一、引言

随着制药工业的快速发展，制药废水的排放量日益增加。制药废水成分复杂，含有大量有机污染物、药物残留以及重金属等有害物质，若未经有效处理直接排放，将对环境造成严重污染。山西作为我国的能源和工业基地，重金属污染问题也较为突出，尤其是在一些矿产资源开发和工业生产密集区域，重金属废水的治理需求迫切。

碱式氯化铝（BAC）是一种高效无机高分子絮凝剂，具有絮凝效果好、成本低、适用范围广等优点，在水处理领域得到了广泛应用。传统的 BAC 制备通常以铝土矿、盐酸等为原料，但会消耗大量的矿产资源且产生一定的环境污染。利用制药废水中的铝资源制备 BAC，不仅可以实现制药废水的资源化利用，还能为重金属废水处理提供一种潜在的高效絮凝剂，具有重要的环境意义和经济价值。

二、制药废水特性分析

制药废水来源于制药生产过程中的多个环节，其水质特点因制药工艺和产品类型的不同而有所差异。一般来说，制药废水具有以下特征：

1. 成分复杂：含有多种有机药物成分、中间体、溶剂、添加剂等，这些有机物种类繁多、结构复杂，难以降解。

2. 含有大量铝盐：部分制药工艺中使用铝盐作为原料或催化剂，使得废水中铝离子含量较高，这为基于制药废水制备碱式氯化铝提供了铝源基础。

3. 水质水量波动大：制药生产过程的间歇性和产品种类的变化导致废水的水质水量不稳定，给处理带来一定难度。

4. 可能含有重金属：某些制药原料或辅料中可能含有重金属杂质，或者在生产过程中引入重金属离子，如汞、镉、铅、铬等，进一步增加了废水处理的复杂性。

对山西地区制药企业的废水进行采样分析，发现其铝离子含量在一定范围内波动，平均浓度约为[X]mg/L，同时伴有不同程度的重金属污染，重金属种类主要包括铜、锌、镍、镉等，浓度水平从痕量到数毫克每升不等。这种废水特性为后续碱式氯化铝的制备及重金属处理应用研究提供了实际依据。

三、基于制药废水的碱式氯化铝制备

（一）制备原理

利用制药废水中的铝离子与加入适量的盐酸反应，控制反应条件使铝离子水解聚合形成碱式氯化铝。主要反应如下：

\[Al^{3+}+ 3H_2O \rightleftharpoons Al(OH)_3 + 3H^+\]

\[Al(OH)_3 + HCl \rightleftharpoons Al(OH)_{2}^+ + Cl^-\]

通过调节反应体系的 pH 值、温度、反应时间以及盐酸加入量等因素，可以控制水解聚合程度，得到不同碱化度的碱式氯化铝产品。

（二）制备工艺

1. 预处理：将采集的制药废水经过过滤、沉淀等预处理步骤，去除其中的悬浮物、大颗粒杂质以及部分有机物，以免影响后续反应。

2. 酸溶反应：向预处理后的废水中缓慢加入一定浓度的盐酸，在搅拌条件下使铝离子充分溶解并与盐酸反应。控制盐酸加入速度，避免局部酸度过高导致反应剧烈难以控制。反应温度维持在[X]℃左右，反应时间约[X]小时，确保铝离子的溶解和初步水解。

3. 水解聚合：在酸溶反应完成后，逐渐升高温度至[X]℃，并保持搅拌，促进铝离子的水解聚合反应。在此过程中，通过加入适量的碱液（如氢氧化钠溶液）调节反应体系的 pH 值，使 pH 值控制在[X]范围内，以利于形成碱式氯化铝聚合物。持续反应[X]小时左右，直至反应体系稳定，得到碱式氯化铝液体产品。

4. 干燥固化：将制备好的碱式氯化铝液体在[X]℃下干燥固化，得到固体碱式氯化铝产品。对产品进行粉碎、筛分，得到不同粒径的 BAC 产品，便于储存和使用。

（三）产品表征与性能测试

1. 外观与形态：所制备的碱式氯化铝产品为淡黄色或无色固体粉末，颗粒均匀度较好。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，其表面呈多孔结构，这种结构有利于增加比表面积，提高吸附和絮凝性能。

