混凝剂的作用机理

混凝剂的作用机理聚氯化铝(PAC)聚丙稀酰胺(PAM)水处理中常用的混凝剂。混凝机理：1、压缩双电层：胶团双电层的构造决定了在胶粒表面处反离子的浓度最大，随着胶粒表面向外的距离越大则反离子浓度越低，最终与溶液中离子浓度相等。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度减小。当两个胶粒互相接近时，由于扩散层厚度减小，ξ电位降低，因此它们互相排斥的力就减小了，也就是溶液中离子浓度高的胶间斥力比离子浓度低的要小。胶粒间的吸力不受水相组成的影响，但由于扩散层减薄，它们相撞时的距离就减小了，这样相互间的吸力就大了。可见其排斥与吸引的合力由斥力为主变成以吸力为主(排斥势能消失了)，胶粒得以迅速凝聚。这个机理能较好地解释港湾处的沉积现象，因淡水进入海水时，盐类增加，离子浓度增高，淡水挟带胶粒的稳定性降低，所以在港湾处粘土和其它胶体颗粒易沉积。根据这个机理，当溶液中外加电解质超过发生凝聚的临界凝聚浓度很多时，也不会有更多超额的反离子进入扩散层，不可能出现胶粒改变符号而使胶粒重新稳定的情况。这样的机理是藉单纯静电现象来说明电解质对胶粒脱稳的作用，但它没有考虑脱稳过程中其它性质的作用(如吸附)，因此不能解释复杂的其它一些脱稳现象，例如三价铝盐与铁盐作混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降，甚至重新稳定；又如与胶粒带同电号的聚合物或高分子有机物可能有好的凝聚效果：等电状态应有最好的凝聚效果，但往往在生产实践中ξ电位大于零时混凝效果却最好……等。实际上在水溶液中投加混凝剂使胶粒脱稳现象涉及到胶粒与混凝剂，胶粒与水溶液，混凝剂与水溶液三个方面的相互作用，是一个综合的现象。2、吸附电中和：吸附电中和作用指粒表面对异号离子，异号胶粒或链状离分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了它的部分电荷，减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而互相吸附。此时静电引力常是这些作用的主要方面，但在不少的情况下，其它的作用了超过静电引力。举例来说，用Na＋与十二烷基铵离子(C12H25NH3+)去除带负电荷的碘化银溶液造成的浊度，发现同是一价的有机胺离子脱稳的能力比Na+大得多，Na＋过量投加不会造成胶粒再稳，而有机胺离子则不然，超过一定投置时能使胶粒发生再稳现象，说明胶粒吸附了过多的反离子，使原来带的负电荷转变成带正电荷。铝盐、铁盐投加量高时也发生再稳现象以及带来电荷变号。上面的现象用吸附电中和的机理解释是很合适的。3、吸附架桥作用：吸附架桥作用机理主要是指高分子物质与胶粒的吸附与桥连。还可以理解成两个大的同号胶粒中间由于有一个异号胶粒而连接在一起。高分子絮凝剂具有线性结构，它们具有能与胶粒表面某些部位起作用的化学基团，当高聚合物与胶粒接触时，基团能与胶粒表面产生特殊的反应而相互吸附，而高聚物分子的其余部分则伸展在溶液中，可以与另一个表面有空位的胶粒吸附，这样聚合物就起了架桥连接的作用。假如胶粒少，上述聚合物伸展部分粘连不着第二个胶粒，则这个伸展部分迟早还会被原先的胶粒吸附在其他部位上，这个聚合物就不能起架桥作用了，而胶粒又处于稳定状态。高分子絮凝剂投加量过大时，会使胶粒表面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表面，造成再稳定状态。聚合物在胶粒表面的吸附来源于各种物理化学作用，如范德华引力、静电引力、氢键、配位键等，取决于聚合物同胶粒表面二者化学结构的特点。这个机理可解释非离子型或带同电号的离子型高分子絮凝剂能得到好的絮凝效果的现象。4、沉淀物网捕机理当金属盐(如硫酸铝或氯化铁)或金属氧化物和氢氧化物(如石灰)作凝聚剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3、Mg(OH)2或金属碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒可被这些沉淀物在形成时所网捕。