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絮凝剂的作用机理

1、凝聚

凝聚：主要是指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。凝聚的作用机理一般有：压缩双电子层、吸附—电性中和、吸附架桥作用、网捕—卷扫作用四种解释。

（1）压缩双电层作用

根据DLVO理论，加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层仍然保持电中性，但正离子的数量却减少了，也就是双电层的厚度变薄，胶体颗粒滑动面上的ξ电位降低。

当ξ电位降至0时，称为等电状态，此时排斥势垒完全消失。

ξ电位降至某一数值使胶体颗粒总势能曲线上的势垒Emax=0，胶体颗粒即发生聚集作用，此时的ξ电位称为临界电位ξk。

（2）吸附—电性中和

胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶粒间的静电引力，使胶体颗粒更易于聚沉。

驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等。可以解释水处理中胶体颗粒的再稳定现象。

（3）吸附架桥作用

分散体系中的胶体颗粒通过吸附有机物或无机高分子物质架桥连接，凝集为大的聚集体而脱稳聚沉。分为长链高分子架桥和短距离架桥。

三种类型：

①胶粒与不带电荷的高分子物质发生架桥，涉及范德华力、氢键、配位键等吸附力。

②胶粒与带异号电荷的高分子物质发生架桥，除范德华力、氢键、配位键外，还有电中和作用。

③胶粒与带同号电荷的高分子物质发生架桥，“静电斑”作用。

（4）网捕—卷扫作用

投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成较大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，象筛网一样将水中胶体颗粒和悬浊质颗粒捕获卷扫下来。

网捕—卷扫作用主要是一种机械作用。

2、絮凝

絮凝：絮凝主要是指脱稳的胶体或微小悬浮物聚集成大的絮凝体的过程。

异向絮凝：由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。

布朗运动随着颗粒粒径增长而逐渐减弱，当粒径增长到一定尺寸，布朗运动不再起作用。

同向絮凝：由外力（搅拌）推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。

胶体颗粒在外力作用下向某一方向运动，由于不同胶粒存在速度差，依此完成颗粒的碰撞聚集。

3、混凝

混凝：既有凝聚作用（胶体脱稳）又有絮凝作用（脱稳的胶体或微小悬浮物聚集）的，是凝聚、絮凝两个过程的总称。是水中胶体粒子及微小悬浮物的聚集过程。

也就是说，“混凝”包含了从原水投药到水混合、药反应（脱稳、絮凝）再到形成大颗粒的絮凝物的整个过程。而絮凝是指胶体颗粒脱稳后，从形成微小絮凝物形成大絮体的阶段。

02

常用絮凝剂的分类

絮凝剂是能够降低或消除水中分散微粒的沉淀稳定性和聚合稳定性，使分散微粒凝聚、絮凝成聚集体而除去的一类物质。

按照化学成分，絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂以及微生物絮凝剂三大类。

（1）无机絮凝剂

无机絮凝剂按金属盐可分为铝盐系及铁盐系两大类，铝盐以硫酸铝、氯化铝为主，铁盐以硫酸铁、氯化铁为主。后来在传统的铝盐和铁盐的基础上发展合成出聚合硫酸铝、聚合硫酸铁等新型的水处理剂，它的出现不仅降低了处理成本，而且提高了功效。最常用的为PAC（聚合氯化铝）、PFS（聚合硫酸铁）易容于水，具有一定的腐蚀性。可以以溶液形式投加，也可以以颗粒形式投加。

改性的单阳离子无机絮凝剂：除常用的聚铝、聚铁外，还有聚活性硅胶及其改性品，如聚硅铝(铁)、聚磷铝(铁)。

改性的目的是引入某些高电荷离子以提高电荷的中和能力，引入羟基、磷酸根等以增加配位络合能力，从而改变絮凝效果，其可能的原因是：某些阴离子或阳离子可以改变聚合物的形态结构及分布，或者是两种以上聚合物之间具有协同增效作用。

（2）有机高分子絮凝剂

一般为天然或人工合成的有机高分子物质。有机高分子絮凝剂为有一定线形长度的高分子有机聚合物，其种类很多，按来源可分为天然和人工合成两大类。在水处理中，人工合成的日益增多并居主要地位。天然产物多属于蛋白质或多糖类化合物，如动物胶、淀粉、藻朊酸钠等。人工合成的有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯亚胺等，大都可电离。根据其可离解基团特性，可分为阴离子型、阳离子型、两性等类型，其链状分子可以发挥架桥作用，分子上的荷电基团则发挥电中和的扩散层压缩作用。由于价格较高，常用于一些特殊用途，如用于处理含高浓度、高浑浊、高色度、特殊嗅味废水的絮凝。

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。分为阴离子型和阳离子型。阴离子型一般用于污水絮凝剂，阳离子型一般用于污泥脱水。PAM易吸水潮解成块，保存地点必须干燥。

（3）微生物絮凝剂

微生物絮凝剂是一类由微生物或其分泌物产生的代谢产物，它是利用微生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而得的，是具有生物分解性和安全性的高效、无毒、无二次污染的水处理剂。由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，最终实现无污染排放，因此微生物絮凝剂的研究正成为当今世界絮凝剂方面研究的重要课题。

