混凝劑種類和助凝劑

一、混凝劑種類

按無機和有機類可分成以下幾種：

 

1． 硫酸鋁
    硫酸鋁含有不同數量的結晶水，Al₂(SO₄)₃·18H₂O，其中n=6、10、14、16，18和27，常用的是Al₂(SO₄)₃·18H₂O其分子量為666.41，比重1.61，外觀為白色，光澤結晶。
    硫酸鋁易溶于水，水溶液呈酸性，室溫時溶解度大致是50％，pH值在2.5以下。沸水中溶解度提高至90％以上。
    硫酸鋁使用便利，混凝效果較好，不會給處理后的水質帶來不良影響。當水溫低時硫酸鋁水解困難，形成的絮體較松散。
    硫酸鋁在我國使用較為普遍，大都使用塊狀或粒狀硫酸鋁。根據其中不溶于水的物質的含量，可分為精制和粗制兩種。
硫酸鋁易溶于水，可干式或濕式投加。濕式投加時一般采用10—20％的濃度(按商品固體重量計算)。硫酸鋁使用時水的有效pH值范圍較窄，約在5.5—8之間，其有效pH值隨原水的硬度含量而異：對于軟水，pH值在5.7—6.6；中等硬度的水為6.6—7.2；硬度較高的水則為7.2—7.8。在控制硫酸鋁劑量時應考慮上述特性。有時加入過量硫酸鋁，會使水的pH值降至鋁鹽混凝有效pH值以下，既浪費了藥劑，又使處理后的水發混。
    粗制硫酸鋁中有效氧化鋁含量基本與精制相同，主要是不溶于水的物質含量高，廢渣較多，較好用熱水并拌以攪拌，才能完全溶解，因含有游離酸，酸度較高，腐蝕性強，溶解與投加設備應考慮防腐。

2． 聚合氯化鋁
    聚合氯化鋁是一種無機高分子混凝劑。六十年代， 日本在供應與應用方面做了大量工作，有逐步取代硫酸鋁的趨勢。我國在1973年曾在成都召開全國新型混凝劑技術經驗交流會，會上對聚合氯化鋁的產品質量提出了要求，其中要求含氧化鋁(Al₂O₈)10％以上，堿化度為50—80％，不溶物1％以下等。
    我國某些地區仍將聚合氯化鋁稱為堿式氯化鋁[A1_n(OH)_mCl_3n-m]，這是由于對它的基本化學式的不同理解而造成的。聚合氯化鋁的化學式應表示為[Al₂(OH)_nC1_8-n]_m，其中n可取1到5中間的任何整數，m為≤10的整數。這個化學式實際指m個A1₂(OH)_nCl_6-n(稱羥基氯化鋁)單體的聚合物。
    聚合氯化鋁中OH^-與Al的比值對混凝效果有很大關系，一般可用堿化度B表示：，例如n＝4時，堿化度。一般要求B為40～60％。
　

聚合氯化鋁作為混凝劑處理水時，有下列優點：
(1)對污染嚴重或低濁度、高濁度、高色度的原水都可達到好的混凝效果。
(2)水溫低時，仍可保持穩定的混凝效果，因此在我國北方地區更適用。
(3)礬花形成快；顆粒大而重，沉淀性能好，投藥量—般比硫酸鋁低。
(4)適宜的pH值范圍較寬，在5—9間，當過量投加時也不會像硫酸鋁那樣造成水渾濁的反效果。
(5)其堿化度比其他鋁鹽、鐵鹽為高，因此藥液對設備的侵蝕作用小，且處理后水的pH值和堿度下降較小。
    聚合氯化鋁的混凝機理與硫酸鋁相同，硫酸鋁的混凝機理包括了開始的鋁離子，較后的氫氧化鋁膠體和其中間產物(各種形態的水解聚合物)的作用。對于水中負電荷不高的粘土膠體，較好利用正電荷較低而聚合度大的水解產物，而對于形成顏色的有機物，則以正電荷較高的水解產物發揮作用為宜。但硫酸鋁的化學反應甚為復雜，不可能根據不同水質人為地來控制水解聚合物的形態。至于聚合氯化鋁則可根據原水水質的特點來控制供應過程中的反應條件，從而制取所需要的較適宜的聚合物，當投入水中，水解后即可直接提供高價聚合離子，達到優異的混凝效果。
目前我國聚合氯化鋁應用中存在的問題主要是各地土法綜合利用制得的產品，因受原 料、工藝條件等限制、質量受到影響，而各地區又缺乏具有完善工藝的專門供貨商。

