混凝沉淀

在工业废水和生活废水处理中，有一种很重要的物化处理方法：混凝法。这种水处理方法应用广泛，各种污染指标去除率高。混凝的目的在于通过向水中投加一些药剂（通常称为混凝剂及助凝剂），混凝剂在水中通过电离和水解等化学作用使水中难以沉淀的胶体颗粒能互相聚合而形成胶体，然后通过胶体的压缩双电层作用、吸附电性中和、吸附架桥作用和沉析物网捕作用等与水体中的杂质和有机物胶体结合形成更大的颗粒絮体，颗粒絮体在水的紊流中彼此易碰撞吸附，形成絮凝体（亦称绒体或矾花）。絮凝体具有强大吸附力，不仅能吸附悬浮物，还能吸附部分细菌和溶解性物质。絮凝体通过吸附，体积增大而下沉。

1.1 混凝法的概念   

物质在水中存在的形式有三种：离子状态、胶体状态和悬浮状态。 一般认为，颗粒粒径小于1nm的为溶解物质，颗粒粒径在1-100nm的为胶体物质，颗粒粒径在100nm-1mm为悬浮物质。其中的悬浮物质是肉眼可见物，可以通过自然沉淀法进行去除；溶解物质在水中是离子状态存在的，可以向水中加入一种药剂使之反应生成不溶于水的物质，然后用自然沉淀法去除掉；而胶体物质由于胶粒具有双电层结构而具有稳定性，不能用自然沉淀法去除，需要向水中投加一些药剂，使水中难以沉淀的胶体颗粒脱稳而互相聚合，增加至能自然沉淀的程度而去除。这种通过向水中加入药剂而使胶体脱稳形成沉淀的方法叫混凝法，所投加的药剂叫混凝剂。

1.2 混凝的基本原理

废水中的胶体物质具有巨大的比表面积，可以吸附液体介质中的正离子或负离子或极性分子等，使固液两相界面上的电荷呈不平衡分布，在界面两边产生电位差，这就是胶体微粒的双电层结构。形成双电层结构的微粒的整个胶体结构就称为胶团，整个胶团是电中性的。胶团中心是带有电荷的固体微粒本身，称为胶核。胶核所带电荷的符号就是胶体所带电荷的符号。胶体微粒之所以能在水中保持稳定性，原因在于胶体粒子之间的静电斥力（胶体常常带有同种电荷而具有斥力）、胶体表面的水化作用及胶粒之间相互吸引的范德华力共同作用。胶体微粒带电越多，其电位就越大，带电荷的胶粒和反离子与周围水分子发生水化作用越大，水化壳也越厚，越具有稳定性。向水中投加药剂，使胶体失去稳定性而形成微小颗粒，而后这些均匀分散的微小颗粒再进一步形成较大的颗粒，从液体中沉淀下来，这个过程称为凝聚。凝聚有以下几方面的作用：

①压缩双电层作用：  

水中粘土胶团含有吸附层和扩散层，合称双电层。双电层中正离子浓度由内向外逐渐降低，，后与水中的正离子浓度大致相等。因此双电层有一定的厚度。如向水中加入大量电解质，则其正离子就会挤入扩散层而使之变薄；进而挤入吸附层，使胶核表面的负电性降低。这种作用称压缩双电层。

胶体结构和双电层示意图 4-1

由于离子的扩散作用，水中的反离子进入胶体的扩散层和吸附层，从而为保持胶体电中性所需的扩散层中的正离子的减少，扩散层厚度变薄，压缩了扩散层，于是ζ电位降低，排斥势能ER也随之降低，排斥能峰Emax也会减小甚至消失。当ζ电位下降至一定程度，使Emax=0，胶粒发生聚集，此时的电位成为临界电位；当ζ电位降低至ζ=0时称为等电状态，此时排斥势能ER消失，则排斥能峰Emax也消失。  

简而言之，压缩双电层作用机理：通过加入电解质压缩扩散层而导致胶粒脱稳凝聚的作用机理。  

脱稳：胶粒因ζ电位降低而失去稳定性的过程。

凝聚：脱稳胶体相互凝结形成微小絮凝体的过程。 

胶体脱稳过程图 4-2                     胶体凝聚过程图 4-3

②吸附-电中和作用：  

对于混凝剂投量过多而使胶体重新稳定的现象，可以用电中和作用机理解释：若混凝剂投加量过多，会使水中原来带负电荷的胶体变化为正电荷的胶体，这是因为胶核表面吸附了过多正离子的结果，从而使胶体又重新稳定。

吸附-电中和作用过程图 4-4

③吸附架桥作用：  

对高分子絮凝剂，有的表面不带电，为非离子型，有的表面带负电荷，仍然能对负电荷的胶体杂质起混凝作用，这个现象可用吸附架桥作用机理来解释。  

高分子絮凝剂为线性分子、网状结构， 其中碳碳单键一般情况下是可以旋转的，聚合度较大，即主链较长，在水介质中主链是弯曲的，其表面积较大，吸附能力强。在主链的各个部位吸附了很多固体颗粒，就象是为固体颗粒架了许多桥梁，让这些固体颗粒相对地聚集起来形成大的颗粒。

④絮体的网捕作用：  

无机混凝剂（如铝盐或铁盐）投量很多时，会在水中形成高聚合度的多羟基化合物的絮体或大量氢氧化物沉淀，形成一张絮凝网状结构，在沉淀过程中可以吸附、卷带水中胶体颗粒共同沉淀，此过程称为絮凝剂的网捕作用机理，是一种机械作用。  

对于低浊度水，可以利用这个作用机理，在水中投加大量混凝剂，以达到去除胶体杂质的目的。