《凝聚剂絮凝剂》PPT课件.ppt

聚丙烯酰胺 第七章混凝剂 凝聚剂 絮凝剂 1 絮凝剂投配系统 2 前言 凝聚作用与絮凝作用两词均源自拉丁语 前者拉丁语 coagulare 意为聚集 together 即把两个或多个不同的个体拉拢在一起 后者拉丁文 flocculare 意为形成絮体 就胶体化学而言 凝聚作用意指加入凝聚剂后 在水溶液中的胶体粒子的稳定性遭受破坏 降低了彼此间互相排斥的力量 而形成细小絮体的过程 絮凝作用也指粒子的稳定性遭受破坏后 借聚合物及搅动能量而彼此接触 因而形成较大颗粒絮体的过程 简而言之 凝聚作用可称电性中和 絮凝作用可称架桥反应 凝聚和絮凝在实际中是很难截然分开的两种过程和作用 3 7 1含于水中杂质的某些性质 一般天然水中游离的水分子是很少的 大约只占0 1 其存在的形态绝大部分是数个分子的集合如 H2O n 水分子的两个氢和一个氧结合呈现一个非对称结构 这种非对称结构使水具有双极性 因而它易于附着在水中杂质的表面上形成水合层 少量的水电离成氢离子和氢氧根离子存在于水中 这些离子与水中所含杂质相互作用后 使水的性质产生了一定的差异 4 水溶液和水中杂质的形态 含于水中的杂质有混入或溶解于水中的某些气体 液体和固体 其中包括有机物和无机物 按胶体化学的观点 分散于水中的这些物质 由于其分散的程度不同可分为三种类型 一为悬浮液与悬浊液 其颗粒直径大于0 2 m 这种体系属于动力学不稳定的 借重力作用终究能沉淀下来 其次是真溶液 其分散相的颗粒直径小于1nm 是单相 均衡的 属于热力学稳定体系 第三是胶体溶液 其分散相颗粒的大小在1 200nm范围内 它介于真溶液的上限和悬浮液的下限之间 不能用一般过滤方法去除 由于颗粒在水中做布朗运动也不能借重力而下沉 它可以是聚集体 也可以是单一的大分子 5 从物理学观点看 不论是悬浮体系 溶解体系或胶态体系 其不同之处仅是颗粒的大小不同而已 其分类是 粒径在0 2 m 1mm范围内 属悬浮体系 粒径 1nm者 属溶解体系 粒径在1nm 0 2 m范围内 属胶态体系 按国际标准化机构的规定 以通过0 45 m的滤膜作为划分体系的界限 从工程设计上概括起来说 水中的杂质可简单地分为溶存物与不溶解的悬浮物 6 7 2凝聚的机理 在原水的预处理过程中 向水中投加凝聚剂后其所发生的凝聚作用是非常复杂的反应过程 它涉及水中分散介质的性质 各种凝聚剂的特性 分散介质与各种凝聚剂的相互作用条件及它们彼此间的一系列反应等 因而凝聚是受物理 化学及动力学等各方面的作用力所影响的 近年来 由于胶体化学的发展和高分子聚合物凝聚剂的应用 对电中和胶体吸附有了进一步的研究 因而在凝聚作用的理论上了较趋向一致的看法 即双电层压缩机理 7 7 2 1双电层压缩的作用机理 水中胶体微粒一般带有负电荷 这可能是由于 它们表面的一些成分溶于水后被水中的一些带正电离子所置换 使胶体表面产生多余的负电荷 胶体微粒有选择地吸附了一些负电荷 因而造成它带负电 有效胶体表面的化学结构的基团离解 当离解后显示电性 胶体微粒表面带电荷 必然要吸引水中带异电荷的离子 如胶体带正电荷 则吸引了水溶液中许多负离子 它们被吸附在微粒的表面上 因而形成了一个固定层 这种静电吸引作用使其在水溶液中产生一种浓度梯度 在热运动及分散介质 水 的极性作用下 胶体微粒所吸引的这些负离子又有朝向相反方向力图离开向着浓度低的水溶液扩散的趋势 8 当吸引和扩散达到平衡时在其外侧就形成了一个所谓的扩散层 固定层的厚度大约是 2 3 10 7mm 不随温度而变化 但扩散层厚度则较大 且随温度和其他因素而变化 这种固定层和扩散层总称为 双电层 当这种颗粒在水中移动 