混凝原理
化学混凝的机理至今仍未完全清楚.因为它涉及的因素很多,如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度,以及混凝剂的性质和混凝条件等.但归结起来,可以认为主要是三方面的作用：
(1)压缩双电层作用 如前所述,水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态,主要是由于胶粒的∫电位.如能消除或降低胶粒的∫电位,就有可能使微粒碰撞聚结,失去稳定性.在水中投加电解质——混凝剂可达此目的.例如天然水中带负电荷的粘土胶粒,在投入铁盐或铝盐等混凝剂后,混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层.因为胶核表面的总电位不变,增加扩散层及吸附层中的正离子浓度,就使扩散层减薄,图8—1中的∫电位降低.当大量正离子涌入吸附层以致扩散层完全消失时,∫电位为零,称为等电状态.在等电状态下,胶粒间静电斥力消失,胶粒最易发生聚结.实际上,∫电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时,胶粒就开始产生明显的聚结,这时的∫电位称为临界电位.胶粒因电位降低或消除以致失去稳定性的过程,称为胶粒脱稳.脱稳的胶粒相互聚结,称为凝聚.
压缩双电层作用是阐明胶体凝聚的一个重要理论.它特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况.但是,如仅用双电层作用原理来解释水中的混凝现象,会产生一些矛盾.例如,三价铝盐或铁盐棍凝剂投量过多时效果反而下降,水中的胶粒又会重新获得稳定.又如在等电状态下,混凝效果似应最好,但生产实践却表明,混凝效果最佳时的∫电位常大于零.于是提出了第二种作用.
(2)吸附架桥作用 三价铝盐或铁盐以及其他高分子棍凝剂溶于水后,经水解和缩聚反应形成高分子聚合物,具有线性结构.这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附.因其线性长度较大．当它的一端吸附某一胶粒后,另一端又吸附另一胶粒,在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥,使颗粒逐渐结大,形成肉眼可见的粗大絮凝体.这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程,称为絮凝.
(3)网捕作用 三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物.这些沉淀物在自身沉降过程中,能集卷、网捕水中的胶体等微粒,使胶体粘结.
上述三种作用产生的微粒凝结理象——凝聚和絮凝总称为混凝.
当混凝剂加量大时,混凝剂相互之间会有影响,使上述三种作用能力发生变化,但不都是作用力加强,大于它的最佳投药量时,再投加混凝剂反而效果会降低.
混凝剂种类 按无机和有机类可分成以下几种：
1． 硫酸铝
硫酸铝含有不同数量的结晶水,Al2(SO4)3·18H2O,其中n=6、10、14、16,18和27,常用的是Al2(SO4)3·18H2O其分子量为666.41,比重1.61,外观为白色,光泽结晶. 硫酸铝易溶于水,水溶液呈酸性,室温时溶解度大致是50％,pH值在2.5以下.沸水中溶解度提高至90％以上. 硫酸铝使用便利,混凝效果较好,不会给处理后的水质带来不良影响.当水温低时硫酸铝水解困难,形成的絮体较松散. 硫酸铝在我国使用最为普遍,大都使用块状或粒状硫酸铝.根据其中不溶于水的物质的含量,可分为精制和粗制两种.硫酸铝易溶于水,可干式或湿式投加.湿式投加时一般采用10—20％的浓度(按商品固体重量计算).硫酸铝使用时水的有效pH值范围较窄,约在5.5—8之间,其有效pH值随原水的硬度含量而异：对于软水,pH值在5.7—6.6；中等硬度的水为6.6—7.2；硬度较高的水则为7.2—7.8.在控制硫酸铝剂量时应考虑上述特性.有时加入过量硫酸铝,会使水的pH值降至铝盐混凝有效pH值以下,既浪费了药剂,又使处理后的水发混. 粗制硫酸铝中有效氧化铝含量基本与精制相同,主要是不溶于水的物质含量高,废渣较多,最好用热水并拌以搅拌,才能完全溶解,因含有游离酸,酸度较高,腐蚀性强,溶解与投加设备应考虑防腐.
