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混凝
日期：2025-07-15 20:42
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摘要：
混凝
自然沉降不能去除所有的懸浮物和膠體?；炷词峭ㄟ^投加化學(xué)藥劑來破壞膠體和懸浮物在水中形成的穩(wěn)定體系，使其聚集為具有明顯沉降性能的絮凝體，然后用重力沉降法予以分離。
混凝過程包括凝聚和絮凝兩個步驟，凝聚是指使膠體脫穩(wěn)并聚集成微絮粒的過程；絮凝是指微絮粒通過吸附、卷帶和橋連而成長為更大的絮體的過程。凝聚和絮凝統(tǒng)稱為混凝。
一、膠體的穩(wěn)定性和膠體結(jié)構(gòu)
1．膠體的穩(wěn)定性
水中的同種膠體微粒帶有同號電荷，在靜電斥力的作用下，不易相互聚集，具有一定的穩(wěn)定性。
2．膠體的結(jié)構(gòu)
a. 膠核：由數(shù)十個至數(shù)千個不溶于水的分散相
物質(zhì)分子組成的。
b. 膠粒的電位離子：膠核的表面上選擇性地吸
附了—層帶同號電荷的離子；其來源于膠核
表層分子電離，或膠核從水中吸附來的。
---決定了膠粒的帶電符號和電荷多少，構(gòu)
成雙電層的內(nèi)層。
c. 反離子：電位離子層通過靜電作用而吸引的水
中相反電荷的離子，構(gòu)成雙電層的外層。
d. 反離子吸附層：反離子與電位離子之間。當膠
核運動時，它也隨著一起運動。構(gòu)成膠團的固定層。
e. 反離子擴散層：固定層以外。電位離子對其引力較弱，不隨膠核一起運動，并有向水中擴散的趨勢。
f. 膠粒：固定層和擴散層之間的交接面稱為滑動面，滑動面以內(nèi)的部分稱為膠粒。
g. 膠團：膠粒與擴散層一起構(gòu)成了電中性的膠團。
h. 膠體的電動電位（ξ電位）
當膠粒運動時，擴散層中的大部分反離子就會脫離膠團，向溶液主體擴散。其結(jié)果必然使膠粒產(chǎn)生剩余電荷，使膠粒與擴散層之間形成一個電位差，其可反映膠粒帶電的多少，衡量膠體穩(wěn)定性的大小。ξ愈高，穩(wěn)定性愈高。
I.總電位（Ψ電位）
膠核表面的電位離子與溶液主體之間的電位差。--- Ψ電位一定時，擴散層愈厚，ξ愈高。
二、混凝機理
不同的化學(xué)藥劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn)，其機理可歸結(jié)為四種：
（1）壓縮雙電層
膠體的穩(wěn)定性取決于兩種力何者占主導(dǎo)地位。
當距離很近時，范得華力占優(yōu)勢，合力為吸引力，兩個顆粒可以相互吸住，膠體脫穩(wěn)；
當距離較遠時，庫侖斥力占優(yōu)勢，合力為斥力，兩個顆粒相互排斥，膠體將保持穩(wěn)定。
當膠體顆粒間距離大于3nm時，顆?？偺幱谙喑鉅顟B(tài)
對憎水膠體顆粒而言，其膠核表面間隔著兩個滑動面內(nèi)的離子層厚度，使其總處于相斥的狀態(tài)，這就是憎水膠體保持穩(wěn)定的根源；
對親水膠體顆粒而言，因其吸附大量的水分子而構(gòu)成水殼，使它們不能靠近而保持穩(wěn)定。
投加電解質(zhì)后，水中與膠粒上反離子具有相同電荷的離子濃度增加了。這些離子可與吸附的反離子發(fā)生交換或擠入吸附層，使膠粒帶電荷減少，降低ξ電位，并使擴散層厚度縮小。--------壓縮雙電層
各種電解質(zhì)壓縮能力是不同的。在濃度相同的條件下，破壞能力隨離子價的增高而加大。
Schulze-Hardy法則：
能力與離子價的2-6次方成正比。