两相之间产生剪切力形成滑动时 滑动面的电位称为 电位 一般认为扩散层愈厚则 电位越高 胶体微粒的电荷和胶体微粒间的斥力也越大 因而这种胶体溶液的稳定性就大 电位的高低成为凝聚反应好与坏的一个重要因素 当投加高价电解质能使颗粒表面的电荷减小 同时使扩散层受到压缩 这样 电位就降低 促进了凝聚 9 对于两个带相同电荷的微粒 在其扩散层未接触前两个微粒并不发生任何关系 当两个微粒接近到其扩散层重叠时 重叠区内离子将同时受到两微粒的作用 使离子产生重新分布的趋势 由于静电力的不平衡 产生微粒间互相排斥而分离 排斥力以排斥势能来表示 它同微粒间的距离以指数规律成反比 另一方面 胶体微粒相互接近时 还受到范德华引力作用 微粒相距愈近 虽吸引大 但由于带同号电荷 斥力也大 当微粒间距离小到粒子间斥力和引力相等时 两颗粒处于平衡 加入电介质 使排斥势能降到一定程度 两微粒就发生凝聚 10 7 2 2水中粘土的离子交换容量 水中悬浮胶体微粒与凝聚剂的反应 是金属离子 凝聚剂水解产生的高价络合离子与胶体微粒表面产生吸附 浓缩 降低胶体微粒表面电荷 从而发生凝聚 这是金属离子或络合离子与胶体微粒的官能团之间的配位结合 属于化学吸附反应 并非物理作用 利用扩散层压缩等凝聚理论都难以确切地体现出外加电解质的临界浓度与水中悬浊质的量与质的关系 在实践中已证明 同样浊度 pH值和碱度下 在凝聚处理中其所用的凝聚剂量也常有所不同 这主要是悬浊液中的物质性质不同 导致凝聚的效果也不同 如果用阳离子交换容量 则可体现出悬浊质的量与其特性 11 由于水中所含的胶体物质不同 交换能力也不同 Langmuir曾用不同交换容量的粘土进行凝聚试验 得出以下结论 1 交换容量低时 需要的凝聚剂量也少 但有效凝聚区变窄 这在实际应用中较难控制 2 如交换容量高 则临界凝聚浓度也相应地高 3 如欲投药量少且能取得最大凝聚效果 则应使凝聚剂水解后与胶体微粒的交换容量达到适当平衡 4 交换容量达到250 mol L时 才不会有再稳出现 此时控制也容易 12 根据河村劝的实验 得出几种不同性质的悬浊质与其交换容量的关系为 高岭土 表土 胶质粘土 硅藻土 胶质粘土的交换容量为52mmol 100g 从其试验看 胶质粘土的水虽凝聚剂用量大 但使用的有效凝聚范围也大 因而运行时安全 可见 利用阳离子交换容量可反映出不同性质粘土的水在凝聚过程中其交换容量也不同这样一个量的概念 水中所含粘土的量与性质将直接影响到凝聚效果 如果离子交换容量大 用在异向凝聚的过程中 则可取得较好的凝聚效果 13 7 3铝盐 自1884年美国开发使用硫酸铝 AS 以来 铝盐在水处理工业中占有重要地位 到本世纪60年代 聚合氯化铝 PAC 以其优越的净水性能被广泛应用 迄今为止 铝盐在饮用水处理中使用最广泛 产量最大 据日本水协报道 PAC与AS相比 浓度与投加量相等情况下需碱量后者比前者约多1倍 且PAC除浊 除菌的效果均优于AS 三价金属铝在水中的存在形态是带有6个结晶水的Al H2O 63 当pH值小于4时 这种水合铝离子是水中存在的主要形态 如pH值升高 水合离子就产生结合水的水解过程 生成各种羟基铝离子 如pH值继续升高 则其水解就继续进行 最后生成氢氧化铝沉淀物 14 一般pH值约在5左右即会出现氢氧化铝胶体 pH值达到7以上 三价铝就成为存在的主要形态 但pH值达到8附近又重新溶解 水解成带负电荷的阴离子 可见 pH值偏低 则是高电荷低聚合度的多核络合离子占主要地位 pH值升高时 则不断地转化低电荷高聚合度的无机高分子电解质并占主要地位 再进一步提高pH值则又生成中性的而聚合度无限大的难溶氢氧化铝 15 7 3 1常见铝盐凝聚剂 硫酸铝 又名明矾 