混凝劑在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

[db:作者] / 2022-12-27 00:00

在20世紀(jì)初，用混凝劑進(jìn)行工作的快濾池進(jìn)人給水處理的實(shí)踐中，其運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，混凝劑具有很高的消毒能力。從最早使用的天然混凝劑到初級(jí)合成AlCl3、FeSO4·7H2O或硅系列混凝劑，再到現(xiàn)今使用的高聚合類(lèi)混凝劑(如PAC、PFS、PASS、PAM等)，以及即將到來(lái)的生物混凝劑，人類(lèi)使用混凝劑的過(guò)程也會(huì)經(jīng)歷一個(gè)從天然到合成再到天然的循環(huán)。混凝方法也由簡(jiǎn)單的攪拌發(fā)展到精確控制攪拌的各種邊界條件、混凝劑最適應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)而形成許多的混凝理論，在水的凈化處理過(guò)程起著重要的指導(dǎo)作用。

2.1.1 混凝劑的分類(lèi)

目前，混凝劑的品種繁多，按其化學(xué)成分可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)類(lèi)的品種較少，主要是鋁和鐵的鹽類(lèi)及其水解聚合產(chǎn)物，但在水和廢水處理中的用量很大;有機(jī)類(lèi)的品種很多，主要是高分子化合物，又可分為天然的及人工合成的兩部分，但用量不如無(wú)機(jī)類(lèi)大。

2.1.2 混凝劑在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80～90年代，我國(guó)水處理混凝劑的開(kāi)發(fā)主要集中在無(wú)機(jī)高分子絮凝劑(IPF)的復(fù)合與混凝機(jī)理的研究方面，并提出了自己的某些理論，在指導(dǎo)新型混凝劑的開(kāi)發(fā)方面起到了一定的作用。如湯鴻霄在AICl3結(jié)構(gòu)模型方面所做的研究與李圭白在利用KMnO4去除微污染水中的腐殖質(zhì)方面的研究都在國(guó)際上有一定的影響。目前，我國(guó)無(wú)機(jī)混凝劑的品種比較齊全，但天然與人工合成有機(jī)高分子混凝劑相對(duì)國(guó)外而言品種較少。例如，常用的聚合高分子主要是聚丙烯酰胺系列化合物，電荷基本局限于陰離子型及非離子型，而一些發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)論在給水還是在廢水處理中，陽(yáng)離子型不同種類(lèi)的聚合高分子的應(yīng)用均明顯超過(guò)陰離子型及非離子型聚合高分子。我國(guó)水處理混凝劑的研制工作在這方面有待加強(qiáng)。

2.1.3 混凝機(jī)理

化學(xué)混凝所處理的對(duì)象，主要是水中的微小懸浮物和膠體雜質(zhì)。大顆粒的懸浮物由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀的方法除去。但是，微小粒徑的懸浮物和膠體，能在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮的狀態(tài)，即使靜置數(shù)十個(gè)小時(shí)以上，也不會(huì)自然沉降。這是由于膠體顆粒及細(xì)微懸浮顆粒具有“穩(wěn)定性”。

根據(jù)研究，膠體都具有電荷。天然水中的黏土類(lèi)膠體微粒以及污水中的膠原蛋白質(zhì)和淀粉微粒等都帶有負(fù)電荷，它的中心稱(chēng)為膠核。其表面選擇性地吸附了一層帶有同號(hào)電荷的離子，這些離子可以是膠核的組成物直接電離而產(chǎn)生的，也可以是從水中選擇吸附H+或OH-而造成的。這層離子稱(chēng)為膠體微粒的電位離子，它決定了膠體電荷的大小和符號(hào)。由于電位離子的靜電引力，在其周?chē)治搅舜罅康漠愄?hào)離子，形成了所謂的“雙電層”。這些異號(hào)離子，其中緊靠電位離子的部分被牢固地吸引著，當(dāng)膠核運(yùn)行時(shí)，也隨著一起運(yùn)動(dòng)，形成固定的離子層。而其他的異號(hào)離子，離離子電位較遠(yuǎn)，受到的引力較弱，不隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，并有向水中擴(kuò)散的趨勢(shì)，形成了擴(kuò)散層。固定的離子層與擴(kuò)散層之間的交界面稱(chēng)為滑動(dòng)面?；瑒?dòng)面以?xún)?nèi)的部分稱(chēng)為膠粒，膠粒與擴(kuò)散層之間，有一個(gè)電位差。此電位稱(chēng)為膠體的電動(dòng)電位，常稱(chēng)為ξ電位。而膠核表面的電位離子與溶液之間的電位差稱(chēng)為總電位或φ電位。

膠粒在水中受幾方面的影響：①由于上述的膠粒帶電現(xiàn)象，帶相同電荷的膠粒產(chǎn)生靜電斥力，而且ξ電位越高，膠粒間的靜電斥力越大；②受水分子熱運(yùn)動(dòng)的撞擊，微粒在水中作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，即“布朗運(yùn)動(dòng)”；③膠粒之間還存在著引力一范德華引力，范德華引力的大小與膠粒間距的2次方成反比，當(dāng)間距較大時(shí)，此引力可略去不計(jì)。

