[科普中國]-絮凝作用

絮凝機(jī)理

當(dāng)絮凝劑投量足夠大，金屬鹽絮凝劑產(chǎn)生大量不定形的鹽或鐵鹽氫氧化物沉淀將水中顆粒物包裹，此時(shí)網(wǎng)捕卷掃發(fā)揮主要作用。高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與未達(dá)完全脫穩(wěn)的膠粒和細(xì)微懸浮物等發(fā)生連接作用，從而發(fā)揮吸附架橋作用。在絮凝過程中，絮凝效果的產(chǎn)生并不是在單一絮凝機(jī)理?xiàng)l件下形成的，而是以某一種絮凝機(jī)理為主導(dǎo)，因而在不同絮凝機(jī)理?xiàng)l件下所形成的絮體物化特性，如二維或三維分形維數(shù)、比表面積和絮體成長過程等會(huì)存在較大差異性，電性中和機(jī)理為主導(dǎo)形成的絮體較網(wǎng)捕卷掃機(jī)理為主導(dǎo)形成的絮體更加密實(shí)、分形維數(shù)大且比表面積更高，隨著絮凝劑投量的增加，絮凝條件從電性中和逐漸向網(wǎng)捕卷掃過渡，F(xiàn)I指數(shù)逐漸降低3。

橋連作用是質(zhì)點(diǎn)和懸浮物通過高分子絮凝劑而被連接起來形成絮凝體的過程。主要通過高分子絮凝劑在質(zhì)點(diǎn)表面的環(huán)式和尾式吸附架橋形成的橋連。主要分為兩種情況：高分子絮凝劑與帶有不同電荷的質(zhì)點(diǎn)間的橋連（其脫穩(wěn)作用是由于靜電引力的原因，此過程中有機(jī)陽離子絮凝劑的分子量起著重要作用）和高分子絮凝劑與帶有相同電荷的質(zhì)點(diǎn)間的橋連（質(zhì)點(diǎn)表面存在著正電荷區(qū)，帶負(fù)電的絮凝體對質(zhì)點(diǎn)有包裹作用且存在反離子作用）。

影響因素絮凝作用受溶膠濃度、溫度、電解質(zhì)性質(zhì)(如交換性陽離子的價(jià)數(shù)、水化度和陰離子種類)等因素的影響。根據(jù)絮凝速度不同，可分為慢絮凝區(qū)和快絮凝區(qū)。根據(jù)絮凝速度與電解質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，可分為只受動(dòng)電電位影響的非專性絮凝和與電解質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的專性絮凝。帶有相反電荷的膠體物質(zhì)的相互作用也可引起絮凝作用，如高嶺石在低pH值時(shí)，帶正電荷的邊面可與鄰近的帶負(fù)電荷的基面相吸引而發(fā)生絮凝1。

絮凝劑能使溶膠或懸浮液產(chǎn)生絮凝作用的物質(zhì)稱為絮凝劑?？煞譃闊o機(jī)絮凝劑和有機(jī)高分子絮凝劑。前者如明礬和硫酸亞鐵等，后者如水溶性淀粉、動(dòng)物膠和聚丙烯酰胺等。無機(jī)絮凝劑使膠體聚沉主要是由于與膠粒帶相反電荷的離子的作用。至于有機(jī)高分子絮凝劑的作用機(jī)理，主要是高分子的“架橋”作用。當(dāng)具有鏈狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子濃度較稀時(shí)，吸附在膠粒表面上的高分子長鏈，可能同時(shí)吸附在另一膠粒的表面上，通過“架橋”的方式，將兩個(gè)或更多的分散相粒子聚集在一起而產(chǎn)生絮狀沉淀。與無機(jī)絮凝劑相比，有機(jī)高分子絮凝劑有以下優(yōu)點(diǎn)：①用量少，一般為無機(jī)絮凝劑的1/200到1/30；②絮塊大，沉降快，便于分離。有機(jī)高分子絮凝劑多用于水處理和礦泥回收等方面4。

絮凝實(shí)例河流中的泥沙可分為粗泥沙和細(xì)顆粒泥沙。細(xì)顆粒泥沙因其具有粘性，又稱為粘性泥沙2。河水體中的細(xì)顆粒泥沙，由于晶格缺損、同晶取代等原因而帶永久性負(fù)電荷。帶負(fù)電荷的細(xì)顆粒泥沙，由于庫倫斥力的作用，不能形成有效碰撞而成為大的顆粒，因此懸浮于水中，并可隨水輸移數(shù)千千米。懸浮泥沙在進(jìn)入河口區(qū)以后，由于鹽度的增高及在水體中多價(jià)陽離子、腐殖酸一類有機(jī)電解質(zhì)的作用下，顆粒間水膜互相粘結(jié)而形成絮團(tuán)狀沉淀5。

細(xì)粒泥沙絮凝作用的主要影響因素有鹽度、水動(dòng)力因素和有機(jī)物影響等。鹽度對細(xì)顆粒泥沙絮凝作用的影響，就是通過減小雙電層間的排斥作用，從而降低其穩(wěn)定性。淡、咸水混合初期，由于對咸水中高價(jià)陽離子(主要是Ca2+和Mg2+)的吸附和離子強(qiáng)度的增大,細(xì)顆粒泥沙的電泳淌度突然顯著減小，這就大大減小了雙電層間的排斥作用，因而顯著降低了細(xì)顆粒泥沙的穩(wěn)定性，在鹽度增大到3以前細(xì)顆粒泥沙即已完全脫穩(wěn)，并在此處大量地絮凝沉降2。