分子式 Al2 SO4 3 xH2O性能 外观为灰白色粉末或块状晶体 在空气中长期存放易吸潮结块 由于有少量硫酸亚铁存在而使产品表面发黄 易溶于水 水溶液呈酸性反应 难溶于醇 过饱和溶液在常温下结晶为无色单斜晶体的18水合物 8 8 以下结晶为27水合物 硫酸铝是目前市面上最常见的凝聚剂 当添加于水中时 能迅速被溶解 解析出SO42 铝离子与水而水解 在原水中 铝离子被6个水分子包围 形成带三价正电荷 以Al H2O 63 八面体存在 在pH值大于3时 水合分子逐步被OH 所取代 当水解时 将有各种不同的水化分子进行聚合反应 在适当的pH值之下 在水处理过程中 如原水净化及冷石灰软化法 水解作用及聚合反应将迅速发生 形成各种不同的单核子和多核子络合物 16 硫酸铝是目前市面上最常见的凝聚剂 当添加于水中时 能迅速被溶解 解析出SO42 铝离子与水而水解 在原水中 铝离子被6个水分子包围 形成带三价正电荷 以Al H2O 63 八面体存在 在pH值大于3时 水合分子逐步被OH 所取代 当水解时 将有各种不同的水化分子进行聚合反应 在适当的pH值之下 在水处理过程中 如原水净化及冷石灰软化法 水解作用及聚合反应将迅速发生 形成各种不同的单核子和多核子络合物 17 硫酸铝铵又名铵明矾分子式 NH4 2SO4 Al2 SO4 3 24H2O性能 白色透明结晶硬块硫酸铝铵 十二水合物 为无色透明的正八面体结晶 硫酸铝铵主要用作净化污水的混凝剂 在用作处理污水的混凝剂时 为了提高絮凝效果 应通过实验确定絮凝条件 如pH值范围 投加量等 18 碱式氯化铝又名多羟基聚合氯化铝 聚氯化铝分子式 Al2 OH nCl6 n m性能 纯品为褐色透明液体 是高效水处理剂和凝聚沉降剂 用于各类水厂生活用水净化 也可用于废水处理 在原水浊度为50 1000mg L时按6 15mg L的剂量投加 碱式氯化铝是由铝灰为主要原料生产的无机高分子净水剂 因铝灰中的铝分子是金属状态的 比矿石状态的铝分子活跃 所以混凝效果非常明显 其净水效果大大优于一般的净水品 特别是对工业污水 造纸 印染等污水有独特的功效 19 7 3 2铝盐凝聚剂对出水残留铝的影响 由于铝盐水解产物的絮凝作用 各种铝盐作为净水剂被广泛应用于饮用水工艺中 近10年的研究表明 铝经各种渠道进入人体后 通过蓄积和参与许多生物化学反应 能将体内必需的营养元素和微量元素置换流失或沉积 干扰破坏各部位的生理功能 导致人体出现诸如铝性脑病 铝性骨病 铝性贫血等中毒病症 世界卫生组织对水中残留铝含量的限制标准为0 2mg L 美国定为0 05mg L 我国也在2000年暂行水质目标中 增加了铝的标准值为0 2mg L 我国部分水厂的自来水铝含量的平均值约为0 29mg L 其偏高的原因可能与药剂的质量及絮凝过程不完善有关 导致部分铝以氢氧化铝微粒存于水中 20 可采用如下方法降低自来水中铝的含量 1 开发和采用能减少铝投加量的复合铝盐 例如使用复合聚氯化铝 可在同等药耗条件下减少铝投加量 2 通过添加无毒的高分子絮凝剂 3 以新型的无铝絮凝剂代替单铝盐 复铝盐或聚铝盐 铁盐比铝盐的凝聚沉降速度快 沉渣量少 pH值适用范围广 如果能解决铁盐腐蚀较强和造色的问题 以铁盐代替铝盐是可行的 优质聚合硅酸铁被认为是有应用前景的药剂 4 改进凝聚沉淀技术 应根据实际情况 改进凝聚的工艺和技术 尤其要注意选择适宜的药剂和合理的搅拌速度和时间 促进絮体长大 通过强化凝聚来降低出水中残留铝的含量 21 7 4铁盐 铁盐形成的矾花密度和强度较大 净水效果显著 受水温影响小 pH值适用范围广 价格便宜 对某些原水 硬水 有较好的处理效果 但铁盐腐蚀性强对设备要求高 