絮凝劑是怎么工作的？看完你就知道了

現在的水處理中絮（混）凝劑的應用很普遍了，但是很多同行對絮（混）凝劑的作用機理普遍不是太了解或者了解的比較片面，這篇文章會(huì )全面解析絮（混）凝劑的作用機理——混凝是凝聚和絮凝的總稱(chēng)，這里介紹一下絮凝劑的作用機理。

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絮凝劑的作用機理

1、凝聚

凝聚：主要是指膠體脫穩并生成微小聚集體的過(guò)程。凝聚的作用機理一般有：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(guò)靜電引力進(jìn)入到膠體顆粒表面，置換出原來(lái)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ξ電位降至0時(shí)，稱(chēng)為等電狀態(tài)，此時(shí)排斥勢壘完全消失。

ξ電位降至某一數值使膠體顆粒總勢能曲線(xiàn)上的勢壘Emax=0，膠體顆粒即發(fā)生聚集作用，此時(shí)的ξ電位稱(chēng)為臨界電位ξk。

（2）吸附—電性中和

膠體顆粒表面吸附異號離子、異號膠體顆粒或帶異號電荷的高分子，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。

驅動(dòng)力包括靜電引力、氫鍵、配位鍵和范德華力等。可以解釋水處理中膠體顆粒的再穩定現象。

（3）吸附架橋作用

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

三種類(lèi)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構的水合金屬氧化物沉淀，當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(lái)。

網(wǎng)捕—卷掃作用主要是一種機械作用。

2、絮凝

絮凝：絮凝主要是指脫穩的膠體或微小懸浮物聚集成大的絮凝體的過(guò)程。

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

布朗運動(dòng)隨著(zhù)顆粒粒徑增長(cháng)而逐漸減弱，當粒徑增長(cháng)到一定尺寸，布朗運動(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）又有絮凝作用（脫穩的膠體或微小懸浮物聚集）的，是凝聚、絮凝兩個(gè)過(guò)程的總稱(chēng)。是水中膠體粒子及微小懸浮物的聚集過(guò)程。

也就是說(shuō)，“混凝”包含了從原水投藥到水混合、藥反應（脫穩、絮凝）再到形成大顆粒的絮凝物的整個(gè)過(guò)程。而絮凝是指膠體顆粒脫穩后，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(lèi)

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

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

（1）無(wú)機絮凝劑

無(wú)機絮凝劑按金屬鹽可分為鋁鹽系及鐵鹽系兩大類(lèi)，鋁鹽以硫酸鋁、氯化鋁為主，鐵鹽以硫酸鐵、氯化鐵為主。后來(lái)在傳統的鋁鹽和鐵鹽的基礎上發(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(yáng)離子無(wú)機絮凝劑：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(yáng)離子可以改變聚合物的形態(tài)結構及分布，或者是兩種以上聚合物之間具有協(xié)同增效作用。

（2）有機高分子絮凝劑

一般為天然或人工合成的有機高分子物質(zhì)。有機高分子絮凝劑為有一定線(xiàn)形長(cháng)度的高分子有機聚合物，其種類(lèi)很多，按來(lái)源可分為天然和人工合成兩大類(lèi)。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(lèi)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。根據其可離解基團特性，可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、兩性等類(lèi)型，其鏈狀分子可以發(fā)揮架橋作用，分子上的荷電基團則發(fā)揮電中和的擴散層壓縮作用。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(yáng)離子型。陰離子型一般用于污水絮凝劑，陽(yáng)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(lèi)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(guò)細菌、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(wú)毒、無(wú)二次污染的水處理劑。由于微生物絮凝劑可以克服無(wú)機高分子和合成有機高分子絮凝劑本身固有的缺陷，最終實(shí)現無(wú)污染排放，因此微生物絮凝劑的研究正成為當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胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑、直接利用微生物細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(guò)程中，倘若對微生物絮凝劑的凈水機理缺乏正確的認識，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(lái)絮凝劑的過(guò)度浪費，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(guò)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，人們對微生物絮凝劑的絮凝機理尚缺少一個(gè)較為清楚的解釋。現今人們對微生物絮凝劑的作用機理存在著(zhù)多種假說(shuō)，包括：以生枝動(dòng)膠菌可積累聚羥基丁酸為依據的PHB聚合學(xué)說(shuō)；以胞外纖維絲可聚合形成絮凝物為基礎的菌外纖絲纖維素學(xué)說(shuō)，此外還有But-terfield提出的粘質(zhì)假說(shuō)、Strantford提出的病毒假說(shuō)以及吸附架橋學(xué)說(shuō)和電性中和學(xué)說(shuō)等。

03

影響絮凝劑使用的因素

1、水的pH值

水的pH值對無(wú)機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(lèi)、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，因此，pH值強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(guò)生成Al(OH)3帶電膠體實(shí)現混凝作用的鋁鹽為例，當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pH值有緩沖作用，當堿度不夠時(shí)，應添加石灰等藥劑予以補充。當水的pH值偏高時(shí)，則需要加酸調整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構。混凝的水解多是吸熱反應，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，布朗運動(dòng)減弱，絮凝劑膠體顆粒與水中雜質(zhì)顆粒的碰撞次數減少，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，而且結構松散、顆粒細小，難以去除。

低溫對高分子絮凝劑的影響較小。但要注意的是，使用有機高分子絮凝劑時(shí)，水溫不能過(guò)高，高溫容易使有機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混凝有利，細小而均勻會(huì )導致混凝效果很差。

雜質(zhì)顆粒濃度過(guò)低往往對混凝不利，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、磷化物一般對混凝有利，而某些陰離子、表面活性物質(zhì)對混凝有不利影響。

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)，則應首選無(wú)機絮凝劑使其脫穩凝聚，如果絮體細小，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(wú)機絮凝劑與高分子絮凝劑聯(lián)合使用，可明顯提高混凝效果，擴大應用范圍。對于高分子而言，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(guò)試驗確定，投加量過(guò)大可能造成膠體的再穩定。

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，有機高分子絮凝劑的投加范圍是1～5mg/L。

6、絮凝劑投加順序

當使用多種絮凝劑時(shí)，需要通過(guò)試驗確定最佳投加順序。一般來(lái)說(shuō)，當無(wú)機絮凝劑與有機絮凝劑并用時(shí)，應先投加無(wú)機絮凝劑，再投加有機絮凝劑。

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

7、水力條件

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