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絮凝剂的发展历史及絮凝机理

2015-11-24 11:41阅读:
絮凝剂的发展历史及絮凝机理
1 絮凝剂的种类及其发展趋势
1.1 无机絮凝剂
絮凝剂分为无机型和有机型两大类。无机絮凝剂按金属盐可分为铝盐系及铁盐系两类;按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系;按分子量可分为低分子系和高分子系两大类。
低分子絮凝剂包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁等,其中硫酸铝最早是由美国开发的,迄今为止一直是重要的无机絮凝剂之一。但用于水处理时,低分子絮凝剂存在着成本高,腐蚀性大,在某些场合净水效果还不理想等缺点。
无机高分子絮凝剂(IPF)是60年代后在传统的铝盐、铁盐的基础上发展起来的一类新型的水处理剂,和传统药剂相比,它能成倍地提高效能,且价格相应较低,因而有逐步成为主流药剂的趋势。目前,在日本、俄罗斯、西欧以及我国, 无机高分子絮凝剂都已有相当规模的生产和应用。近几年,含有活性硅酸(聚合硅酸) 的多核无机高分子絮凝剂成为IPF研究的一个热点。这类IPF具有电性中和和吸附架桥作用特性,絮凝效果好,处理后水中残留铝及残留色度低,生产成本相对较低,因而引起水处理界的极大关注。
1.2 有机高分子絮凝剂
有机高分子絮凝剂同无机高分子絮凝剂相比,具有用量少、絮凝速度快、受共存盐类、pH值及温度影响小、生成污泥量少、并且容易处理等优点,因而有着广阔的应用前景。按照化学成分的不同,有机絮凝剂可分为天然高分子絮凝剂和人工合成高分子絮凝剂;按照其所带电荷不同,可分为非离子型、阴离子型、阳离子型和两性型絮凝剂;按产品分类可分为水溶液型、干粉型和乳胶型三类。
1.2.1 天然改性高分子絮凝剂
这类絮凝剂按其原料来源的不同,大体可分为淀粉衍生物、纤维素衍生物、植物胶改性产物、多聚糖类及蛋白质类改性产物等。天然高分子物质具有分子量分布广、活性基团作用点多、结构多样化等特点,易于制成性能优良的絮凝剂,其来源广、价廉、可以再生且无毒,具有良好的开发前景。
1.2.2 合成有机高分子絮凝剂
合成有机高分子絮凝剂可分为阴离子、阳离子、非离子和两性四种类型。不同的絮凝剂有不同的使用范围。阴离子型高分子絮凝剂用于去除重金属盐类及其水合氧化物,pH值适用范围为中性或呈碱性;阳离子型可用来去除废水中的有机物,pH值适用范围为中性至强酸性;非
离子型可去除废水中的无机质颗粒或无机-有机质混合体系,pH值适用范围较宽,不受pH值和金属离子的影响。
1.3 微生物絮凝剂
80年代后期,研究和开发出第三类絮凝剂,称为生物絮凝剂。该絮凝剂是利用生物技术,通过微生物发酵抽提、精制而得到的一种新型、高效、廉价的水处理剂。生物絮凝剂与普通絮凝剂相比,其优越性有:1). 易于固液分离,而且形成沉淀物少;2). 易被微生物降解,具有无毒、无害等安全性;3).无二次污染;4).适用性广;5).具有除浊和脱色性能。
2 絮凝机理
絮凝作用是非常复杂的物理、化学过程。虽然已经做了许多研究,提出各种各样的理论、机理、模型,但到目前为止仍然存在若干问题尚待解决。在理论上看法也不一致,有待进一步探讨和完善。各种理论和模型之间的差异有可能长期存在下去。现在多数人认为絮凝作用机理是凝聚和絮凝两种作用过程。凝聚过程是胶体颗粒脱稳并形成细小的凝聚体的过程,而絮凝过程是所形成的细小的凝聚体在聚凝剂的桥连下生成大体积的絮凝物的过程。
2.1 静电中和
胶体粒子的表面一般带有负电荷,粒子间有静电斥力,使胶体分散系能长期保持稳定。若能减少或消除胶粒的表面电荷,使胶体间能发生碰撞,则因在短距离内的范德华引力,胶粒间即可发生凝聚作用。许多絮凝剂的水解产物带有正电荷,它与胶体之间由于所带电荷相反,因而会产生电性中和,减少或消除了粒子间的静电斥力,降低了ζ电位,使胶体脱稳而凝聚。胶体对异组分的吸附量过大会发生电性逆转,可能造成胶体的重新悬浮,所以絮凝剂的投加量应适宜,过小或过大都会影响絮凝效果。
例如三价铝盐或铁盐絮凝剂投加量过多,絮凝效果反而下降的现象,可以用本机理来解释。
2.2 压缩双电层机理
胶体粒子的双电层结构决定了在胶体表面处反离子浓度最大,随着胶粒表面向外的距离呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等。当向溶液中投加电解质,使溶液中离子浓度增高,则扩散层的厚度将减小。该过程实质是加入的反离子与扩散层原有的反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中,从而使扩散层厚度减小。
当两个胶粒相互接近,由于扩散层厚度减小,ζ电位降低,因此它们之间的斥力就减小了,也就是溶液中离子浓度高的胶粒间斥力比离子浓度低的要小。胶粒间的吸力不受水的组成影响,但由于扩散层变薄,它们相撞的距离减少,这样相互间的吸力变大,其排斥与吸引的合力由斥力为主变为以引力为主(排斥势能消失了),胶粒得以迅速凝聚。
2.3 粒间架桥
高分子量和非离子型絮凝剂对带负电荷胶粒的脱稳作用,是通过絮凝剂分子不同链节或重复单元在胶粒上的吸附引起的。由于一个线性高分子可以同时被几个胶粒吸附,因而高分子絮凝剂能起粒间架桥使胶粒聚沉的作用。阳离子型和阴离子型高分子絮凝剂和无机絮凝剂既有电中和作用也有粒间架桥作用。在废水处理中,对高分子絮凝剂的投加量及搅拌时间和强度都应有严格控制。投加量过大时,一开始微粒就被若干高分子链包围,而无空白部位去吸附其他的高分子链,结果造成胶粒表面过饱和现象和产生再稳现象(也叫护胶作用)。若用絮凝剂在粒子表面的覆盖率来衡量,胶体脱稳时的覆盖率应为9%~50%,当覆盖率达90%以上时,桥联作用减弱,产生护胶作用。
显然,在吸附架桥过程中,胶粒并不一定要脱稳,也无须直接接触。这个机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。
2.4 沉淀物网捕及卷扫机理
某些高价金属盐类作为水处理药剂,在投加量较大时会迅速沉淀产生金属氢氧化物或金属碳酸盐,水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。已发生凝聚的絮凝体,在沉降过程中以其巨大的表面吸附卷扫其他胶体,生成更大的絮团。
以上关于絮凝的四种机理,在实际水处理过程中往往是同时或交叉发挥作用的,只是在某一特定情况下以某种机理为主而已。



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