且铁盐絮凝剂中Fe2 与水中腐殖质等有机物可形成水溶性污物 造成自来水带色 故而南方水厂一般不直接使用 聚合硫酸铁 PFS 是一种性能优越的无机高分子絮凝剂 它是在硫酸铁分子簇的网络结构中引入了羟基 以OH 架桥形成核络离子 PFS具有一些突出特点 如优良的凝聚性能 絮体沉降速度快 有较强的去除水中BOD COD及重金属的能力 能降低亚硝氮和铁的含量 22 新近研究成功的聚氯硫酸铁 PFCS 以硫酸 盐酸混酸溶解废钢渣的溶出液为原料制成 其成本低 与聚合氯化铝 PAC 相比 相同水质的处理成本可降低30 左右 近10年来 我国以煤矸石 铁矿石等为原料制取聚合氯化铝铁 PAFC 它兼有铁盐和铝盐的特性 反应速度快 沉降快 除浊效果好 但对以矿石和废渣为原料生产的药剂 其重金属含量及作为饮用水的卫生安全性无疑是应该强调的 23 三价铁盐的作用相当于三价铝盐 也会形成水合单核络合物 铁盐水解后与硫酸铝水合的产物可当凝聚剂用 即Fe H2O 3 OH 3沉淀物 带正电荷的水合单核离子及多核离子络合物会吸附带负电荷的胶质粒子 唯一不同的是 铁盐或亚铁盐 氯化铁除外 适用的pH值范围 4 11 较硫酸铝 5 5 6 5 为宽 通常硫酸铁及硫酸亚铁凝聚剂的最适当的pH值为8以上 因此 要保持这一pH值 往往加入碱性物 如石灰 苏打 苛性碱 当氯化铁 FeCl3 被用作凝聚剂时 最适宜絮体形成的pH值是5 6 因此 所有铁盐凝聚剂都具腐蚀性 必须以耐酸的设备来储存或添加 24 当硫酸亚铁 FeSO4 俗称绿矾 添加于水中时 它会和碱度 如CaCO3 产生反应 生成部分可溶的Fe OH 2 Fe OH 2和水中溶解氧反应 生成不溶性的Fe OH 3 然而由于CO2的存在影响了Fe OH 2的溶解度 通常加入石灰以中和CO2 如果配合曝气塔 则氧化作用更迅速且更容易 理论上 一份的FeSO4 7H2O需0 03份的O2来完成氧化作用 所以 1mg L的FeSO4 7H2O添加于水中 结果可增加0 36mg L的SO42 并降低0 36mg L的碱度 均以CaCO3表示 25 当以Fe2 SO4 3作为凝聚剂加入水中时 它会与水中的碱度反应形成不溶性的Fe OH 3 而且该反应不需添加石灰 每加入1mg L的Fe2 SO4 3 会增加0 75mg L的SO42 并减少0 75mg L的碱度 均以CaCO3表示 CO2的含量会增加0 66mg L 为去除悬浮粒子 预计化学剂量的添加量 大约为50mg L的FeSO4及25mg L的Fe2 SO4 3 当然 一切以杯瓶试验来评估 26 7 4 1常见铁盐凝聚剂 三氯化铁分子式 FeCl3相对分子质量 162 21性状 常用的净水剂 黑棕色结晶 大部分是薄片状 属于立方晶系 吸湿性强 易溶于水 甲醇 丙酮 乙醚和异丙醚 三氯化铁水溶液稀释时 能水解生成棕色絮状氢氧化铁沉淀 27 7 4 1常见铁盐凝聚剂 聚铁又名聚合硫酸铁分子式 Fe2 OH n SO4 3 n 2 mn 2 m f n 聚合硫酸铁净水能力强 絮凝体形成大而快 絮体不易破碎 净水PH值范围宽 适应性强 与传统水处理药剂三氯化铁相比 腐蚀性大大减弱 并可降低水体中铁离子含量和色度 尤适合中高有特高浊度处理 是一种安全可靠的净化药剂 28 4 5凝聚剂的新进展和应用 无机高分子复合絮凝剂 无机高分子絮凝剂 IPF 被称为第二代无机絮凝剂 IPF比传统凝聚剂 如硫酸铝 氯化铁等 效能更优异 而比有机高分子絮凝剂 OPF 价格低廉 现在它成功地应用在给水 工业废水及城市污水的各种流程 包括前处理 中间处理和深度处理 中 逐渐成为主流絮凝剂 但是 在形态 聚合度及相应的凝聚 