當(dāng)水流切應(yīng)力小于絮凝體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，水流中絮凝現(xiàn)象的產(chǎn)生取決于顆粒碰撞條件。在強(qiáng)的水流切應(yīng)力時(shí)，絮凝體更易破碎，使絮凝過程變得可逆2。

河口水中有機(jī)物的主體是腐殖質(zhì)，它是分子量從幾百到幾萬,結(jié)構(gòu)中含有大量梭基和輕基等離解性官能團(tuán)的大分子化合物，其本身帶有很強(qiáng)的負(fù)電荷，當(dāng)其被吸附到懸浮顆粒上之后增加了顆粒的表面負(fù)電荷，這將增大懸浮顆粒的穩(wěn)定性；此外，空間穩(wěn)定作用也增大了懸浮顆粒的穩(wěn)定性。當(dāng)去除天然懸浮泥沙的有機(jī)覆蓋層后其絮凝速率顯著增大，換言之，有機(jī)覆蓋層增大了懸浮泥沙的穩(wěn)定性2。

應(yīng)用絮凝作用，對于細(xì)顆粒泥沙在河口區(qū)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究、航道整治及港口建設(shè)皆有重要的參考價(jià)值。細(xì)顆粒泥沙的絮凝過程，能將水體中的污染物一起載帶下來，使水體得到凈化。這種自凈能力(或稱“自凈資源”)也常被利用5。

絮凝作用還廣泛用于工業(yè)和日常生活中，如用明礬和PAM凈化水，鹵水點(diǎn)豆腐6。為了加速污水中的污泥沉淀，提高沉淀效率，對各種不同性質(zhì)的污水添加的化學(xué)藥劑，如絮凝劑，加劑后的污水，能加速懸浮物的凝聚沉降，并能調(diào)節(jié)水質(zhì)穩(wěn)定7。在藥劑學(xué)上常利用絮凝劑來改善某些混懸劑的質(zhì)量8。

絮凝作用在礦業(yè)中的應(yīng)用我國的廢水排放量逐年增加，其中以工業(yè)廢水為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，選礦是我國廢水排放量最多的行業(yè)之一。選礦廢水主要來自三個(gè)方面：選前的礦石準(zhǔn)備作業(yè)（磨礦和分級）、選別作業(yè)和選后的脫水作業(yè)。

以鋁土礦為例**：**由于在鋁土礦的磨礦和浮選過程中，大量的細(xì)粒鋁硅酸鹽礦物及黏土礦物進(jìn)入尾礦中，使得尾礦顆粒較細(xì)，比表面積大，表面能高，顆粒間的靜電斥力大，礦漿高度分散，沉降困難。為了實(shí)現(xiàn)尾礦漿的快速沉降脫水，需向尾礦漿中加入絮凝劑助其沉降。

河南某鋁土礦選礦廠，生產(chǎn)中主要使用鋁硅比為2.5~3.0的低鋁硅比鋁土礦，處理量為1500 t/d，其尾礦產(chǎn)率約為50%。為加速尾礦漿沉降脫水，處理尾礦時(shí)向尾礦漿中添加了一定量的聚丙烯酰胺，沉降溢流水和壓濾水直接返回浮選系統(tǒng)。以該廠生產(chǎn)中原礦為研究對象，以分子量為1200萬~1400萬的陰離子型聚丙烯酰胺作為主要的絮凝劑，研究回水返回后對鋁土礦浮選的影響。

**回水對鋁土礦浮選的影響：**使用回水進(jìn)行浮選試驗(yàn)，不僅會(huì)降低精礦產(chǎn)率和Al2O3回收率，還會(huì)影響捕收劑對鋁土礦的分選效果。

**絮凝劑濃度對鋁土礦浮選的影響：**當(dāng)聚丙烯酰胺濃度增大到一定值時(shí)，不僅將降低捕收劑的選擇性，同時(shí)會(huì)抑制礦物的上浮。此外，由試驗(yàn)結(jié)果可知，絮凝劑在回水中的累積是造成現(xiàn)場鋁土礦浮選指標(biāo)惡化的重要原因。

**降低絮凝劑對鋁土礦浮選影響的研究：**1.分散劑用量：六偏磷酸鈉降低了聚丙烯酰胺對浮選的影響，抑制了脈石礦物的上浮，改善了鋁、硅礦物的分選效果。2.攪拌時(shí)間：在絮凝初期，適宜的攪拌有利于絮凝的發(fā)生，當(dāng)絮體生長到一定粒徑后，繼續(xù)攪拌非但不利于絮體的生長，還會(huì)破壞絮體結(jié)構(gòu)，對絮凝起到相反的作用。3.增大捕收劑用量：在實(shí)現(xiàn)一水硬鋁石和脈石礦物的充分分散后，增加捕收劑用量能夠部分抵消聚丙烯酰胺對一水硬鋁石的抑制作用、增強(qiáng)對一水硬鋁石的捕收，實(shí)現(xiàn)鋁、硅礦物的有效分離。4.降低回水中絮凝劑濃度：降低回水返回比例后，回水仍然可用，且隨著回水比例的降低，鋁、硅礦物的分選效果逐漸變好9。