01

絮凝劑的作用機(jī)理

 

1、凝聚

凝聚：主要是指膠體脫穩(wěn)并生成微小聚集體的過程。凝聚的作用機(jī)理一般有：壓縮雙電子層、吸附—電性中和、吸附架橋作用、網(wǎng)捕—卷掃作用四種解釋。

（1）壓縮雙電層作用

根據(jù)DLVO理論，加入含有高價(jià)態(tài)正電荷離子的電解質(zhì)時(shí)，高價(jià)態(tài)正離子通過靜電引力進(jìn)入到膠體顆粒表面，置換出原來的低價(jià)正離子，這樣雙電層仍然保持電中性，但正離子的數(shù)量卻減少了，也就是雙電層的厚度變薄，膠體顆粒滑動(dòng)面上的ξ電位降低。

當(dāng)ξ電位降至0時(shí)，稱為等電狀態(tài)，此時(shí)排斥勢(shì)壘完全消失。

ξ電位降至某一數(shù)值使膠體顆?？倓?shì)能曲線上的勢(shì)壘E_max=0，膠體顆粒即發(fā)生聚集作用，此時(shí)的ξ電位稱為臨界電位ξ_k。

（2）吸附—電性中和

膠體顆粒表面吸附異號(hào)離子、異號(hào)膠體顆?；驇М愄?hào)電荷的高分子，從而中和了膠體顆粒本身所帶部分電荷，減少了膠粒間的靜電引力，使膠體顆粒更易于聚沉。

驅(qū)動(dòng)力包括靜電引力、氫鍵、配位鍵和范德華力等?？梢越忉屗幚碇心z體顆粒的再穩(wěn)定現(xiàn)象。

（3）吸附架橋作用

分散體系中的膠體顆粒通過吸附有機(jī)物或無機(jī)高分子物質(zhì)架橋連接，凝集為大的聚集體而脫穩(wěn)聚沉。分為長(zhǎng)鏈高分子架橋和短距離架橋。

三種類型：

①膠粒與不帶電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生架橋，涉及范德華力、氫鍵、配位鍵等吸附力。

②膠粒與帶異號(hào)電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生架橋，除范德華力、氫鍵、配位鍵外，還有電中和作用。

③膠粒與帶同號(hào)電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生架橋，“靜電斑”作用。

（4）網(wǎng)捕—卷掃作用

投加到水中的鋁鹽、鐵鹽等混凝劑水解后形成較大量的具有三維立體結(jié)構(gòu)的水合金屬氧化物沉淀，當(dāng)這些水合金屬氧化物體積收縮沉降時(shí)，象篩網(wǎng)一樣將水中膠體顆粒和懸濁質(zhì)顆粒捕獲卷掃下來。

網(wǎng)捕—卷掃作用主要是一種機(jī)械作用。

2、絮凝

絮凝：絮凝主要是指脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮物聚集成大的絮凝體的過程。

異向絮凝（Perikinetic flocculation）：由布朗運(yùn)動(dòng)所引起的膠體顆粒碰撞聚集。

布朗運(yùn)動(dòng)隨著顆粒粒徑增長(zhǎng)而逐漸減弱，當(dāng)粒徑增長(zhǎng)到一定尺寸，布朗運(yùn)動(dòng)不再起作用。

同向絮凝（orthokinetic flocculation）：由外力（攪拌）推動(dòng)所引起的膠體顆粒碰撞聚集。

膠體顆粒在外力作用下向某一方向運(yùn)動(dòng)，由于不同膠粒存在速度差，依此完成顆粒的碰撞聚集。

3、混凝

混凝：既有凝聚作用（膠體脫穩(wěn)）又有絮凝作用（脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮物聚集）的，是凝聚、絮凝兩個(gè)過程的總稱。是水中膠體粒子及微小懸浮物的聚集過程。

也就是說，“混凝”包含了從原水投藥到水混合、藥反應(yīng)（脫穩(wěn)、絮凝）再到形成大顆粒的絮凝物的整個(gè)過程。而絮凝是指膠體顆粒脫穩(wěn)后，從形成微小絮凝物形成大絮體的階段。

 

 

02

常用絮凝劑的分類

 

絮凝劑是能夠降低或消除水中分散微粒的沉淀穩(wěn)定性和聚合穩(wěn)定性，使分散微粒凝聚、絮凝成聚集體而除去的一類物質(zhì)。

按照化學(xué)成分，絮凝劑可分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑以及微生物絮凝劑三大類。

