试验混凝及胶凝

1、混凝及膠凝一、膠體特性混凝及膠凝是水及廢水處理中相當重要的一項程序 ，此項程序主要是去除水 中分散而不易沉降的懸浮固體物質 ，這些不易沉降的懸浮固體物質其顆粒大小介 於0.1 nm(10-7mm至100 m(1C)1mm之間。而膠體顆粒的大小介於 1nm(106mm至1 卩m(l03mm之間，在整個不易沉降的懸浮固體物質中佔有相當大的比例。由於膠 體粒子很小，而每單位體積之膠體粒子含有相當大的表面積 (亦即具有相當大的 比表面積)，此項特性使得膠體粒子在水中具有吸附水分子或離子的能力，也使 得膠體粒子在水中成為帶電體。膠體粒子之帶電性可以為正電荷或是負電荷，其 電荷種類及電荷大小依膠體物質之種

2、類及周圍溶液之特性而定 。膠體粒子表面吸 附的水層或相反離子層稱為固定層 (fixed layer) ，此層與外界游離水的界面稱 為剛液面 (rigid solution layer) 或剪力面 (plane of shear) 。為維持溶液之電 中性，於固定層外面吸附有與膠體粒子相反電荷之反離子 (counter-ion) ，其範 圍稱為反離子擴散層 (diffuse layer of counter-ion) ，固定層與反離子擴散層 合稱為電雙層 (electrical double layer) 。膠體粒子依其對水的親和性，可以區分為親水性 (hydrophilic) 膠體及疏水 性 (

3、hydrophobic) 膠體，親水性膠體因為其周圍吸附有一水層，形成膠體粒子間 接觸凝聚的障礙，使得膠體粒子保持分散狀態，這是親水性膠體粒子在水溶液中 保持穩定而不易沉降的原因造成 。疏水性膠體則靠著電雙層的互斥作用而保持穩 定。二、混凝及膠凝作用混凝的意義就是要打破膠體粒子的穩定狀態 ，也就是降低粒子與粒子間的互 斥電位，使粒子能相互接觸而凝聚。讓凝聚後的膠羽成為較大的個體而增加其沉 降速度，稱為膠凝。降低粒子間互斥電位的方法有增加電荷或是電解質濃度，這 些電解質通稱為混凝劑 (coagulant) ，為了增加電荷，常被用做為混凝劑的電解 質有三價的鐵鹽或鋁鹽。當混凝劑加入水或廢水中時 ，

4、即發生膠體之去穩定化作用 (destabilization) 並形成膠羽。膠體去穩定化的反應機構有以下的幾種方式：1. 壓縮電雙層當加入高離子強度的電解質至水中時，會使得膠體粒子所吸附的反離子擴 散層具有較高濃度的電荷，為維持溶液的電中性，其擴散層的體積勢必減少，因 而壓縮電雙層厚度 ，造成粒子與粒子間的互斥力降低 ，增加膠體粒子凝聚的機會 。2. 吸附及電價中和加入適量的混凝劑可以獲得良好的混凝效果，但如果加藥量過多時則會產 生再穩定化 (restabilization) 的現象。例如帶正電的有機化合物十二烷銨離子 (C12H25NH)為疏水性離子，能吸附在帶負電的混濁粒子上，成為中性並凝聚

5、在一 起。但如果加入過量的十二烷銨離子，則又成為帶正電而穩定的離子。3. 沈澱絆除 當加入高劑量的鐵鹽或鋁鹽混凝劑時，若溶液中的金屬離子與氫氧根離子的濃度乘積大於金屬氫氧化物之溶解度積常數時 (Ksp) ，則會以膠體粒子為核心 形成沈澱物而沉降，同時於沉降過程中造成掃曳絆除 (sweep) ，截流膠體而使其 產生沉降。4. 吸附及架橋作用 此種機構主要發生在長鏈且帶電的高分子有機聚合物上。其作用主要是利用聚合物之結構鏈上具有可吸附膠體之活性空位 (active sites) ，可在兩個膠體 粒子間形成架橋作用。藉此空位之一連串吸附作用形成較大之膠羽，而達到混凝 之目的。三、混凝劑一般常用的混凝

