現(xiàn)在的水處理中絮(混)凝劑的應(yīng)用很普遍了,但是很多同行對絮(混)凝劑的作用機理普遍不是太了解或者了解的比較片面,這篇文章會全面解析絮(混)凝劑的作用機理——混凝是凝聚和絮凝的總稱,這里分開介紹兩種的作用機理!
1、絮凝劑的作用機理
1、凝聚
凝聚:主要是指膠體脫穩(wěn)并生成微小聚集體的過程。凝聚的作用機理一般有:壓縮雙電子層、吸附—電性中和、吸附架橋作用、網(wǎng)捕—卷掃作用四種解釋。
1. 壓縮雙電層作用
根據(jù)DLVO理論,加入含有高價態(tài)正電荷離子的電解質(zhì)時,高價態(tài)正離子通過靜電引力進(jìn)入到膠體顆粒表面,置換出原來的低價正離子,這樣雙電層仍然保持電中性,但正離子的數(shù)量卻減少了,也就是雙電層的厚度變薄,膠體顆?;瑒用嫔系?xi;電位降低。
當(dāng)ξ電位降至0時,稱為等電狀態(tài),此時排斥勢壘完全消失。
ξ電位降至某一數(shù)值使膠體顆??倓菽芮€上的勢壘Emax=0,膠體顆粒即發(fā)生聚集作用,此時的ξ電位稱為臨界電位ξk。
2. 吸附—電性中和
膠體顆粒表面吸附異號離子、異號膠體顆?;驇М愄栯姾傻母叻肿?,從而中和了膠體顆粒本身所帶部分電荷,減少了膠粒間的靜電引力,使膠體顆粒更易于聚沉。
驅(qū)動力包括靜電引力、氫鍵、配位鍵和范德華力等??梢越忉屗幚碇心z體顆粒的再穩(wěn)定現(xiàn)象。
3. 吸附架橋作用
分散體系中德膠體顆粒通過吸附有機物或無機高分子物質(zhì)架橋連接,凝集為大的聚集體而脫穩(wěn)聚沉。分為
1、長鏈高分子架橋;
2、短距離架橋。
三種類型:
①膠粒與不帶電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生架橋,涉及范德華力、氫鍵、配位鍵等吸附力。
?、谀z粒與帶異號電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生架橋,除范德華力、氫鍵、配位鍵外,還有電中和作用。
③膠粒與帶同號電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生架橋,“靜電斑”作用
4. 網(wǎng)捕—卷掃作用
投加到水中的鋁鹽、鐵鹽等混凝劑水解后形成較大量的具有三維立體結(jié)構(gòu)的水合金屬氧化物沉淀,當(dāng)這些水合金屬氧化物體積收縮沉降時,象篩網(wǎng)一樣將水中膠體顆粒和懸濁質(zhì)顆粒捕獲卷掃下來。
網(wǎng)捕—卷掃作用主要是一種機械作用。
2、絮凝
絮凝:絮凝主要是指脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮物聚集成大的絮凝體的過程。
1、異向絮凝(Perikinetic flocculation):由布朗運動所引起的膠體顆粒碰撞聚集。
布朗運動隨著顆粒粒徑增長而逐漸減弱,當(dāng)粒徑增長到一定尺寸,布朗運動不再起作用。
2、同向絮凝(orthokinetic flocculation):由外力(攪拌)推動所引起的膠體顆粒碰撞聚集。
膠體顆粒在外力作用下向某一方向運動,由于不同膠粒存在速度差,依此完成顆粒的碰撞聚集。
3、混凝
混凝:既有凝聚作用(膠體脫穩(wěn))又有絮凝作用(脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮物聚集)的。是凝聚、絮凝兩個過程的總稱。是水中膠體粒子及微小懸浮物的聚集過程。
也就是說“混凝”包含了從原水投藥到水混合、藥反應(yīng)(脫穩(wěn)、絮凝)再到形成大顆粒的絮凝物的整個過程。而絮凝是指膠體顆粒脫穩(wěn)后,從形成微小絮凝物形成大絮體的階段。
2、常用絮凝劑的分類
絮凝劑是能夠降低或消除水中分散微粒的沉淀穩(wěn)定性和聚合穩(wěn)定性,使分散微粒凝聚、絮凝成聚集體而除去的一類物質(zhì)。按照化學(xué)成分,絮凝劑可分為無機絮凝劑、有機絮凝劑以及微生物絮凝劑三大類。
下面主要介紹一下最常用的無機、有機絮凝劑:
1、無機高分子絮凝劑最常用的有PAC(聚合氯化鋁)、PFS(聚合硫酸鐵);易容于水,具有一定的腐蝕性。可以以溶液形式投加,也可以以顆粒形式投加。