（1）無機(jī)絮凝劑

無機(jī)絮凝劑按金屬鹽可分為鋁鹽系及鐵鹽系兩大類，鋁鹽以硫酸鋁、氯化鋁為主，鐵鹽以硫酸鐵、氯化鐵為主。后來在傳統(tǒng)的鋁鹽和鐵鹽的基礎(chǔ)上發(fā)展合成出聚合硫酸鋁、聚合硫酸鐵等新型的水處理劑，它的出現(xiàn)不僅降低了處理成本，而且提高了功效。最常用的為PAC（聚合氯化鋁）、PFS（聚合硫酸鐵）易容于水，具有一定的腐蝕性。可以以溶液形式投加，也可以以顆粒形式投加。

改性的單陽離子無機(jī)絮凝劑：除常用的聚鋁、聚鐵外，還有聚活性硅膠及其改性品，如聚硅鋁(鐵)、聚磷鋁(鐵)。

改性的目的是引入某些高電荷離子以提高電荷的中和能力，引入羥基、磷酸根等以增加配位絡(luò)合能力，從而改變絮凝效果，其可能的原因是：某些陰離子或陽離子可以改變聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及分布，或者是兩種以上聚合物之間具有協(xié)同增效作用。

（2）有機(jī)高分子絮凝劑

一般為天然或人工合成的有機(jī)高分子物質(zhì)。有機(jī)高分子絮凝劑為有一定線形長(zhǎng)度的高分子有機(jī)聚合物，其種類很多，按來源可分為天然和人工合成兩大類。在水處理中，人工合成的日益增多并居主要地位。天然產(chǎn)物多屬于蛋白質(zhì)或多糖類化合物，如動(dòng)物膠、淀粉、藻朊酸鈉等。人工合成的有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚乙烯亞胺等，大都可電離。根據(jù)其可離解基團(tuán)特性，可分為陰離子型、陽離子型、兩性等類型，其鏈狀分子可以發(fā)揮架橋作用，分子上的荷電基團(tuán)則發(fā)揮電中和的擴(kuò)散層壓縮作用。由于價(jià)格較高，常用于一些特殊用途，如用于處理含高濃度、高渾濁、高色度、特殊嗅味廢水的絮凝。

其中最常用的PAM（聚丙烯酰胺），可溶于水，但溶解速度很慢，一般先配制成溶液后投加。分為陰離子型和陽離子型。陰離子型一般用于污水絮凝劑，陽離子型一般用于污泥脫水。PAM易吸水潮解成塊，保存地點(diǎn)必須干燥。

（3）微生物絮凝劑

微生物絮凝劑是一類由微生物或其分泌物產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，它是利用微生物技術(shù)，通過細(xì)菌、真菌等微生物發(fā)酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、無毒、無二次污染的水處理劑。由于微生物絮凝劑可以克服無機(jī)高分子和合成有機(jī)高分子絮凝劑本身固有的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)無污染排放，因此微生物絮凝劑的研究正成為當(dāng)今世界絮凝劑方面研究的重要課題。

微生物絮凝劑主要包括利用微生物細(xì)胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑、直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑。微生物產(chǎn)生的絮凝劑物質(zhì)為糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、DNA等高分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量在10⁵以上。

在利用微生物絮凝劑進(jìn)行污、廢水的處理過程中，倘若對(duì)微生物絮凝劑的凈水機(jī)理缺乏正確的認(rèn)識(shí)，則往往會(huì)造成許多不必要的損失，例如利用微生物絮凝劑處理相同電荷的污水，不僅會(huì)帶來絮凝劑的過度浪費(fèi)，還不能取得較為理想的處理效果；再如忽略了微生物絮凝劑的最佳投加量，造成絮凝劑的過量投加或投加不足，往往也不能取得較好的處理效果。限于條件及技術(shù)的限制，到目前為止，人們對(duì)微生物絮凝劑的絮凝機(jī)理尚缺少一個(gè)較為清楚的解釋。現(xiàn)今人們對(duì)微生物絮凝劑的作用機(jī)理存在著多種假說，包括：以生枝動(dòng)膠菌可積累聚羥基丁酸為依據(jù)的PHB聚合學(xué)說；以胞外纖維絲可聚合形成絮凝物為基礎(chǔ)的菌外纖絲纖維素學(xué)說，此外還有But-terfield提出的粘質(zhì)假說、Strantford提出的病毒假說以及吸附架橋?qū)W說和電性中和學(xué)說等。

 

03

影響絮凝劑使用的因素

 

1、水的pH值

水的pH值對(duì)無機(jī)絮凝劑的使用效果影響很大，pH值的大小關(guān)系到選用絮凝劑的種類、投加量和混凝沉淀效果。水中的H⁺和OH^-參與絮凝劑的水解反應(yīng)，因此，pH值強(qiáng)烈影響絮凝劑的水解速度、水解產(chǎn)物的存在形態(tài)和性能。