3． 三氯化鐵
    三氯化鐵(FeCl₃·6H₂O)是一種常用的混凝劑，是黑褐色的結晶體，有強烈吸水性，很 易溶于水，其溶解度隨溫度上升而增加，形成的礬花，沉淀性能好，處理低溫水或低濁水效果比鋁鹽好。我國供應的三氯化鐵有無水物、結晶水物和液體。液體、晶體物或受潮的無水物腐蝕性很 大，調制和加藥設備需考慮用耐腐蝕器材(不銹鋼的泵軸運轉幾星期也即腐蝕，用鈦制泵軸有較好的耐腐性能)。
三氯化鐵加入水后與天然水中堿度起反應，形成氫氧化鐵膠體，其反應式為

                  (1.15)

    以上反應式只是一個粗略的表示方法，實際上要復雜得多，當被處理水的堿度低或其投加量較大時，在水中應先加適量的石灰。
    水處理中配制的三氯化鐵溶液濃度宜高，可達46％。
    三氯化鐵的優點是形成的礬花比重大，易沉降，低溫、低濁時仍有較好效果，適宜的pH值范圍也較寬，缺點是溶液具有強腐蝕性，處理后的水的色度比用鋁鹽高。

4． 硫酸亞鐵
    硫酸亞鐵FeS0₄·7H₂0是半透明綠色結晶體，易于溶水，在水溫20℃時溶解度為21％。
    硫酸亞鐵離解出的Fe²⁺只能生成簡單的單核絡合物，因此，不如三價鐵鹽那樣有良好的混凝效果。殘留于水中的Fe²⁺會使處理后的水帶色，當水中色度較高時，Fe²⁺與水中有色物質反應，將生成顏色更深的不易沉淀的物質(但可用三價鐵鹽除色)。根據以上所述，使用硫酸亞鐵時應將二價鐵先氧化為三價鐵，然后再起混凝作用。
當水的pH值在8.0以上時，加入的亞鐵鹽的Fe²⁺易被水中溶解氧氧化成Fe³⁺

                       (1.16)

當水的pH值<8.0時，則可加入石灰去除水中CO₂

         (1.17)

石灰用量可按下式估算：

                 [CaO]=0.37a+1.27CO₂                   (1.18)

式中 a——FeSO₄的投加量(毫克/升)；
CO₂——水中CO₂的含量(毫克/升)。

當水中沒有足夠溶解氧時，則可加氯或漂白粉予以氧化：

         (1.19)

理論上1毫克/升FeSO₄需加氯0.234毫克/升。
    處理飲用水時，硫酸亞鐵的重金屬含量應很 低，應考慮在較高投藥量處理后，水中的重金屬含量應在國家飲用水水質標準的限度內。
    鐵鹽使用時，水的pH值的適用范圍較寬，在5.0—11間。

5． 碳酸鎂
    鋁鹽與鐵鹽作為混凝劑加入水中形成絮體隨水中雜質一起沉淀于池底，作為污泥要進行適當處理以免造成污染。大水凈化企業產生的污泥量甚大，因此不少人曾嘗試用硫酸回收污泥中的有效鋁、鐵，但回收物中常有大量鐵、錳和有機色度，以致不適宜再作混凝劑。
    碳酸鎂在水中產生Mg(0H)₂膠體和鋁鹽、鐵鹽產生的A1(OH)₃與Fe(OH)₃膠體類似，可以起到澄清水的作用。石灰蘇打法軟化水站的污泥中除碳酸鈣外，尚有氫氧化鎂，利用二氧化碳氣可以溶解污泥中的氫氧化鎂，從而回收碳酸鎂。