6、劑主要為鐵鹽或鋁鹽，當混凝劑加入水中後即產生游離，金屬離子進行水解產生多價且電荷為正價之羥 丨弓)基-金屬離子錯合物，這些 化合物可以Me(OH)表示，例如：鋁鹽加入水中後形成 A|6(OH)i53+、ALQH)/、 A|8(OH)2o4+、Al i3(OH)345+等羥基鋁離子錯合物，鐵鹽加入水中後形成F(OH)24+及Fe2(OH)45+等羥基-鐵離子錯合物。這些羥基-金屬離子錯合物被吸附於負價 電荷的膠體粒子表面，因而降低界達電位，使得粒子與粒子間的互斥力降低，因 而破壞膠體粒子的穩定狀態，在耤由膠體粒子間的凡得瓦力而互相凝聚。以下為 幾種常見混凝劑的的特性及其與鹼度間之化學反應。(一)

7、 、硫酸鋁(Aluminum Sulfate , Alum AI(SO4) 3.18H2O)硫酸鋁又稱明礬，價廉、無毒，加入後不增加水中的色度，還兼具有有脫色 的作用，用法簡單，可以大量使用，同時可以適用各種原水水質，是淨水程序中 最普遍使用之混凝劑。使用硫酸鋁時水中須有足夠之鹼度，才能反應產生金屬氫 氧化物的沈澱。產生膠羽的化學反應如下：AI2(SO4)3 18H2O 3Ca(HCO3)2 2AI(OH)3 3CaSq 6CO2 18H2O若水中無足夠的鹼度時，可以加入消石灰(Ca(OH)2)，產生OH鹼度，或加入 蘇打灰產生CO2-鹼度，其反應如下：AI2(SO4)3 18H2O 3Ca(

8、OH)2 2Al(OH)3 3CaSQ 18H2OAI2(SO4)3 18H2O 3Na2CO3 3H2O 2Al(OH)3 3Na2SO4 18H2O 3CO2(二) 、硫酸鐵(Ferric Sulfate)硫酸鐵係無水化合物、塊狀而易溶於水中。硫酸鐵主要是和自然水中之氫碳 酸鹽鹼度反應生成氫氧化鐵，其反應如下：Fe(SO4)3 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3；3CaSC4 6CO2通常三價的鐵鹽具有較廣的pH值適用範圍(411)，硫酸鐵在較低pH值對脫 色具有良好的效果。(三) 、氯化鐵(Ferric Chloride )氯化鐵有液狀、結晶或無水狀，一般較少適用於給水的淨水程序中。

9、和硫酸 鐵一樣，氯化鐵和水中之氫碳酸鹽鹼度反應生成氫氧化鐵，其反應如下：FeCI3 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH) ;!3CaCI2 6CO2若水中鹼度不足，則可以加入消石灰形成氫氧化物，其反應如下：2FeCI3 3Ca(OH)2 、2Fe(OH)3 3CaCI2氯化鐵和硫酸鐵一樣，其適用 pH值範圍為411,所形成的膠羽屬於質密且能 快速沉降。(四) 、硫酸亞鐵(Ferrous Sulfate)硫酸亞鐵需要含有OH形式的鹼度，才能產生快速的沉降。因此通長於水中 加入Ca(OH)，以提高pH值產生氫氧化物沈澱，此反應屬於氧化還原反應，通常 在水中必須含有一定量的溶氧。其反應如下：2FeS

10、C4 7H2O 2Ca(OH)2 1/2O2 2Fe(OH)3 2CaSO4 13H2O四、助凝劑助凝劑之作用主要是使混凝劑能充分發揮其效能或提高其混凝效果，節省混 凝劑之用量。較常用之助凝劑有以下三種：1. 氧化劑：當原水較難澄清或因溶解性有機物質引起色度時 , 可以採用此一類 之氧化劑，較常用者為氯氣、次氯酸鹽、臭氧或高錳酸鉀等。2. 增重劑：用以增加膠羽之重量， 對於低濁度、 高色度之原水較適合，白陶土、 黏土、水泥塵、灰飛或沉澱污泥等均屬此類。3. 聚電解質：可以分為陰離子聚電解質(含負電荷)、陽離子聚電解質( 含正電荷) 及兩性聚電解質。聚電解質主要是藉著化學架橋作用或膠羽與聚合物

11、反應基間之交互作用，以促進混凝作用。聚電解質有自然來源的，如澱粉、 纖維素、洋菜等，或是人工合成的，如活性矽酸 (activated silica) 為一種 無機性陰離子聚電解質，主要由矽酸鈉所組成。五、影響混凝作用之各項因素在水或廢水處理中， 影響混凝劑作用之各項因子有： (1)原水的 pH 值，(2) 原水的陰、陽離子的物質組成及濃度， (3)混凝劑的種類及加藥量， (4)水溫， ( 5)原水的水質，( 6)原水濁度、懸浮固體物，( 7)攪拌方法與時間等。這 些影響因子對混凝作用影響的大小通常可以藉由實驗室或是模廠之混凝試驗研 究加以了解。尤其是混凝劑之加藥量，在設計淨水廠之前應就不同季節