以通過生成Al(OH)₃帶電膠體實(shí)現(xiàn)混凝作用的鋁鹽為例，當(dāng)pH值＜4時(shí)，Al³⁺不能大量水解成Al(OH)₃，主要以Al³⁺離子的形式存在，混凝效果極差。pH值在6.5～7.5之間時(shí)，Al³⁺水解聚合成聚合度很大的Al(OH)₃中性膠體，混凝效果較好。pH值＞8后，Al³⁺水解成AlO₂^-，混凝效果又變得很差。

水的堿度對(duì)pH值有緩沖作用，當(dāng)堿度不夠時(shí)，應(yīng)添加石灰等藥劑予以補(bǔ)充。當(dāng)水的pH值偏高時(shí)，則需要加酸調(diào)整pH值到中性。相比之下，高分子絮凝劑受pH值的影響較小。

2、水溫

水溫影響絮凝劑的水解速度和礬花形成的速度及結(jié)構(gòu)。混凝的水解多是吸熱反應(yīng)，水溫較低時(shí)，水解速度慢且不完全。

低溫情況下，水的粘度大，布朗運(yùn)動(dòng)減弱，絮凝劑膠體顆粒與水中雜質(zhì)顆粒的碰撞次數(shù)減少，同時(shí)水的剪切力增大，阻礙混凝絮體的相互粘合。因此，盡管增加了絮凝劑的投加量，絮體的形成還是很緩慢，而且結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小，難以去除。

低溫對(duì)高分子絮凝劑的影響較小。但要注意的是，使用有機(jī)高分子絮凝劑時(shí)，水溫不能過高，高溫容易使有機(jī)高分子絮凝劑老化甚至分解生成不溶性物質(zhì)，從而降低混凝效果。

3、水中雜質(zhì)成分

水中雜質(zhì)顆粒大小參差不齊對(duì)混凝有利，細(xì)小而均勻會(huì)導(dǎo)致混凝效果很差。

雜質(zhì)顆粒濃度過低往往對(duì)混凝不利，此時(shí)回流沉淀物或投加助凝劑可提高混凝效果。水中雜質(zhì)顆粒含有大量有機(jī)物時(shí)，混凝效果會(huì)變差，需要增加投藥量或投加氧化劑等起助凝作用的藥劑。

水中的鈣鎂離子、硫化物、磷化物一般對(duì)混凝有利，而某些陰離子、表面活性物質(zhì)對(duì)混凝有不利影響。

4、絮凝劑選擇

絮凝劑的選擇主要取決于水中膠體和懸浮物的性質(zhì)及濃度。

如果水中污染物主要呈膠體狀態(tài)，則應(yīng)首選無機(jī)絮凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如果絮體細(xì)小，則需要投加高分子絮凝劑或配合使用活化硅膠等助凝劑。

很多情況下，將無機(jī)絮凝劑與高分子絮凝劑聯(lián)合使用，可明顯提高混凝效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。對(duì)于高分子而言，鏈狀分子上所帶電荷量越大，電荷密度越高，鏈越能充分伸展，吸附架橋的作用范圍也就越大，混凝效果會(huì)越好。

5、絮凝劑投加量

使用混凝法處理任何廢水，都存在最佳絮凝劑和最佳投藥量，通常都要通過試驗(yàn)確定，投加量過大可能造成膠體的再穩(wěn)定。

一般普通鐵鹽、鋁鹽的投加范圍是10～100mg/L，聚合鹽為普通鹽投加量的1/2～1/3，有機(jī)高分子絮凝劑的投加范圍是1～5mg/L。

6、絮凝劑投加順序

當(dāng)使用多種絮凝劑時(shí)，需要通過試驗(yàn)確定最佳投加順序。一般來說，當(dāng)無機(jī)絮凝劑與有機(jī)絮凝劑并用時(shí)，應(yīng)先投加無機(jī)絮凝劑，再投加有機(jī)絮凝劑。

而處理雜質(zhì)顆粒尺寸在50μm以上時(shí)，常先投加有機(jī)絮凝劑吸附架橋，再投加無機(jī)絮凝劑壓縮雙電層使膠體脫穩(wěn)。

7、水力條件

在混合階段，要求絮凝劑與水迅速均勻地混合，而到了反應(yīng)階段，既要?jiǎng)?chuàng)造足夠的碰撞機(jī)會(huì)和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長(zhǎng)機(jī)會(huì)，又要防止已生成的小絮體被打碎，因此攪拌強(qiáng)度要逐步減小，反應(yīng)時(shí)間要足夠長(zhǎng)。