2. 化学成分分析：采用化学滴定法测定产品中的氧化铝含量、盐基度等指标。经测定，氧化铝含量达到[X]%以上，盐基度在[X]%左右，符合碱式氯化铝的产品标准要求。

3. 絮凝性能测试：以高岭土模拟水样进行絮凝性能测试，考察不同投加量、pH 值条件下 BAC 的絮凝效果。结果表明，在最佳投加量[X]mg/L 和适宜 pH 值范围内，BAC 对高岭土悬浊液的浊度去除率可达[X]%以上，表现出良好的絮凝性能。

四、碱式氯化铝在山西地区重金属处理应用

（一）重金属废水来源与特点

山西地区的重金属废水主要来源于有色金属冶炼、电镀、矿产开采、化工等行业。这些废水中含有铜、锌、镍、镉、铅、铬等重金属离子，具有毒性大、难降解、易在生物体内富集等特点，对生态环境和人体健康构成严重威胁。不同行业的重金属废水水质差异较大，例如电镀废水通常含有较高浓度的铬、镍、铜等重金属，且酸碱度变化大；有色金属冶炼废水则含有多种重金属离子的混合溶液，成分复杂。

（二）处理实验方法

采集山西地区典型重金属废水样品，分别加入到一系列烧杯中，每个烧杯中加入适量制备的碱式氯化铝絮凝剂，搅拌均匀后调节 pH 值至适宜范围，然后在搅拌条件下进行絮凝反应。絮凝反应结束后，取上清液用原子吸收光谱法或 ICP-MS 法测定重金属离子浓度，计算重金属去除率。同时，观察絮凝沉淀的形成情况、沉淀体积以及水质的变化情况。

（三）处理效果与影响因素

1. 重金属去除效果：实验结果表明，碱式氯化铝对山西地区重金属废水中的铜、锌、镍、镉、铅等重金属离子均有较好的去除效果。在最佳投加量和反应条件下，铜离子去除率可达[X]%以上，锌离子去除率约为[X]%，镍离子去除率为[X]%，镉离子去除率能达到[X]%，铅离子去除效果也较为显著，去除率在[X]%左右。对于铬离子，在一定条件下也有较高的去除率，但受废水初始铬价态和酸碱度影响较大。

2. 影响因素分析

- 投加量：投加量不足时，絮凝剂无法与重金属离子充分作用，去除效果不佳；投加量过大，不仅会增加成本，还可能导致水体中残留铝离子浓度过高，产生二次污染。通过实验确定不同重金属废水对应的最佳投加量范围，一般在[X] - [X]mg/L 之间。

- pH 值：pH 值对碱式氯化铝的絮凝性能和重金属离子的存在形态有重要影响。在酸性条件下，碱式氯化铝的水解受到抑制，絮凝效果较差；而在碱性过强时，铝离子易形成氢氧化铝沉淀，导致絮凝剂失效。对于山西地区重金属废水，适宜的 pH 值范围约为[X] - [X]，在此范围内，碱式氯化铝能有效发挥絮凝作用，促进重金属离子的去除。

- 搅拌条件：搅拌速度和时间影响絮凝剂与废水的混合程度以及絮体的成长和沉淀效果。快速搅拌可使絮凝剂迅速分散于水中，与重金属离子充分接触；慢速搅拌则有利于絮体的形成和长大。一般采用先快速搅拌[X]分钟，再慢速搅拌[X]分钟的搅拌程序，可取得较好的处理效果。

- 水温：水温会影响碱式氯化铝的水解反应速率和絮凝效果。水温较低时，水解反应缓慢，絮凝效果相对较差；水温较高时，反应速率加快，但可能使絮体结构松散，沉淀性能变差。在实际处理中，应根据实际情况适当调整处理工艺参数以适应水温变化。

（四）处理机制探讨

碱式氯化铝处理重金属废水的主要机制包括吸附电中和、絮凝沉淀和共沉淀作用。

1. 吸附电中和：碱式氯化铝在水中水解产生大量带正电荷的铝羟基络合物，这些络合物