一般水中的膠粒，ξ電位較高，其相互間斥力不僅與ξ電位有關(guān)，還與膠粒的間距有關(guān)，距離越近，斥力越大。而布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能不足以將兩顆粒推進(jìn)到使范德華引力發(fā)揮作用的距離。因此，膠體微粒不能相互聚結(jié)而長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)。

使膠體微粒不能相互聚結(jié)的另一個(gè)因素是水化作用。由于膠粒帶電，將極性水分子吸引到它的周?chē)纬梢粚铀?。水化膜同樣能阻止膠粒間相互接觸。但是，水化膜是伴隨膠粒帶電而產(chǎn)生的，如果膠粒的ξ電位消除或減弱，水化膜也隨之消失或減弱。

混凝作用過(guò)程是水中膠體粒子聚集的過(guò)程，也就是膠粒成長(zhǎng)的過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程是在混凝劑的水解作用下進(jìn)行的。因此，混凝作用機(jī)理與以下三個(gè)因素有關(guān)：一是膠粒性質(zhì)；二是不同混凝劑在不同條件下的水解產(chǎn)物；三是膠粒與混凝劑水解產(chǎn)物之間的相互作用?；炷齽┧猱a(chǎn)物與膠粒之間的作用有4種，即壓縮雙電層、吸附-電中和作用、吸附架橋作用和卷掃作用。

2.1.3.1壓縮雙電層作用

壓縮雙電層作用是指向水中投加混凝劑，增加反離子濃度，使膠體擴(kuò)散層壓縮，ξ電位降低，排斥勢(shì)能也就隨之降低。當(dāng)混凝劑量繼續(xù)增加、膠粒ξ電位逐漸降至零時(shí)，膠粒間排斥勢(shì)能消失，此點(diǎn)稱(chēng)為“等電點(diǎn)”。按DLVO理論，在等電點(diǎn)狀態(tài)下，膠粒最易發(fā)生凝聚。DLVO理論提出了關(guān)于各種形狀微粒之間的相互吸引能與雙電層排斥能的理論計(jì)算方法，成功解釋了膠體的穩(wěn)定性及其凝聚作用。其缺點(diǎn)在于忽視了水中反離子水解形態(tài)的專(zhuān)屬化學(xué)吸附作用，不能解釋混凝過(guò)程中出現(xiàn)的膠粒改變電性而重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。為此，又提出了其他幾種理論。

2.1.3.2 吸附-電中和作用

用吸附-電中和理論可以解釋高價(jià)混凝劑水解引起的膠體脫穩(wěn)，能夠解釋壓縮雙電層理論所不能說(shuō)明的一些問(wèn)題。高價(jià)混凝劑(如鐵鹽、鋁鹽)在水中經(jīng)水解縮聚而形成的帶正電的高分子物，由于靜電作用，帶負(fù)電的膠粒與帶正電的水解產(chǎn)物之間發(fā)生吸附，產(chǎn)生電性中和，導(dǎo)致膠粒ξ電位降低，最終發(fā)生凝聚。當(dāng)膠粒吸附足夠多正電荷時(shí)，其電性發(fā)生改變，變成正電荷膠體，重新形成穩(wěn)定。

2.1.3.3 吸附-架橋作用

吸附-架橋理論指高分子物質(zhì)對(duì)膠體的強(qiáng)烈吸附，體現(xiàn)在膠粒與膠粒之間的架橋連接作用。Lamer認(rèn)為，當(dāng)高分子鏈的一端吸附了某一膠粒以后，另一端又吸附了另一膠粒，形成“膠粒高分子膠?！钡男跄w。但當(dāng)高分子過(guò)多時(shí)，將產(chǎn)生膠體保護(hù)作用：膠粒表面被高分子全部覆蓋后，兩膠粒接近時(shí)，由于“膠粒膠?！敝g所吸附的高分子受到壓縮變形而具有排斥勢(shì)能，或者由于帶電高分子的相互排斥，膠粒不能凝聚。

2.1.3.4 卷掃作用

卷掃作用是當(dāng)鋁鹽或鐵鹽投加量超過(guò)溶度積時(shí)，會(huì)產(chǎn)生凝絮狀氫氧化物的沉淀。這些凝絮狀氫氧化物具有巨大的網(wǎng)狀表面結(jié)構(gòu)，且?guī)б欢ㄕ姾闪?，具有一定的靜電黏附能力，因而在沉淀物生成過(guò)程中，膠體顆?？赏瑫r(shí)被黏附網(wǎng)捕在沉淀物中而迅速卷掃沉淀?；炷^(guò)程實(shí)際是上述幾種作用機(jī)理綜合作用的結(jié)果，或是在特定水質(zhì)條件下以某種機(jī)理為主?；炷龣C(jī)理不僅取決于所使用混凝劑的物化特性，而且與所處理水質(zhì)特性，如濁度、堿度、pH值以及水中各種無(wú)機(jī)或有機(jī)雜質(zhì)等有關(guān)。

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