絮凝效果方面 无机高分子絮凝剂仍处于传统金属盐凝聚剂与有机絮凝剂之间的位置 它的相对分子质量和粒度及絮凝架桥能力仍比有机絮凝剂差很多 而且还存在对进一步水解反应的不稳定性问题 这些主要弱点促使研究和开发向各种复合型无机高分子絮凝剂发展 30 复合絮凝剂含有多种成分 其主要原料是铝盐 铁盐和硅酸盐 它们可预先分别经羟基化聚合后再加以混合 也可先混合再加以羟基化聚合 但最终部是要形成羟基化的更高聚合度的无机高分子形态 才会达到优异的絮凝效能 制备无机高分子复合絮凝剂要从多方面考虑 在设计方案中常遇到的主要因素是粘附架桥能力 稳定性和电中和能力等 聚合铝 聚合铁类絮凝剂的弱点是相对分子质量和粒度尚不够高而使聚集体的粘附架桥能力不够强 因而常加入粒径较大的硅聚合物来增强絮凝性能 但硅聚合物属于阴离子型 总体电荷会随其加入而降低 从而减弱了电中和能力 如此时加入量和配比不能适度 就得到不到最佳效果 31 目前无机高分子复合絮凝剂有 聚合硅酸铁 PASiF 聚合硅酸铝 PASiC 聚硫氯化铝 PACS 是一种新型无机高分子絮凝剂 分子带有数量不等的羟基 聚磷氯化铝 PPAC 目前使用最广凝聚剂 聚合硫酸铝 PAS 与聚合氯化铝相似的絮凝性能 但具有更好的去除高浊水浊度的性能 具极佳的脱色 去氟和低温去浊性能 但铝离子对人脑有一定的不良的影响 它被认为可能会引起痴呆症 含铝的聚合硫酸铁 PFAS 与聚铁或聚铝相比 具有盐基度高 矾花大 凝聚沉降速度快 药剂用量少 去除率高 应用面广等特点 32 4 6絮凝剂的原理 悬浮颗粒的大小影响沉降的速度 从水中去除悬浮固体粒子 是水处理相当重要的课题之一 从水中去除较大且较重粒子 只要具备足够的沉降时间 大多数粒子都能沉淀下来 如果具有更长且足够时间 或借助胶凝剂 剩下较细小且不易沉降的胶体粒子也会沉降下来 水质在净化过程中 大致包括三种基本的反应机理 凝结作用 架桥作用 沉降作用 33 1 凝结作用 微细粒子的表面电荷经中和后 利用粒子与粒子间彼此微弱的范德华吸引力而形成凝集作用 这种力量非常薄弱 容易受到机械力的破坏 凝结作用通常发生在快混池中 快混的目的是要使凝结剂能完全分散于水中 并以最快的速度得到最有效的凝结作用 其滞留时间通常仅30s 5min 凝结过程可借助化学药剂的加入而完成 化学药剂如硫酸铝 硫酸亚铁 氯化亚铁 高分子聚电解质 活性硅等 凝结作用的发生 可能具有以下的反应机理 1 络合离子的形成 2 质子的转移 3 静电吸引 4 离子隅形成 5 Zeta电位的降低 34 2 架桥作用 在两个或多个固体微细粒子间 利用絮凝剂起架桥作用 使微细粒子聚集而成较大颗粒的絮体 这种反应须在絮凝池中完全搅拌来完成 滞留时间20 60min 高分子聚电解质的絮凝现象又可分为架桥作用及电性中和作用 中性高分子聚合物大多只有架桥作用 而阳性及阴性聚合物除了架桥作用外 还有电性中和作用 如果凝结及絮凝过程的设计或操作不当 则可能不会发生凝集现象 在沉降过程中的固液相分离将会失败 影响凝集及絮凝的主要因素可能有 1 搅拌能量 2 搅拌时间 3 絮凝剂及反应物的浓度 4 pH值 5 污泥浓度 35 当吸附粒子发生凝集作用时 有化学反应及物理反应等机理 1 化学反应机理 假设粒子以明确的化学结构凝集 并由于彼此间的化学反应造成胶质粒子的不稳定状态 2 物理反应机理 由于存在双电层及某些物理因素 当与胶质粒子具有不同电性离子加入于溶液中时 会发生凝结作用 当发生凝结作用时 胶体粒子必失去稳定作用或发生电性中和 不稳定的胶体粒子互相碰撞而形成较大的颗粒 胶体粒子的大小变化很大 当其颗粒较小时 较难以去除 当颗粒较大时 由于质量与表面电荷的比也大 