混凝劑在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

[db:作者] / 2022-12-27 00:00

在20世紀初，用混凝劑進行工作的快濾池進人給水處理的實踐中，其運轉(zhuǎn)經(jīng)驗表明，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合成AlCl3、FeSO4·7H2O或硅系列混凝劑，再到現(xiàn)今使用的高聚合類混凝劑(如PAC、PFS、PASS、PAM等)，以及即將到來的生物混凝劑，人類使用混凝劑的過程也會經(jīng)歷一個從天然到合成再到天然的循環(huán)?；炷椒ㄒ灿珊唵蔚臄嚢璋l(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，進而形成許多的混凝理論，在水的凈化處理過程起著重要的指導作用。

2.1.1 混凝劑的分類

目前，混凝劑的品種繁多，按其化學成分可分為無機和有機兩大類。無機類的品種較少，主要是鋁和鐵的鹽類及其水解聚合產(chǎn)物，但在水和廢水處理中的用量很大;有機類的品種很多，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，但用量不如無機類大。

2.1.2 混凝劑在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80～90年代，我國水處理混凝劑的開發(fā)主要集中在無機高分子絮凝劑(IPF)的復(fù)合與混凝機理的研究方面，并提出了自己的某些理論，在指導新型混凝劑的開發(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)方面的研究都在國際上有一定的影響。目前，我國無機混凝劑的品種比較齊全，但天然與人工合成有機高分子混凝劑相對國外而言品種較少。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)達國家無論在給水還是在廢水處理中，陽離子型不同種類的聚合高分子的應(yīng)用均明顯超過陰離子型及非離子型聚合高分子。我國水處理混凝劑的研制工作在這方面有待加強。

2.1.3 混凝機理

化學混凝所處理的對象，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，能在水中長期保持分散懸浮的狀態(tài)，即使靜置數(shù)十個小時以上，也不會自然沉降。這是由于膠體顆粒及細微懸浮顆粒具有“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電荷，它的中心稱為膠核。其表面選擇性地吸附了一層帶有同號電荷的離子，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。這層離子稱為膠體微粒的電位離子，它決定了膠體電荷的大小和符號。由于電位離子的靜電引力，在其周圍又吸附了大量的異號離子，形成了所謂的“雙電層”。這些異號離子，其中緊靠電位離子的部分被牢固地吸引著，當膠核運行時，也隨著一起運動，形成固定的離子層。而其他的異號離子，離離子電位較遠，受到的引力較弱，不隨膠核一起運動，并有向水中擴散的趨勢，形成了擴散層。固定的離子層與擴散層之間的交界面稱為滑動面。滑動面以內(nèi)的部分稱為膠粒，膠粒與擴散層之間，有一個電位差。此電位稱為膠體的電動電位，常稱為ξ電位。而膠核表面的電位離子與溶液之間的電位差稱為總電位或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受水分子熱運動的撞擊，微粒在水中作不規(guī)則的運動，即“布朗運動”；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，當間距較大時，此引力可略去不計。

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。而布朗運動的動能不足以將兩顆粒推進到使范德華引力發(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圍形成一層水化膜。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。

混凝作用過程是水中膠體粒子聚集的過程，也就是膠粒成長的過程，而這個過程是在混凝劑的水解作用下進行的。因此，混凝作用機理與以下三個因素有關(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，使膠體擴散層壓縮，ξ電位降低，排斥勢能也就隨之降低。當混凝劑量繼續(xù)增加、膠粒ξ電位逐漸降至零時，膠粒間排斥勢能消失，此點稱為“等電點”。按DLVO理論，在等電點狀態(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算方法，成功解釋了膠體的穩(wěn)定性及其凝聚作用。其缺點在于忽視了水中反離子水解形態(tài)的專屬化學吸附作用，不能解釋混凝過程中出現(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明的一些問題。高價混凝劑(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，導致膠粒ξ電位降低，最終發(fā)生凝聚。當膠粒吸附足夠多正電荷時，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)對膠體的強烈吸附，體現(xiàn)在膠粒與膠粒之間的架橋連接作用。Lamer認為，當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。但當高分子過多時，將產(chǎn)生膠體保護作用：膠粒表面被高分子全部覆蓋后，兩膠粒接近時，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

卷掃作用是當鋁鹽或鐵鹽投加量超過溶度積時，會產(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姾闪浚哂幸欢ǖ撵o電黏附能力，因而在沉淀物生成過程中，膠體顆?？赏瑫r被黏附網(wǎng)捕在沉淀物中而迅速卷掃沉淀?；炷^程實際是上述幾種作用機理綜合作用的結(jié)果，或是在特定水質(zhì)條件下以某種機理為主。混凝機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值以及水中各種無機或有機雜質(zhì)等有關(guān)。

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