2． 聚合氯化铝
聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂.六十年代, 日本在制造与应用方面做了大量工作,有逐步取代硫酸铝的趋势.我国在1973年曾在成都召开全国新型混凝剂技术经验交流会,会上对聚合氯化铝的产品质量提出了要求,其中要求含氧化铝(Al2O8)10％以上,碱化度为50—80％,不溶物1％以下等. 我国某些地区仍将聚合氯化铝称为碱式氯化铝[A1n(OH)mCl3n-m],这是由于对它的基本化学式的不同理解而造成的.聚合氯化铝的化学式应表示为[Al2(OH)nC18-n]m,其中n可取1到5中间的任何整数,m为≤10的整数.这个化学式实际指m个A12(OH)nCl6-n(称羟基氯化铝)单体的聚合物. 聚合氯化铝中OH-与Al的比值对混凝效果有很大关系,一般可用碱化度B表示：,例如n＝4时,碱化度.一般要求B为40～60％. 聚合氯化铝作为混凝剂处理水时,有下列优点： (1)对污染严重或低浊度、高浊度、高色度的原水都可达到好的混凝效果. (2)水温低时,仍可保持稳定的混凝效果,因此在我国北方地区更适用. (3)矾花形成快；颗粒大而重,沉淀性能好,投药量—般比硫酸铝低. (4)适宜的pH值范围较宽,在5—9间,当过量投加时也不会像硫酸铝那样造成水浑浊的反效果. (5)其碱化度比其他铝盐、铁盐为高,因此药液对设备的侵蚀作用小,且处理后水的pH值和碱度下降较小. 聚合氯化铝的混凝机理与硫酸铝相同,硫酸铝的混凝机理包括了开始的铝离子,最后的氢氧化铝胶体和其中间产物(各种形态的水解聚合物)的作用.对于水中负电荷不高的粘土胶体,最好利用正电荷较低而聚合度大的水解产物,而对于形成颜色的有机物,则以正电荷较高的水解产物发挥作用为宜.但硫酸铝的化学反应甚为复杂,不可能根据不同水质人为地来控制水解聚合物的形态.至于聚合氯化铝则可根据原水水质的特点来控制制造过程中的反应条件,从而制取所需要的最适宜的聚合物,当投入水中,水解后即可直接提供高价聚合离子,达到优异的混凝效果. 目前我国聚合氯化铝应用中存在的问题主要是各地土法综合利用制得的产品,因受原 料、工艺条件等限制、质量受到影响,而各地区又缺乏具有完善工艺的专门厂家.
3． 三氯化铁
三氯化铁(FeCl3·6H2O)是一种常用的混凝剂,是黑褐色的结晶体,有强烈吸水性,极易溶于水,其溶解度随温度上升而增加,形成的矾花,沉淀性能好,处理低温水或低浊水效果比铝盐好.我国供应的三氯化铁有无水物、结晶水物和液体.液体、晶体物或受潮的无水物腐蚀性极大,调制和加药设备必须考虑用耐腐蚀器材(不锈钢的泵轴运转几星期也即腐蚀,用钛制泵轴有较好的耐腐性能).三氯化铁加入水后与天然水中碱度起反应,形成氢氧化铁胶体,其反应式为 以上反应式只是一个粗略的表示方法,实际上要复杂得多,当被处理水的碱度低或其投加量较大时,在水中应先加适量的石灰. 水处理中配制的三氯化铁溶液浓度宜高,可达46％. 三氯化铁的优点是形成的矾花比重大,易沉降,低温、低浊时仍有较好效果,适宜的pH值范围也较宽,缺点是溶液具有强腐蚀性,处理后的水的色度比用铝盐高.
4． 硫酸亚铁
硫酸亚铁FeS04·7H20是半透明绿色结晶体,易于溶水,在水温20℃时溶解度为21％. 硫酸亚铁离解出的Fe2+只能生成简单的单核络合物,因此,不如三价铁盐那样有良好的混凝效果.残留于水中的Fe2+会使处理后的水带色,当水中色度较高时,Fe2+与水中有色物质反应,将生成颜色更深的不易沉淀的物质(但可用三价铁盐除色).根据以上所述,使用硫酸亚铁时应将二价铁先氧化为三价铁,然后再起混凝作用. 当水的pH值在8.0以上时,加入的亚铁盐的Fe2+易被水中溶解氧氧化成Fe3+ (1.16) 当水的pH值
