水的混凝机理和混凝过程
小白科普水处理2021-01-04 17:12
说到水的混凝机理与过程就不得不提及一下硫酸铝，水与废水处理中，常用的无机混凝剂有铝盐和铁盐。其中硫酸铝（Aluminum Sulfate）是使用历史最长，而且如今仍然广泛使用的一种混凝剂，十分具有代表性。
01铝盐在水中的化学反应
硫酸铝投入水中后，会立即离解出铝离子，当然了，铝离子在水中并不是以单个离子的形式存在的，而是通过水合的形式存在。
水合铝离子在水中首先要发生水解反应，即配位的水分子发生离解，水合铝离子会不断水解成各种各样的羟基铝离子和氢离子，同时Ph值会降低，最终会产生氢氧化铝沉淀。
但是铝盐在水中并不只是单纯的进行水解反应，还会发生高分子的缩聚反应（两个相邻的羟基发生架桥连接），导致水解产物的电荷升高，聚合度也相应的增加，随着缩聚反应的进行，会产生各种多核羟基配合物或聚合物。
以上的水解反应和缩聚反应在水中交错进行，因此会产生各种形态的产物，如下图所示：
各种水解产物的相对比例则与水温，pH和铝盐的投加量等有关。以上为铝盐在水中的化学反应，仅作为前置了解。感兴趣的朋友可以自行检索相关资料学习。以此为前提，下面开始说明水的混凝机理和混凝过程。
02水的混凝机理
混凝这个词有两个含义，一是凝聚，二是絮凝。
水与废水中的胶体体系通常都比较复杂，杂质大小相差悬殊，成分也更加复杂。所以水与废水处理中涉及的混凝机理一般也比较复杂，目前有四种认识比较统一的混凝机理。
双电层压缩机理：憎水胶体的稳定性主要取决于胶粒的ζ电势，根据DLVO理论，减低ζ电势就可以使胶体脱稳，即加入混凝。当我们把混凝剂投加在胶体溶液中，混凝剂溶解后就会提供大量的正离子，这些正离子会进入胶体的扩散层甚至吸附层。由于胶核表面的总电势不变，扩散层及吸附层内增加的正离子相当于降低了扩散层的厚度，即压缩了胶粒的双电层，降低了胶核滑动面的电势，从而使胶体脱稳，发生碰撞并发生凝聚。
由上可知，双电层压缩机理是从胶体化学中电解质对胶体的脱稳作用发展而来的，用于解释污泥混凝剂所提供的简单离子对胶体产生的脱稳和凝聚作用。河川入海口的泥沙淤积现象就可以很好的用双电层压缩机理进行解释，入海口处的海水使河水中盐浓度增加，从而导致河水中的胶体脱稳，絮凝，凝聚，沉淀，形成三角洲。
在混凝过程中，还会遇到另一些现象。比如，有时混凝剂投加过多，反而导致混凝效果变差；投加与胶粒带同种电荷的某些聚合物（例如高分子物质），也可以获得较好的混凝效果。以上这些现象就不能用压缩双电层机理进行解释了。因此就研究发展出了其它的混凝机理，吸附电性中和机理。
吸附电性中和机理指的是胶核表面直接吸附异号的聚合离子，或异号的胶粒，或链状高分子带异号的部分，来降低胶粒ζ电势，使胶体颗粒脱稳的过程。其中涉及到的吸附作用与静电力、范德华力、氢键及共价键力等作用均有关联。该机理可以用来解释金属混凝剂对胶体颗粒的脱稳和凝聚作用。
当混凝剂投加量适中时，通过胶核表面直接吸附异号聚合离子和高分子物质，可以使胶粒的ζ电势降低到临界电势ζk，使胶粒脱稳并发生凝聚。但如果混凝剂的投加量过多时，胶核表面就会吸附过多的异号离子，从而使胶核表面的电荷变号，导致胶体重新稳定。
第三个混凝机理是吸附架桥机理，该机理指的是高分子物质与胶粒之间发生的吸附架桥，也可能是两个大的同号胶粒被中间一个小的异号胶粒架桥连接的情况。该机理常用于解释投加非离子型或带同号电荷的离子型高分子混凝剂时也能获得较好混凝效果的现象。
通常情况下，常见的都是高分子物质与胶粒之间的吸附架桥。高分子聚合物通常具有线性结构，同时具有能与胶粒表面某些部位发生作用的化学基团。当高分子聚合物在水中与胶粒接触时，高分子链的两端就会分别吸附一个胶粒，从而形成胶粒-高分子-胶粒结构的絮凝体。
这种吸附架桥的形成与高分子聚合物的投加量有关，因此想要达到理想的吸附架桥状态，就需要将高分子聚合物的投加量控制在一个合理的范围内。一般来说，高分子在胶粒表面的覆盖率在1/3至1/2的范围内，混凝效果是最好的。
最后我们介绍一下网捕或卷扫机理。当金属盐混凝剂的投加量大到足以形成金属氢氧化物沉淀时，在金属氢氧化物沉淀物的形成过程中就会对胶粒产生网捕和卷扫作用。该作用属于机械作用，产生该作用所需投加的混凝剂的量与原水中杂质的含量成反比。
以上就是四种常见的混凝机理，在现实情况中，这四种机理不是单独存在的，往往是几种机理综合作用的结果。例如最开始介绍的铝盐在水中的混凝机理就受到pH的影响。
03 水的混凝过程
水的混凝过程通常包括两个阶段，分别是凝聚过程和絮凝过程。在凝聚过程中，投加的混凝剂主要提供正电荷的水解离子或高价离子，通过压缩双电层或吸附电中和作用，使胶体的ζ电势降低，胶体脱稳。脱稳后的胶体进一步的凝聚，形成粒径10μm左右的絮凝体（矾花），凝聚过程中为了使混凝剂快速分散，通常需要在混合设备中进行剧烈的搅拌。
第二阶段为絮凝阶段，主要通过高分子聚合物的吸附架桥，使小的絮凝体进一步生长成为粒径0.6-1.2mm的大絮凝体，从而在后续沉淀中去除。絮凝过程需要在絮凝设备中保持一定的反应时间，使絮凝体逐渐长大。为了防止长大的絮凝体被打碎，水流搅拌程度应从强变弱。
关于水的混凝机理和混凝过程的内容目前就记录到这里，有希望进一步了解的朋友可自行选择深入了解。
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