因此它不会具有足够的表面电荷来造成粒子彼此间的排斥力 而粒子颗粒越小 其质量与表面电荷的比越低 因之表面电荷有足够的相互排斥力 阻止凝集现象发生 此时只有加入絮凝剂 才能帮助其凝集 36 当加入絮凝剂时 它会离子化 并与粒子表面形成价键 絮凝剂会由于搅拌及布朗运动而使粒子间产生碰撞 当粒子逐渐接近时 氢键及范德华力促使粒子结成更大的颗粒 碰撞一旦开始 粒子便经由不同的物理 化学作用而开始凝集 较大颗粒粒子从水中分离而沉降 37 3 沉降作用 絮体一旦形成 便需在静止状态下借重力而沉降 利用量筒及秒表 测絮体的沉降速度及胶凝程度 由絮体沉降的快慢可测知形成絮体的大小 絮体沉降速度必会影响到澄清池的效率 在传统水平流向澄清池中 如果絮体具有足够的沉降速度 能在较短时间在沉降区域内完全沉淀下来 则可得非常清澈的水质 在上层流向污泥层澄清池中 胶凝粒子可由存于底层的污泥层过滤掉 在上层流向固体粒子接触反应器澄清池中 污泥床无过滤作用 但由于粒子的不断碰撞接触 增加了形成较大絮体的机会 澄清水分子比絮体轻 它们会继续上升 当跑出搅拌带之外时 水流的速度会降低 较重粒子上升的速度会减缓下来 然后开始往下沉 可能沉降于沉淀池底或停留于污泥床带 38 4 Zeta电位 大多数的胶体颗粒带有负电荷 当加入阳离子絮凝剂时 粒子表面会被带着正电荷的离子作两层的包围 较接近颗粒的一层是全由带正电荷的离子紧密和固定地包围着 远离的一层则由正和负的离子包围并在四周适当地继续运动 离子离胶体颗粒越远时 对胶体颗粒作用的影响就越弱 直至影响为零 即形成一孤立电子带 电位能从固定层到孤立电子带的差叫Zeta电位 滑动面的电位 以mV为单位 Zeta电位是水溶液中分散微粒表面上所具有电荷密度的一种指示 因颗粒带电的不同而有正值或是负值 39 影响Zeta电位的因素很多 主要有以下 1 分散粒子的特性微粒具有的带电性将影响Zeta电位的数值 2 pH值分散溶液pH值会影响电位 碱性时 氢氧离子吸附在微粒上增加了阴电量 酸性时 氢离子吸附在微粒表面上 减少了微粒表面的阴电量 3 水质所有的水质都具有不同的电解质 而所有的电解质也都会影响表面电荷 4 化学添加剂所有的化学添加剂或多或少带有电性 而其所带电荷的多少也都会改变微粒的表面电荷 40 7 7絮凝剂主要品种及性能 1 概述絮凝剂有无机絮凝剂与有机絮凝剂 无机絮凝剂有硫酸亚铁 氯化亚铁 硫酸铝 碱式氯化铝 明矾等 有机絮凝剂主要是高分子聚合物 大量使用的高分子有机絮凝剂如聚丙烯酸钠 聚丙烯酰胺 聚苯乙烯磺酸盐 聚氧化乙烯 常常把无机絮凝剂叫凝聚剂 而把有机絮凝剂叫絮凝剂或助凝剂 无机絮凝剂主要是依靠中和粒子上的电荷而凝聚 有机絮凝剂则主要依靠架桥作用使粒子沉降 在应用中 常常先加无机絮凝剂中和电荷 然后加有机絮凝剂生成絮团沉降 两者联合使用可大大降低絮凝剂的用量 41 2 絮凝剂的类型 有机聚合物 也称聚电解质 相对分子质量由数千至1000万以上不等 它含有带电的官能基或中性的官能基 能溶于水中而具有电解质的行为 依其所存在的电荷形式 可分为以下四类 1 阳离子型聚电解质阳离子型聚电解质的官能基含有季盐 无论在酸性 中性或碱性介质中 均保持正电荷的特性 其正电荷可能附在一个叔基硫或季磷或是季胺上 2 阴离子型聚电解质阴离子型聚电解质的官能基含有羧酸基 并带有负电荷 为含有磺酸 磷酸或羧酸官能基的聚合物 42 3 非离子型聚电解质非离子型聚电解质不具电荷 在水溶液中借着质子化作用会产生暂时性的电荷 其凝集作用是以弱氢键结合 所形成的絮体小而且容易遭受破坏 4 两性型聚电解质两性型聚电解质是在同一聚合物链上同时含有正电和负电两种官能基的聚合物 43 