    圖1.7表示出在一般給水處理企業內，循環使用碳酸鎂的工藝流程。
    從圖1.7可見，用新鮮的碳酸鎂[MgCO₃·3H₂O]或是循環回流的鎂鹽溶液[MgCO₃+Mg(HCO₃)₂]作混凝劑的同時，投加石灰提高水的pH值至10～11，經水解后，形成Mg(OH)₂膠體。

        (1.20)

    氫氧化鎂膠體與水中雜質吸附后下沉，形成的污泥送至碳酸化池。通入二氧化碳，使之生成碳酸氫鎂。

(1.21)

    經真空過濾后，其濾液即可重復加以利用。過濾后的污泥經浮選去除粘土，余下的碳酸鈣經離心分離后，送往焙燒窖焙燒，生成二氧化碳與生石灰。

(1.22)

以上碳酸氫鎂與生石灰都可再投入原水中重復使用。

      (1.23)

二氧化碳則送入碳酸化池。
    以上各種化學劑都可重復使用，既可節省藥劑，又可減少污泥量。該工藝流程，根據實際使用結果表明，鎂鹽回收率可達80％以上，鎂鹽形成的礬花比鋁鹽的大且重，易于沉淀。 該項工藝可以與石灰軟化法軟水工藝結合使用。假如河流水或地下水中Mg²⁺含量較高，就有可能不投加新碳酸鎂而完全進行循環。

6. 有機合成高分子混凝劑
    高分子混凝劑一般都是線型高分子聚合物，它們的分子呈鏈狀，并由很多鏈節組成，每一鏈節為一化學單體，各單體以共價鍵結合。聚合物的分子量是各單體的分子量的總和，單體的總數稱聚合度。高分子混凝劑的聚合度即指鏈節數，約從1000～5000，低聚合度的分子量從1000至幾萬，高聚合度的分子量從幾千至幾百萬，高分子混凝劑溶于水中，將生成大量的線型高分子。
高分子聚合物的單體含有可離解官能基團時，沿鏈狀分子長度就具有大量可離解基團， 常見的有—COOH、—SO₃H、—PO₃H₂、—NH₃OH、—NH₂OH等?；鶊F離解即形成高聚物離子。根據高分子在水中離解的情況，可分成陰離子型、陽離子型和非離子型。當單體上的基團在水中離解后，在單體上留下帶負電的部位(如* －SO₃^-或－COO^-)，此時整個分子成為帶負電荷的大離子，這種聚合物稱陰離子型聚合物；當在單體上留下帶正電的部位(如*—NH₃⁺、－NH₂⁺)而整個分子成為一個很大的正離子時，稱為陽離子型聚合物；不含離解基團的聚合物則稱為非離子型聚合物。有時在單體上同時帶有正電和負電的部位，這時就以正，負電的代數和代表高分子離子型的電荷。
    聚丙烯酰胺(PAM)為非離子型聚合物。它的產量占高分子混凝劑經營總量的80％，是一種較重要的和使用較多的高分子混凝劑。在我國西北地區用來處理高濁度水，也稱為三號絮凝劑，其結構式為 ：

我國有的產品聚合度大2萬—9萬，分子量可達150萬—800萬。
高分子混凝劑的凝聚作用主要通過以下二方面進行。
(1)由于氫鍵結合、靜電結合、范德華力等作用對膠粒有較強的吸附結合力。
(2)因為高聚合度的線型高分子在溶液中保持適當的伸展形狀，從而發揮吸附架橋作用把許多細小顆粒吸附后，纏結在一起。
    為了使高分子混凝劑能更好地發揮架橋和吸附作用，理論上應使高分子的鏈條延伸為較大長度并使可以電離的基團達到較大電離度，其目的是為了產生較多的帶電部位，有利用吸附和由于這些帶電部位的同號電荷的相斥力，使高分子鏈條延伸為較大長度，有利于架橋，見圖1.8。

