適當的鹽基比條件下會水解出大量 Al137+，它的電性中和能力很強，這些預先水解出的鋁物種在混凝加 藥後仍相當穩定，所以還能形成電性補釘的機制，而增加鹼度能提升 電性中和及電性補釘的混凝效果。鹼度較低時，PACl 之中的 Alb會產

生電性補釘機制，其濁度去除效率較電性中和為優，所以此研究認為 電性補釘機制更適用於混凝過程。

劉 (2008)引用台灣自來水公司研究報告，指出因台灣各淨水廠 使用之PACl的聚合鋁含量普遍不高，Alb只佔15%至20%上下，而Ala

大多佔40%至55%左右，剩下的就是Alc，所以混凝機制仍以沉澱掃除 為主，其最適pH條件為中性；高純度PACl在鹼性環境下能產生較多 的Al137+聚合體，此時混凝機制以電性中和為佳，不過因原水濁度低，

所以電性中和的機制並不顯著，若要以高純度PACl來處理則需足夠鹼 度及混凝劑量，而使用一般的PACl則主要是藉由單體鋁在pH中性之 下，水解成Al(OH)3，與顆粒結合形成膠羽，以沉澱掃除來去除濁度。

其結論為，不論劑量多寡，在pH值為7，使顆粒表面達到電中性時的 混凝效果最好。

Yanet al. (2008)提出，以 AlCl3和不同 γ 值的 PACl 當混凝劑，與 不同鹼度及pH 的天然原水進行試驗，所得的結果顯示，處理高鹼度 原水時，PACl 中的 γ 值越高則其濁度去除效率越好，尤其在低劑量 時就會有立即且良好的混凝效果；在鹼度適中時，低劑量的PACl 之 γ 值越高，其濁度去除效率越好；原水鹼度低且 pH 值為 7.0 時，γ 值 越高的 PACl 對濁度的去除效率最好，此結果與高鹼度的原水大致相 同，然而兩者有所不同的是，在混凝作用上所需PACl 劑量的多寡。

由於低鹼度原水中的顆粒在添加混凝劑超過某一濃度之後，便容 易發生再穩定現象，因此同劑量之下，PACl 的 γ 值越高則其殘餘濁 度值反而越高；在原水呈現酸性，pH 為 5.5 時，使用適量或稍多之 低γ 值的 PACl，其濁度去除效率比較好，但此時效果最好的混凝劑 並非為PACl，而是 AlCl3(或稱 Al³⁺)。

以上可知，Al137+在水解過程中受pH 的影響較輕微，能呈現較高 的穩定性，不易再轉化成其他型態的水解鋁物種，且具有強大的電性 中和能力，是 PACl 當中對於顆粒去穩定較為有效的鋁物種。提高鹼 度有助於 PACl 水解出較多的 Al137+，能增強混凝劑的電性中和及沉 澱掃除機制。

另外，若PACl 的鹽基比低，則會產生較多的單體鋁，適用於 pH 中性偏酸的水體；而鹽基比高的 PACl 會水解生成較多的 Al137+，適 用於鹼性的 pH 環境，但一般來說高鹽基比的 PACl 在鹼性環境之下 的混凝效果較好。