微生物絮凝剂主要包括利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂，利用微生物细胞壁代谢产物的絮凝剂、直接利用微生物细胞的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂。微生物产生的絮凝剂物质为糖蛋白、粘多糖、蛋白质、纤维素、DNA等高分子化合物，相对分子质量在105以上。

在利用微生物絮凝剂进行污、废水的处理过程中，倘若对微生物絮凝剂的净水机理缺乏正确的认识，则往往会造成许多不必要的损失，例如利用微生物絮凝剂处理相同电荷的污水，不仅会带来絮凝剂的过度浪费，还不能取得较为理想的处理效果；再如忽略了微生物絮凝剂的最佳投加量，造成絮凝剂的过量投加或投加不足，往往也不能取得较好的处理效果。限于条件及技术的限制，到目前为止，人们对微生物絮凝剂的絮凝机理尚缺少一个较为清楚的解释。现今人们对微生物絮凝剂的作用机理存在着多种假说，包括：以生枝动胶菌可积累聚羟基丁酸为依据的PHB聚合学说；以胞外纤维丝可聚合形成絮凝物为基础的菌外纤丝纤维素学说，此外还有But-terfield提出的粘质假说、Strantford提出的病毒假说以及吸附架桥学说和电性中和学说等。

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影响絮凝剂使用的因素

1、水的pH值

水的pH值对无机絮凝剂的使用效果影响很大，pH值的大小关系到选用絮凝剂的种类、投加量和混凝沉淀效果。水中的H+和OH-参与絮凝剂的水解反应，因此，pH值强烈影响絮凝剂的水解速度、水解产物的存在形态和性能。

以通过生成Al(OH)3带电胶体实现混凝作用的铝盐为例，当pH值＜4时，Al3+不能大量水解成Al(OH)3，主要以Al3+离子的形式存在，混凝效果极差。pH值在6.5～7.5之间时，Al3+水解聚合成聚合度很大的Al(OH)3中性胶体，混凝效果较好。pH值＞8后，Al3+水解成AlO2-，混凝效果又变得很差。

水的碱度对pH值有缓冲作用，当碱度不够时，应添加石灰等药剂予以补充。当水的pH值偏高时，则需要加酸调整pH值到中性。相比之下，高分子絮凝剂受pH值的影响较小。

2、水温

水温影响絮凝剂的水解速度和矾花形成的速度及结构。混凝的水解多是吸热反应，水温较低时，水解速度慢且不完全。

低温情况下，水的粘度大，布朗运动减弱，絮凝剂胶体颗粒与水中杂质颗粒的碰撞次数减少，同时水的剪切力增大，阻碍混凝絮体的相互粘合。因此，尽管增加了絮凝剂的投加量，絮体的形成还是很缓慢，而且结构松散、颗粒细小，难以去除。

低温对高分子絮凝剂的影响较小。但要注意的是，使用有机高分子絮凝剂时，水温不能过高，高温容易使有机高分子絮凝剂老化甚至分解生成不溶性物质，从而降低混凝效果。

3、水中杂质成分

水中杂质颗粒大小参差不齐对混凝有利，细小而均匀会导致混凝效果很差。

杂质颗粒浓度过低往往对混凝不利，此时回流沉淀物或投加助凝剂可提高混凝效果。水中杂质颗粒含有大量有机物时，混凝效果会变差，需要增加投药量或投加氧化剂等起助凝作用的药剂。

水中的钙镁离子、硫化物、磷化物一般对混凝有利，而某些阴离子、表面活性物质对混凝有不利影响。

4、絮凝剂选择

絮凝剂的选择主要取决于水中胶体和悬浮物的性质及浓度。

如果水中污染物主要呈胶体状态，则应首选无机絮凝剂使其脱稳凝聚，如果絮体细小，则需要投加高分子絮凝剂或配合使用活化硅胶等助凝剂。

很多情况下，将无机絮凝剂与高分子絮凝剂联合使用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。对于高分子而言，链状分子上所带电荷量越大，电荷密度越高，链越能充分伸展，吸附架桥的作用范围也就越大，混凝效果会越好。

5、絮凝剂投加量

使用混凝法处理任何废水，都存在最佳絮凝剂和最佳投药量，通常都要通过试验确定，投加量过大可能造成胶体的再稳定。

一般普通铁盐、铝盐的投加范围是10～100mg/L，聚合盐为普通盐投加量的1/2～1/3，有机高分子絮凝剂的投加范围是1～5mg/L。

6、絮凝剂投加顺序

当使用多种絮凝剂时，需要通过试验确定最佳投加顺序。一般来说，当无机絮凝剂与有机絮凝剂并用时，应先投加无机絮凝剂，再投加有机絮凝剂。

而处理杂质颗粒尺寸在50μm以上时，常先投加有机絮凝剂吸附架桥，再投加无机絮凝剂压缩双电层使胶体脱稳。

7、水力条件

在混合阶段，要求絮凝剂与水迅速均匀地混合，而到了反应阶段，既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止已生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐步减小，反应时间要足够长。