2、有機高分子絮凝劑最常用的為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。分為陰離子型和陽離子型。陰離子型一般用于污水絮凝劑,陽離子型一般用于污泥脫水。PAM易吸水潮解成塊,保存地點必須干燥。
3、影響絮凝劑使用的因素
(1)水的pH值
水的pH值對無機絮凝劑的使用效果影響很大,pH值的大小關(guān)系到選用絮凝劑的種類、投加量和混凝沉淀效果。水中的H+和OH-參與絮凝劑的水解反應(yīng),因此,pH值強烈影響絮凝劑的水解速度、水解產(chǎn)物的存在形態(tài)和性能。
以通過生成Al(OH)3帶電膠體實現(xiàn)混凝作用的鋁鹽為例,當(dāng)pH值﹤4時,Al3+不能大量水解成Al(OH)3,主要以Al3+離子的形式存在,混凝效果極差。pH值在6.5~7.5之間時,Al3+水解聚合成聚合度很大的Al(OH)3中性膠體,混凝效果較好。pH值﹥8后,Al3+水解成AlO2-,混凝效果又變得很差。
水的堿度對pH值有緩沖作用,當(dāng)堿度不夠時,應(yīng)添加石灰等藥劑予以補充。當(dāng)水的pH值偏高時,則需要加酸調(diào)整pH值到中性。相比之下,高分子絮凝劑受pH值的影響較小。
(2)水溫
水溫影響絮凝劑的水解速度和礬花形成的速度及結(jié)構(gòu)?;炷乃舛嗍俏鼰岱磻?yīng),水溫較低時,水解速度慢且不完全。
低溫情況下,水的粘度大,布朗運動減弱,絮凝劑膠體顆粒與水中雜質(zhì)顆粒的碰撞次數(shù)減少,同時水的剪切力增大,阻礙混凝絮體的相互粘合;因此,盡管增加了絮凝劑的投加量,絮體的形成還是很緩慢,而且結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小,難以去除。
低溫對高分子絮凝劑的影響較小。但要注意的是,使用有機高分子絮凝劑時,水溫不能過高,高溫容易使有機高分子絮凝劑老化甚至分解生成不溶性物質(zhì),從而降低混凝效果。
(3)水中雜質(zhì)成分
水中雜質(zhì)顆粒大小參差不齊對混凝有利,細(xì)小而均勻會導(dǎo)致混凝效果很差。雜質(zhì)顆粒濃度過低往往對混凝不利,此時回流沉淀物或投加助凝劑可提高混凝效果。水中雜質(zhì)顆粒含有大量有機物時,混凝效果會變差,需要增加投藥量或投加氧化劑等起助凝作用的藥劑。水中的鈣鎂離子、硫化物、磷化物一般對混凝有利,而某些陰離子、表面活性物質(zhì)對混凝有不利影響。
(4)絮凝劑種類
絮凝劑的選擇主要取決于水中膠體和懸浮物的性質(zhì)及濃度。如果水中污染物主要呈膠體狀態(tài),則應(yīng)首選無機絮凝劑使其脫穩(wěn)凝聚,如果絮體細(xì)小,則需要投加高分子絮凝劑或配合使用活化硅膠等助凝劑。
很多情況下,將無機絮凝劑與高分子絮凝劑聯(lián)合使用,可明顯提高混凝效果,擴大應(yīng)用范圍。對于高分子而言,鏈狀分子上所帶電荷量越大,電荷密度越高,鏈越能充分伸展,吸附架橋的作用范圍也就越大,混凝效果會越好。
(5)絮凝劑投加量
使用混凝法處理任何廢水,都存在最佳絮凝劑和最佳投藥量,通常都要通過試驗確定,投加量過大可能造成膠體的再穩(wěn)定。一般普通鐵鹽、鋁鹽的投加范圍是10~100mg/L,聚合鹽為普通鹽投加量的1/2~1/3,有機高分子絮凝劑的投加范圍是1~5mg/L。
(6)絮凝劑投加順序
當(dāng)使用多種絮凝劑時,需要通過試驗確定最佳投加順序。一般來說,當(dāng)無機絮凝劑與有機絮凝劑并用時,應(yīng)先投加無機絮凝劑,再投加有機絮凝劑。
而處理雜質(zhì)顆粒尺寸在50μm以上時,常先投加有機絮凝劑吸附架橋,再投加無機絮凝劑壓縮雙電層使膠體脫穩(wěn)。
(7)水力條件
在混合階段,要求絮凝劑與水迅速均勻地混合,而到了反應(yīng)階段,既要創(chuàng)造足夠的碰撞機會和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長機會,又要防止已生成的小絮體被打碎,因此攪拌強度要逐步減小,反應(yīng)時間要足夠長。