    據我國西北地區的使用經驗，堿化后的聚丙烯酰胺的混凝效果比未堿化的提高幾倍。但據有的研究表明：過多的酰胺基轉化為羧酸基會帶來不利因素，因羧酸基與膠粒的親合力比酰胺基小并且羧酸基增多不利于與帶負電的膠結合，因此在經營中要選取適當的加堿比(NaOH與聚丙烯酰胺用量的重量比稱加堿比)，控制水解時間和條件，使水解度處于較佳范圍內。有的研究者建議，當用聚丙烯酰胺作助凝劑時，配制濃度取0.5％加堿比20％(純重量比)，水解4小時后稀釋到0.1％，然后投加，取得好的效果(因水解時粘度會增加，不易均勻混合，稀釋后有較好的混合效果）。
    聚丙烯酰胺作為助凝劑常與其它混凝劑一起使用，產生良好的混凝效果。一般情況下，當原水濁度低時，宜先投加其他凝混劑，后投聚丙烯酰胺(相隔半分鐘為宜)，使雜質顆粒先行脫穩到一定程度為聚丙烯酰胺大離子的絮凝作用創造有利條件；如原水濁度較高時，宜先投聚丙烯酰胺，后投其它混凝劑，在于讓聚丙烯酰胺先在較高濁度水中充分發揮作用，吸附一部分膠粒，使濁度有所降低，其余膠粒由其他混凝劑脫粒脫穩，再由聚丙烯酰胺吸附，這樣可降低其他混凝劑的劑量。
    聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺聚合而成，其中還剩有少量未聚合的丙烯酰胺單體。這種單體，經由動物試驗和職業病害獲得證實，是有毒的。國外有人建議：對人的丙烯酰胺的容許攝入量為0.5微克/公斤體重·日，因此對投加量需適當限制。英國規定：混凝劑中單體丙烯酰胺的含量須在0.05％以下；飲用水中聚丙烯酰胺的投加量較大為1.0毫克/升，平均為0.5毫克/升。

7． 天然高分子混凝劑
    很多天然高分子物質如膠、淀粉、纖維索、蛋自質、藻類等都有混凝和助凝作用。我國天然野生植物很多，可以就地取材為水處理服務，比較有效的有海藻酸鈉、木刨花、榆樹根，松樹籽等天然高分子物質，但應注意以下幾點：
(1)首先對這些物質是否存在其他有毒物質進行毒理學的鑒定。
(2)應研究弄清天然高分子的結構和性能，以便今后有效地進行有機合成。
(3)研究提取和保存有效成分的方法。

二、助凝劑
    助凝劑本身可以起凝聚作用，也可不起凝聚作用，但與混凝劑一起使用時，它能促進水的混凝過程，產生大而結實的礬花。
助凝劑可以分成：
1． 酸、堿類
    用以調整水的pH值，籍以控制良好的反應條件，較常用的是石灰。
2． 絨粒核心類
    用以增加礬花的骨架材料和改善礬花的結構，增加礬花的重量。如在水中加粘土或沉泥 一類大顆粒，可加快礬花的形成和沉降，尤其是在低濁水中適用。投加高分子物質可以改善礬花結構并起架橋絮凝作用。無機助凝劑中活化硅酸的應用已*重視?；罨杷嵯涤伤Ａ樵?，用各種活化劑(一般用硫酸)處理而得，應看作是一種陰離子型無機高分子電解質。
3． 氧化劑類
    可用來破壞起干擾作用的有機物，如投氯氧化有機物。又如用氯氧化硫酸亞鐵成為高鐵。此外有資料證明投加臭氧能改善混凝作用。