3 影响聚电解质效率的因素 聚电解质的效率 受其本身四个基本因素所影响 1 聚合平均相对分子质量所有聚合物都含有不同链长的分子 而相对分子质量只是一个平均值 并没有表明相对分子质量的范围 聚合物的平均链长与凝聚能力有直接关系 2 平均离子的电荷非离子的单体可随意地与任何比例的阳离子或阴离子单体聚合 从而产生了各种不同电荷密度的共聚物 而离子电荷密度又会影响聚合物在微粒上的吸附 3 相对分子质量的分布有时具有相同平均相对分子质量的两种聚合物 由于其相对分子质量分布情况不同 而使之具有不同的凝聚能力 44 4 被去除的粒子的种类与大小胶质粒子必定比大颗粒难以去除 同时 粒子的浓度也有所影响 当水中固体物增加时 絮凝剂的添加量随之增加 水中固体物含量较低时 负电荷胶体粒子间的距离相当大 彼此间会有种排斥力阻止其形成絮体 阳离子聚合物的加入 可中和彼此间的排斥力 当水中粒子浓度增加时 胶体粒子间的距离较近 排斥力会因浓度的增加而减弱 胶凝剂因架桥作用而使固体物被去除 胶质粒子的本质如浊度 色度 油脂 粘土等也必须考虑在内 水中可能含有一种或多种的污染物 当粒子为一种形态时 絮凝剂可能会有效且易于去除污染物 但含多种形态时 就难以去除 此外 其他的化学及物理因素 如系统的pH值 消毒剂 溶存固体物 系统流量 水温等也很重要 45 4 聚丙烯酰胺 PAM 聚丙烯酰胺是一种线型的水溶性聚合物 是水溶性聚合物中应用最广的品种之一 它由丙烯酰胺经低温水溶液聚合而成 在其分子的主链上带有大量化学活性很大的侧基 酰胺基 可以和多种化合物反应而产生许多聚丙烯酰胺的衍生物 它还能与多种可形成氢键的化合物结合 聚丙烯酰胺主要有两种形式 粉末状的 胶体 粉末状的较受用户欢迎 聚丙烯酸酰胺是一大类系列产品 从相对分子质量大小来分类 可分为低相对分子质量 在100万以下 用作分散剂 中相对分子质量 在100万 1000万 主要用作絮凝剂 高相对分子质量 在1000万 1500万 主要作纸张的干强剂 超高相对分子质量 在1700万以上 主要用于三次采油 46 4 聚丙烯酰胺 PAM 聚丙烯酰胺是一种线型的水溶性聚合物 是水溶性聚合物中应用最广的品种之一 它由丙烯酰胺聚合而成 在其分子的主链上带有大量化学活性很大的侧基 酰胺基 可以和多种化合物反应而产生许多聚丙烯酰胺的衍生物 它还能与多种可形成氢键的化合物结合 聚丙烯酰胺主要有两种形式 粉末状的 胶体 粉末状的较受用户欢迎 聚丙烯酸酰胺是一大类系列产品 从相对分子质量大小来分类 可分为低相对分子质量 在100万以下 用作分散剂 中相对分子质量 在100万 1000万 主要用作絮凝剂 高相对分子质量 在1000万 1500万 主要作纸张的干强剂 超高相对分子质量 在1700万以上 主要用于三次采油 47 聚丙烯酰胺系列产品按离子特性可分为阳离子型 主要用于水处理 阴离子型 主要用于造纸 水处理 非离子型 主要用于污泥脱水处理 在物理性质方面 聚丙烯酰胺易溶于冷水 而在有机溶剂中的溶解度一般是有限的 聚丙烯酰胺水溶液对电解质有很好的容忍性 可耐霉菌侵蚀 分子链很长 是很好的絮凝剂 如絮凝剂的用量过多 粒子上的吸附点被迅速占领 减少了架桥的可能性 絮凝效果反而降低 在化学性质方面 聚丙烯酰胺是一种化学性质比较活泼的高分子化合物 由于分子侧链上酰胺基的活性 使聚合物获得了许多宝贵的性能 聚丙烯酰是低毒的 大多数商品不刺激皮肤 有些产品可用于饮用水处理 丙烯酰胺单体是有毒物质 对哺乳类动物的神经有毒害作用 48 5 高相对分子质量聚丙烯酸钠 PAA 高相对分子质量聚丙烯酸钠能很好地溶解于水中 呈真溶液 它本身带有电荷 可促使带有不同表面电荷的悬浮粒子凝聚 