12、時的原水 作混凝實驗，以作為混凝設備設計之基本資料。如前所述，影響混凝及膠凝作用 的因素很多，在日常操作時，決定最適宜的混凝劑加藥量必須由實驗求得。混凝 實驗的方法主要有兩種： (1) 瓶杯試驗 (Jar test) ，(2) 測定界達電位。這兩者中 以瓶杯實驗最為常用，其所需的設備簡單、結果較正確。六、混凝效果的評價法以瓶杯試驗方法決定混凝劑的最佳添加劑量時 ，可以利用下列的方法來評斷 混凝的效果 (1) 以目測法判定膠羽的大小 ，(2) 以目測或利用分光光度計測量澄清 水樣的濁度或色度， (3) 最初出現膠羽的時間， (4) 以化學分析方法測定成清水樣 中剩餘混凝劑的濃度 ，(5) 膠羽的

13、沉降速度，(6) 測定水中顆粒的界達電位等方法 。例題原水含濁度15TU及氫碳酸根鹼度50mg/L,經瓶杯試驗後所得之實驗結果如下 表，試求最佳pH值、混凝劑劑量及最佳添加劑量時鹼度消耗量pH值5.05.56.06.57.07.5鋁鹽劑量(mg/L) 101010101010濁度1175.55.7813pH值6.06.06.06.06.06.0鋁鹽劑量(mg/L) 5710121520濁度149.554.5613解：依兩組實驗結果繪製如下圖。由圖上可以看出，最佳的 pH值為6.25，添加 劑量為12.5mg/L。其鹼度的消耗量，依反應式得知 1莫耳的硫酸鋁消耗3莫耳 的Ca(HCO2,因此氫碳

14、酸根的消耗量為：12.5 10g/L666g/mole= 1.88 10 moles/L345432(1.88 X10-) = 1.13 XI0- moles= 6.9mg/LHCO-pH值鋁鹽劑量(mg/L)混凝劑之最佳添加劑量及適用 pH 值一、實驗設備：1、瓶杯試驗機 (JAR TEST)2、分光光度計3、pH計或石蕊試紙二、所需器材及藥品1、1升燒杯 6個2、塑膠吸管 3 支3、試管( 分光光度計用 )2 支4、硫酸鋁(Al 2(SO)3.18H20)5、石灰(CaO)或蘇打灰(Na2C0)6 0.1M 的 NaOH及 HSO三、實驗前準備事項：1. 水樣：取池塘水 5公升，並加入 0

15、.1g 的水泥灰至水中，以形成具有色度及 濁度的水樣。2. 添加約5g的碳酸鈉(NaCO)至水中，使水樣鹼度至少達 0.5 meq/L(25 mg/L 以 CaCO3 表示)四、實驗步驟：1 、 利用分光光度計於 560 nm 分析原水樣之吸光度。2、分析取水樣 200毫升置於燒杯內，加入少量硫酸鋁後，快混 1 分鐘，慢混 3 分鐘，若無膠羽出現則增加混凝劑添加劑量直至膠羽出現，記錄混凝劑添加 量。3、六個燒杯中，各放入水樣500ml，攪拌均勻後，用NaOH或H2SO調整pH值為 4.0 ， 5.0 ， 6.0 ， 7.0 ， 8.0 ， 9.0 。4、加入由步驟一所得的混凝劑添加劑量至各燒杯中。經快混 (125rpm)3 分鐘， 慢混(25rpm)20分鐘後靜置30分鐘，取樣分析上層澄清液的吸光度，以決定 最佳的使用pH值。5、重複上述的步驟，但先行調整各溶液的 pH值至最佳的pH值。分別加入不同 的硫酸鋁劑量至燒杯中，觀察生成膠羽的大小、膠羽的高度，沉降速度，並 分析上層澄清液的吸光度，以決定最佳的混凝劑添加劑量。五、實驗記錄:1. 原水水質：項目吸光度pH值鹼度含量2. 實驗步驟一之混凝劑添加劑量:3.選擇最佳pH值pH值456789最初吸光度最終吸光度膠羽岀現時間膠羽厚度沉降時間4.最佳添加劑量添加量最初吸光