對同一膠體體系，要獲得相同的壓縮雙電層效果時，用一價離子的濃度需要25～150mmol/L;二價離子需要0.5～2mmol/L；三價離子需要0.01～0.1mmol/L。
在電解質(zhì)作用下膠團雙電層的變化 吸附電中和
（2）吸附電中和
膠體表面對異號離子、異號膠?；蜴湢罡叻肿訋М愄栯姾傻牟课挥袕娏业奈阶饔谩?/span>
由于這種吸附作用中和了它的部分或全部電荷，減少了靜電斥力，因而容易與其它顆粒接近而相互吸附。
（3）吸附架橋作用
若藥劑是具有能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物，或者兩個同號膠粒吸附在同一個異號膠粒上，膠粒間就能連結(jié)、團聚成絮體而被除去。
高分子聚合物的吸附架橋作用
（4）卷掃作用（網(wǎng)捕作用）
若藥劑含金屬離子，由于金屬離子的水解和聚合，會以水中的膠粒為晶核形成膠體狀沉淀物，或者在這種沉淀物從水中析出的過程中，會吸附和網(wǎng)捕膠粒而共同沉降下來。
沉淀物卷掃作用
1-原水中懸浮微粒；2-絮狀沉淀物；3-殘留懸浮微粒
三、影響混凝的因素
1、水溫
無機混凝劑溶于水時是放吸反應(yīng)，水溫低時不利于混凝劑的水解。
水溫低時，水的黏度大，膠粒的布朗運動強度減弱，彼此間碰撞機會減少，不易凝聚。
水的黏度大時，水流阻力增大，使絮凝體的形成長大受到阻礙，從而影響混凝效果。
2、 pH 和 堿度
無機鹽混凝劑對水的pH值都有一定的要求。如，鋁鹽：5.5～8.5；鐵鹽：＞8.5
堿度對pH有緩沖作用。以保證鋁、鐵鹽在水解時引起pH變化而效果下降。
3、水質(zhì)
當水的濁度較低，顆粒細小而均一，投加的混凝劑又少，僅靠混凝劑與懸浮微粒之間相互接觸，很難達到預(yù)期目的，可以加大混凝劑用量。
當水中濁度較高時，用量要控制適當，防止過量而引起膠粒再穩(wěn)。
對高濁度水，混凝劑主要起吸附架橋作用，用量隨捉度的增加而增大。
水中的有機物質(zhì)會降低混凝效果。
四、混凝劑
1. 無機金屬鹽類混凝劑
如硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵等；?鋁鹽的水解
（1）當 pH≤4，Al3+以六水合鋁離子[Al(H2O)6]6+為主要存在形態(tài)，pH升高，發(fā)生水解：
[Al(H2O)6]6+==[Al(OH)(H2O)5]2+ +H+
[Al(OH)(H2O)5]2+==[Al(OH)2(H2O)4]+ + H+
[Al(OH)2(H2O)4]+== Al(OH)3(H2O)3↓ +H+
（2）當pH≥4時，羥基合鋁離子增加，各離子的羥基之間還可能發(fā)生架橋連接（羥基架橋），產(chǎn)生多核羥基配合物，繼續(xù)水解。水解與縮聚交錯進行，生成聚合度極大的中性氫氧化鋁，*終沉淀。
OH
2[Al(OH)(H2O)5]3+ ==[(H2O)4Al Al(H2O)4]4+ +2H2O
OH
在鋁鹽的水溶液中，存在著：
①簡單成分：Al3+、AlOH2+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等；
②聚合成分：[Al6(OH)14]4+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等。
均發(fā)揮作用，其中以高價的聚合正離子作用尤為重要。
下圖是水中無其它復(fù)雜離子干擾時，濃度為10-4mol/L的鋁鹽在達到化學(xué)平衡時，個種水解產(chǎn)物的濃度與水的pH值間的關(guān)系。
不同pH值相對應(yīng)的三價鋁水解產(chǎn)物
（0.1mmol/L Al(ClO4)3，多核態(tài)水解產(chǎn)物可能包括雜愛Al(OH)2部分中）