它还具有活性吸附机能 能将悬浮粒子吸附在其上面 使悬浮粒子互相凝聚 形成大块絮凝团 因此 它具有澄清 净化 促进沉降 有利过滤等作用 在工业给水 废水处理 特别是在氯碱工业的盐水处理上 代替聚丙烯酰胺 效果显著 49 6 聚氧化乙烯 PEO 由环氧乙烷在催化剂存在下经开环聚合而得 相对分子质量为数万至数百万 完全溶于水 也可溶于有机溶剂 其溶液在很低浓度下就具有很高的粘度 耐细菌侵蚀性高 在大气中的吸湿性小 高相对分子质量产品效果好 高聚合度的聚氧化乙烯对于水悬浮的细小粒子具有絮凝作用 其相对分子质量越高絮凝效果越好 这种化合物用量大时表现出分散性 只有用量小时才表现出絮凝 如纸浆经剧烈搅拌后 加入聚氧化乙烯 经震荡 静止 即可沉淀浆料 另外 用含有聚乙烯基聚合物处理含有0 3 橡胶的废水 用聚合度n 107的聚氧化乙烯沉淀铜矿石 用带末端羟基的聚氧化乙烯或聚氧化乙烯与缩醛化合物的混合物作为污泥处理剂 絮凝粘土水悬浊液及牛皮纸木质素等 都有良好的效果 50 聚氧化乙烯可用来凝聚许多类型的煤的悬浮体 低至5mg L的用量就能明显加快洗煤水沉降速度 处理后的泥浆比较厚密 易去垢 尤其对氧化煤悬浮液絮凝更有效 不需调pH值 在这方面比PAM的絮凝能力强 滤饼的水分也由26 5 降到20 1 聚氧化乙烯对于酸滤溶液中分离不需要的二氧化硅是非常有效的 在天然水中为去除二氧化硅也可有效地使用PEO 用量为5 100mg L 此外 聚氧化乙烯对粘土 如高岭土 蒙脱土 伊利石 活性白土 絮凝沉降特别有效 用量为5mg L至粘土量的0 2 不等 51 7 二烯丙基二甲基氯化铵聚合物 这是一种阳离子型絮凝剂 白色固体粉末或无色透明液体 易溶于水 易潮解 不溶于丙酮及甲醇等有机溶剂 油田污水是油田回注水的主要来源之一 但由于污水具有油量 含硫酸还原菌高 含有机色素及机械杂质高等特点 需要经过净化 杀菌 过滤等一系列工序严格处理 方可回收 否则 将严重腐蚀输油设备 堵塞地层 降低注水量 直接影响油田开发 国内主要采用碱式氯化铝或丙烯酰胺使油质和机械杂质絮凝 但这两种净化剂都存在两种弊病 一是絮凝速度慢 净化效果差 使得后序设备复杂化 二是聚沉的油质和大量机械杂质为硫酸盐还原菌生长提供养分 从而大大加重了杀菌工序的负担 二烯丙基二甲基氯化铵的聚合物由于其本身的优点 如去油力强 絮凝速度快 现广泛地运用于油田污水的处理中 52 通常的高分子絮凝剂或无机类絮凝剂对分散性染料 疏水性 的脱色效果较佳 但对亲水性的染料 活性染料 酸性染料 的脱色 脱COD方面效果差 尤其是对于那些相对质量小 亲水性基团数较多的染料无效 因此一般絮凝剂不能全部除色 造成综合性污水处理成本高 处理困难 利用二烯丙基二甲基氯化铵类高分子絮凝剂对污水进行脱色实验 对疏水性染料和亲水性染料的污水处理都有效 同时也降低COD的成分 而且毒性均在允许范围之内 此外 这类高分子絮凝剂还广泛用于纺织丝绸 造纸等工业污水处理 也可运用于自来水厂的水质处理 53 8 环氧氯丙烷与胺反应产物 这类阳离子絮凝剂与其他阳离子絮凝剂相比最大的特点是 它们能使用在含氯分散相的水中 而不与氯化物起作用 从而在含氯分散相的水分散体中使用时 不会降低其絮凝效果 而其他阳离子絮凝剂却做不到这一点 这类阳离子絮凝剂根据所使用的胺的性质不同 可得到不同品种 不同性能的阳离子絮凝剂 如仲胺与环氧氯丙烷反应产物 该聚合物用在河水的絮凝处理中能得到优良的絮凝效果 亚烷基多胺与环氧氯丙烷反应产物 这种絮凝剂不仅对河水的净化是有效的 而且对处理聚氯乙烯生产中的有机废水也是有效的 所得污泥体积很少 还可用来处理涂料胶乳 塑料胶乳及纸厂废水 这种絮凝剂不仅单独使用是