当沉淀物是带正电荷(Al(OH)3及Fe(OH)3在中性和酸性pH范围内)时，沉淀速度可因溶液中存在阴离子而加快，例如硫酸银离子。此外水中胶粒本身可作为这些金属氧氧化物沉淀物形成的核心，所以凝聚剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越少。以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中常不是单独孤立的现象，而往往可能是同时存在的，只是在一定情况下以某种现象为主而已，目前看来它们可以用来解释水的混凝现象。但混凝的机理尚在发展，有待通过进一步的实验以取得更完整的解释。再来谈以下铝盐的水解过程：所有金属阳离子不论以何种药剂形态图投加，它们在水中都以三价铝[Al(Ⅲ)]和三价铁[Fe(Ⅲ)]的各种化合物存在。以铝盐为例，在水溶液中即使Al(Ⅲ)以单纯离子状态存在，也不是Al3+而是以Al(H2O)63+,水合铝络合离子状态存在。当pH值3时，在水中这种水合铝络离子将是主要形态，如pH升高，水合铝络离子就会发生配位水分子离解(即水解过程)，生成各种羟基铝离子，pH值再升高，水解逐级进行，从单核单羟基水解成单核三羟基，最终将产生氢氧化铝化学沉淀物而析出。实际上的反应比上面的反应还要复杂得多，当pH4值时，羟基羟离子增加，各离子的羟基之间可发生架桥连接(羟基架桥)产生多核羟基络合物，也即高分子缩聚反应。从生成物[Al2(OH)2(H2O)5]4+还可进一步被羟基架桥成[Al3(OH)4(H2O)10]5+。与此同时，生成的多核聚合物还会继续水解。所以水解与缩聚两种反应交错进行，最终结果产生聚合度极大的中性氢氧化铝。当基数量超过其溶液度时，即析出氢氧化铝沉淀物。根据以上所述，在整个反应中，像Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等简单成分以及多种聚合离子，如[(Al(OH)14]4+、[A17(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等成分，都会同时出现，它们必然会对混凝过程起作用，共中高价的聚合正价离子对中和粘土胶粒的负电荷，以及压缩其双电层的能力都很大，促进了混凝。当产生无机聚合物带有负价离子时，不可能靠电荷中和作用，而主要靠吸附架桥的作用使粘土胶粒脱稳。这就是PAC的净水机理。PAM是高分子混凝剂，其作用机理：（1）由于其具有极性基因—酰胺基，易于借其氢健的作用在泥沙颗粒表面吸附；（2）因其有很长的分子链，大数量级的长链在水中有巨大的吸附表面积，故絮凝作用好，能利用长链在颗粒之间架桥，形成大颗粒的絮凝体，加速沉降。（3）借助于聚丙烯酰胺的絮凝——助凝，在净水处理的泥凝过程中可能发生双电离压缩，使颗粒聚集稳定性降低，在分子引力作用下颗粒结合起来，分散相的简单阴离子可以被聚合物阴离子基团所取代；（4）高分子和天然水组成中的物质和水中悬浮物，或在它之前投加的水解混凝剂的离子之间发生化学相互作用，可能是络合反应；（5）由于分子链固定在不同颗粒的表面上，各个固相颗粒之间形成聚合桥。聚丙烯酰胺是一种化学性质比较活泼的高分子化合物。由于分子侧链上酰氨基的活性，使聚合物获得了许多宝贵的性能。非离子型PAM类絮凝剂由于不带离子型官能团，因此与阴离子型PAM类絮凝剂相比具有以下特点：絮凝性能受水PH值和盐类波动的影响小；在中型或碱性条件下，其絮凝效果（沉降速度）不如阴离子型，但在酸性的条件下却优于阴离子型，絮体强度比阴离子型高分子絮凝剂的强。阴离子型PAM类絮凝剂的分子量通常比阴离子型或非离子型的聚合物低，其澄清性能主要是通过电荷中和作用而获得。这类絮凝剂的功能主要是絮凝带负电荷的胶体，具有除浊、脱色等功能，适用于有机胶体含量高的水处理。