【正文】 聚丙烯酰胺 第七章 混凝劑 凝聚劑 +絮凝劑 絮凝劑投配系統(tǒng) 前言 凝聚作用與絮凝作用兩詞均源自拉丁語 。 前者拉丁語“ coagulare”意為聚集 (together)， 即把兩個或多個不同的個體拉攏在一起 。 后者拉丁文 “ flocculare”意為形成絮體 。 就膠體化學(xué)而言 ， 凝聚作用意指加入凝聚劑后 ， 在水溶液中的膠體粒子的穩(wěn)定性遭受破壞 ， 降低了彼此間互相排斥的力量 ， 而形成細小絮體的過程 。 絮凝作用也指粒子的穩(wěn)定性遭受破壞后 ， 借聚合物及攪動能量而彼此接觸 ， 因而形成較大顆粒絮體的過程 。 簡而言之 ， 凝聚作用可稱 電性中和 ， 絮凝作用可稱 架橋反應(yīng) 。 凝聚和絮凝在實際中是很難截然分開的兩種過程和作用 。 含于水中雜質(zhì)的某些性質(zhì) 一般天然水中游離的水分子是很少的 ， 大約只占%， 其存在的形態(tài)絕大部分是數(shù)個分子的集合如(H2O)n。 水分子的兩個氫和一個氧結(jié)合呈現(xiàn)一個非對稱結(jié)構(gòu) ， 這種 非對稱結(jié)構(gòu)使水具有雙極性 ， 因而它易于附著在水中雜質(zhì)的表面上形成 水合層 。 少量的水電離成氫離子和氫氧根離子存在于水中 。 這些離子與水中所含雜質(zhì)相互作用后 ， 使水的性質(zhì)產(chǎn)生了一定的差異 。 水溶液和水中雜質(zhì)的形態(tài) 含于水中的雜質(zhì)有混入或溶解于水中的某些氣體 、液體和固體 ， 其中包括有機物和無機物 。 按膠體化學(xué)的觀點 ， 分散于水中的這些物質(zhì) ， 由于其分散的程度不同可分為三種類型：一為 懸浮液 與 懸濁液 ， 其顆粒直徑大于 m， 這種體系屬于動力學(xué)不穩(wěn)定的 ， 借重力作用終究能沉淀下來 。 其次是 真溶液 ， 其分散相的顆粒直徑小于 1nm， 是單相 、 均衡的 ， 屬于熱力學(xué)穩(wěn)定體系 。 第三是 膠體溶液 ， 其分散相顆粒的大小在 1200nm范圍內(nèi) ， 它介于真溶液的上限和懸浮液的下限之間 ， 不能用一般過濾方法去除 ， 由于顆粒在水中做布朗運動也不能借重力而下沉 ， 它可以是聚集體 ， 也可以是單一的大分子 。 從物理學(xué)觀點看 ， 不論是懸浮體系 、 溶解體系或膠態(tài)體系 ， 其不同之處僅是顆粒的大小不同而已 。 其分類是：粒徑在 m 1mm范圍內(nèi) ， 屬 懸浮體系 ；粒徑 1nm者 ， 屬 溶解體系 ；粒徑在 m范圍內(nèi) ，屬 膠態(tài)體系 。 按國際標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)的規(guī)定 ， 以通過 m的濾膜作為劃分體系的界限 。 從工程設(shè)計上概括起來說 ， 水中的雜質(zhì)可簡單地分為溶存物與不溶解的懸浮物 。 凝聚的機理 在原水的預(yù)處理過程中 ， 向水中投加凝聚劑后其所發(fā)生的凝聚作用是非常復(fù)雜的反應(yīng)過程 ， 它涉及水中分散介質(zhì)的性質(zhì) 、 各種凝聚劑的特性 、 分散介質(zhì)與各種凝聚劑的相互作用條件及它們彼此間的一系列反應(yīng)等 ， 因而凝聚是受物理 、 化學(xué)及動力學(xué)等各方面的作用力所影響的 。 近年來 ， 由于膠體化學(xué)的發(fā)展和高分子聚合物凝聚劑的應(yīng)用 ， 對電中和膠體吸附有了進一步的研究 。因而在凝聚作用的理論上了較趨向一致的看法 ， 即 雙電層壓縮機理 。 雙電層壓縮的作用機理 水中 膠體微粒 一般帶有 負電荷 ， 這可能是由于：它們表面的一些成分溶于水后被水中的一些帶正電離子所置換 ， 使膠體表面產(chǎn)生多余的負電荷；膠體微粒有選擇地吸附了一些負電荷 ， 因而造成它帶負電；有效膠體表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)的基團離解 ， 當(dāng)離解后顯示電性 。 膠體微粒表面帶電荷 ， 必然要吸引水中帶異電荷的離子 。 如膠體帶正電荷 ， 則吸引了水溶液中許多負離子 ， 它們被吸附在微粒的表面上 ， 因而形成了一個固定層 。 