其鋁、鐵鹽的作用有三種：
A.Al3+、Fe3+和低聚合度高電荷的多核羥基配合物的脫穩(wěn)凝聚作用；
B. 高聚合度羥基配合物的橋連絮凝作用
C. 以氫氧化物沉淀形式存在時的網(wǎng)捕絮凝作用。
不同pH、雜質(zhì)濃度下的作用：
A.在pH偏低、膠體及懸浮微粒濃度高、投藥量尚不足的反應(yīng)初期，以脫穩(wěn)凝聚為主；
B.在pH較高、污染物濃度較低、投藥量充分時，網(wǎng)捕絮凝作用為主；
C.在pH和投藥量適中時，橋連絮凝則成為主要的作用形式。
在一定pH下用鋁鐵鹽混凝劑處理天然水的凝聚曲線。
圖中a列出四條曲線分別表示原水中膠體的平均濃度為S1、S2、S3、S4，且S1＜S2＜S3＜S4時出水剩余濁度隨混凝劑投加量而變化的規(guī)律。每條曲線分四個區(qū)域：
(1) 混凝劑投量不足以起脫穩(wěn)作用；
(2) 快速凝聚；
(3) 膠體復(fù)穩(wěn)；
(4)混凝劑大到足以生成氫氧化物沉淀而對膠體產(chǎn)生網(wǎng)捕作用。
圖中b是不同膠體濃度下發(fā)生凝聚的混凝劑投加量范圍。
(1)處理低濃度膠體水時，凝聚方式以網(wǎng)捕作用*為有效，此時投加量必須超過其氫氧化物在水中的極限溶解度，且*佳用量G1隨膠體濃度的增大而降低；
(2) 膠體濃度較高時，宜用電性中和和壓縮雙電層來脫穩(wěn)，此時*佳用量G2低于網(wǎng)捕絮凝用量，且與膠體濃度之間存在先行的化學(xué)計量關(guān)系；
(3)膠體濃度很高時，用量低于(1)而高于(2)。此時用高分子絮凝劑比用無機金屬鹽更經(jīng)濟有效，其*佳用量與膠體濃度之間存在線性的化學(xué)計量關(guān)系；
(4)不論使用何種絮凝劑，投加量都必須適當，量不足，達不到應(yīng)有的混凝效果，量大則會造成膠體復(fù)穩(wěn)。
2、無機高分子絮凝劑
常見的有聚合鋁、聚合鐵等。
（1）聚合氯化鋁
（a）結(jié)構(gòu)
又稱堿式氯化鋁，并不是單一分子的化合物，而是同一類有不同形態(tài)的化合物，其通式為[Al2(OH)nCl6-n]m，其中n為1-5，m為≤10的整數(shù)。如Al2(OH)5Cl、Al6(OH)16Cl2、Al13(OH)34Cl5,以及[Al2(OH)5Cl]n等，在水溶液中電離：
Al13(OH)34Cl5 －→Al13(OH)345++5Cl-
（b）聚合氯化鋁兩個重要指標：
A. 堿化度：B=[OH]/3[Al]。堿化度愈高，其分子量就愈高，黏結(jié)架橋能力愈好，但穩(wěn)定性差。一般在50-80%。
B. 聚合度：即分子中的n值，表明其分子量，一般只有數(shù)千左右。
（c）聚合氯化鋁的優(yōu)點
①應(yīng)用范圍廣，對各種廢水都可以達到好的混凝效果。
②易快速形成大的礬花，沉淀性能好，投藥量一般比硫酸鋁低，過量投加時也不會象硫酸鋁那樣造成水渾濁。
③ 適應(yīng)的PH值范圍較寬(在5-9間)，且處理后水的pH值和堿度下降較小。
④水溫低時，仍可保持穩(wěn)定的混凝效果。
⑤其堿化度比其他鋁鹽、鐵鹽為高，因此藥液對設(shè)備的侵蝕作用小。
（2）聚合硫酸鐵
簡稱聚鐵，[Fe(OH)n(SO4)3-n/2]m。
是一種多羥基、多核絡(luò)合物，與聚合鋁鹽都是具有—·定堿化度的無機高分子聚合物，且作用機理也頗為相似。
適宜水溫10～50℃，pH5.0～8.5，但在pH4.0～11范圍內(nèi)仍可使用。
與普通鐵鋁鹽相比，它具有投加劑量少，絮體生成快，對水質(zhì)的適應(yīng)范圍廣以及水解時消耗水中堿度少等一系列優(yōu)點。
3、有機高分子絮凝劑
是能夠發(fā)揮絮凝作用的天然或人工合成的有機高分子物質(zhì)。天然產(chǎn)物多屬蛋白質(zhì)或多糖類化合物，如動物膠、淀粉、藻朊酸鈉等；人工合成產(chǎn)品多是聚丙烯、聚乙烯類物質(zhì)，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚乙烯亞胺等。水溶性的線性高分子聚合物。
按可離解基團的特性，可分：
a) 陰離子型：-COOH、-SO3H、-OSO3H等；
b) 陽離子型：-NH3OH、-NH2OH、-CONH3OH；
c) 兩性型：同時含兩種基團；
d) 非離子型：不能電離的非電解質(zhì)。
分子呈鏈狀，并由很多鏈節(jié)組成，每一鏈節(jié)為一化學(xué)單體，各單體以共價鍵結(jié)合。聚合物的分子量是單體的分子量的總和，單體的總數(shù)稱為聚合度。
作用-----吸附架橋作用：陰離子型絮凝劑只發(fā)揮絮凝作用，往往不單獨使用，而與鋁鐵鹽配合使用。陽離子型絮凝劑發(fā)揮凝聚和絮凝作用，可單獨使用。
4、活化硅酸
活化硅酸是在30年代后期開始在水處理中應(yīng)用的?；罨杷釋嵸|(zhì)上是硅酸鈉在加酸條件下水解聚合反應(yīng)進行到一定程度的中間產(chǎn)物，其組分特征，如電荷、大小、結(jié)構(gòu)，取決于水解反應(yīng)起始的硅濃度、反應(yīng)時間(從酸化到稀釋)和反應(yīng)時的PH值。
其組分為Na2O.3SiO2.xH2O，有效成分為硅酸鈉。其水解過程中游離出來的硅酸單體在溶液中產(chǎn)生縮聚，產(chǎn)生羥基橋連和氧基橋連，從而形成各種高分子的陰離子，發(fā)展成為線狀、分支鏈或球狀顆粒等。
由于呈真溶液狀態(tài)的活化硅酸在通常PH條件下組分帶有負電荷，對膠體的混凝是通過吸附架橋使粒子粘連而完成的，只起絮凝作用，而不能起凝聚作用，因而常被稱為絮凝劑或助凝劑。
活化硅酸一般無商品出售，需在水處理現(xiàn)場制備，其原因是活化硅酸在儲存時局析出硅膠而失去絮凝功能。
5、其它混凝劑
無機類 | 低分子（現(xiàn)場投加） | 三價金屬鹽 | 鋁鹽 | 硫酸鋁、氯化鋁、鋁酸鈉 |
鐵鹽 | 硫酸鐵、硫酸亞鐵、氯化鐵 | |||
二價金屬鹽 | 鎂鹽 | 硫酸鎂、碳酸氫鎂 | ||
鋅鹽 | 氯化鋅、硫酸鋅 | |||
有機類 | 高分子（預(yù)制） | 陽離子型 | 聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁 | |
陰離子型 | 活化硅酸 | |||
表面活性物質(zhì) | 陽離子型 | 十八烷胺醋酸鹽、十八烷**基氨基氯化物 | ||
陰離子型 | 硬脂酸鈉、油酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉 | |||
低聚合高分子 （M=1000-數(shù)萬） | 陽離子型 | 水溶性苯胺樹脂、聚硫脲、聚乙烯亞胺 | ||
陰離子型 | 藻朊酸鈉、羧四基纖維素鈉 | |||
非離子型 | 淀粉、水溶性尿素樹脂 | |||
兩性型 | 動物膠、蛋白質(zhì) | |||
低聚合高分子 （M=數(shù)十萬至數(shù)百萬 ） | 陽離子型 | 聚乙烯吡啶類、乙烯吡啶共聚物 | ||
陰離子型 | 聚丙烯酸鈉、水解聚丙烯酰胺、馬來酸共聚物 | |||
非離子型 | 聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯 | |||
pH調(diào)整劑 | 石灰、碳酸鈉、苛性鈉、鹽酸、硫酸 | |||
其它輔助劑 | 高齡土、膨潤土 | |||