這種靜電吸引作用使其在水溶液中產(chǎn)生一種濃度梯度 ， 在 熱運動 及 分散介質(zhì) (水 )的極性 作用下 ，膠體微粒所吸引的這些負離子又有朝向相反方向力圖離開向著 濃度低的水溶液擴散 的趨勢 。 當(dāng)吸引和擴散達到平衡時在其外側(cè)就形成了一個所謂的 擴散層 。固定層的厚度大約是 (23) 107mm，不隨溫度而變化 ， 但擴散層厚度則較大 ， 且隨溫度和其他因素而變化 。這種固定層和擴散層總稱為 “ 雙電層 ” 。 當(dāng)這種顆粒在水中移動 、 兩相之間產(chǎn)生剪切力形成滑動時 ， 滑動面的電位稱為 ζ 電位 。 一般認為擴散層愈厚則 ζ 電位越高 ， 膠體微粒的電荷和膠體微粒間的斥力也越大 ， 因而這種膠體溶液的穩(wěn)定性就大 。 δ 滑動面 電勢 固體 斯特恩面 ζ 電位的高低成為凝聚反應(yīng)好與壞的一個重要因素 。 當(dāng)投加高價電解質(zhì)能使顆粒表面的電荷減小 ， 同時使擴散層受到壓縮 ， 這樣ζ 電位就降低 ， 促進了凝聚 。 對于兩個帶 相同電荷 的微粒 ， 在其擴散層未接觸前兩個微粒并不發(fā)生任何關(guān)系 。 當(dāng)兩個微粒接近到其擴散層重疊時 ， 重疊區(qū)內(nèi)離子將同時受到兩微粒的作用 ， 使離子產(chǎn)生重新分布的趨勢 ， 由于靜電力的不平衡 ， 產(chǎn)生微粒間互相排斥而分離 。 排斥力以排斥勢能來表示 ， 它同微粒間的 距離 以指數(shù)規(guī)律 成反比 。 另一方面 ， 膠體微粒相互接近時 ， 還受到范德華 引力 作用 。 微粒相距愈近 ，雖吸引大 ， 但由于帶同號電荷 ， 斥力也大； 當(dāng)微粒間距離小到粒子間斥力和引力相等時 ， 兩顆粒處于平衡 。 加入電介質(zhì) ， 使排斥勢能降到一定程度 ， 兩微粒就發(fā)生凝聚 。 水中粘土的離子交換容量 水中懸浮膠體微粒與凝聚劑的反應(yīng) ， 是 金屬離子 、凝聚劑水解產(chǎn)生的 高價絡(luò)合離子 與 膠體微粒表面 產(chǎn)生吸附 、 濃縮 ， 降低 膠體微粒 表面電荷 ， 從而發(fā)生 凝聚 。這是金屬離子或絡(luò)合離子與膠體微粒的官能團之間的配位結(jié)合 ， 屬于化學(xué)吸附反應(yīng) ， 并非物理作用 。 利用擴散層壓縮等凝聚理論都難以確切地體現(xiàn)出外加電解質(zhì)的臨界濃度與水中懸濁質(zhì)的量與質(zhì)的關(guān)系 。在實踐中已證明 ， 同樣 濁度 、 pH值 和 堿度 下 ， 在凝聚處理中其所用的 凝聚劑量 也常有所 不同 ， 這主要是懸濁液中的物質(zhì)性質(zhì)不同 ， 導(dǎo)致凝聚的效果也不同 。 如果用 陽離子交換容量 ， 則可體現(xiàn)出懸濁質(zhì)的量與其特性 。 由于水中所含的 膠體物質(zhì)不同 ， 交換能力 也 不同 。Langmuir曾用不同交換容量的粘土進行凝聚試驗 ， 得出以下結(jié)論： (1) 交換容量低 時 ， 需要的 凝聚劑量 也 少 。 但 有效凝聚區(qū) 變 窄 ， 這在實際應(yīng)用中較難控制 。 (2) 如交換容量 高 ， 則 臨界凝聚濃度 也相應(yīng)地 高 ； (3) 如欲投藥量少且能取得最大凝聚效果 ， 則應(yīng)使凝聚劑水解后與膠體微粒的交換容量達到適當(dāng)平衡； (4) 交換容量達到 250μ mol/L 時 ， 才不會有再穩(wěn)出現(xiàn) ，此時控制也容易； 根據(jù)河村勸的實驗 ， 得出幾種不同性質(zhì)的懸濁質(zhì)與其交換容量的關(guān)系為：高嶺土 表土 膠質(zhì)粘土 硅藻土 。 膠質(zhì)粘土 的交換容量為 52mmol/100g。 從其試驗看 ，膠質(zhì)粘土的水雖 凝聚劑用量大 ， 但使用的 有效凝聚范圍也 大 ， 因而運行時安全 。 可見 ， 利用陽離子交換容量可反映出不同性質(zhì)粘土的水在凝聚過程中其交換容量也不同這樣一個量的概念 。水中所含粘土的量與性質(zhì)將直接影響到凝聚效果 。 如果離子交換容量大 ， 用在異向凝聚的過程中 ， 則可取得較好的凝聚效果 。 鋁鹽 自 1884年美國開發(fā)使用 硫酸鋁 (AS)以來 ， 鋁鹽在水處理工業(yè)中占有重要地位 。 到本世紀(jì) 60年代 ， 聚合氯化鋁 (PAC)以其優(yōu)越的凈水性能被廣泛應(yīng)用 。 迄今為止 ，