第六章物理化学处理法
6.1混凝
6.1.1基础理论
6.1.1.1胶体凝聚机理
胶体因?电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳。脱稳的胶粒相互聚集为微絮粒的过程称为凝聚。不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳或凝聚。按机理，脱稳和凝聚可分为压缩双电层、电性中和、吸附架桥和网捕4种。
(1)压缩双电层
压缩双电层是指在胶体分散系中投加能产生高价反离子的活性电解质，通过增大溶液中的反离
子强度来减小扩散层厚度，从而使?电位降低的过程。该过程的实质是新增的反离子与扩散层内原有反离子之间的静电斥力把原有反离子程度不同地挤压到吸附层中，从而使扩散层减薄。
如果从胶粒间相互作用势能的角度分析，那么在胶粒间存在静电斥力的同时，总是存在着范德华引力，两种力的作用强度可分用排斥势能和吸引势能来表述。胶体的稳定性就取决于上述两种势能中何者占主导地位。
从理论分析说明，排斥势能和吸引势能都随与胶粒中心距离的缩小而增大，不同的是吸引势能的变化幅度要比排斥势能陡峭，而且与溶液中的反离子强度无关，而排斥势能则与反离子强度紧密相关。因此，对一种特定胶体只有一种吸引势能曲线，但随反离子强度的不同而有多种排斥势能曲线。将排斥势能WR和吸引势能WA叠加，可得作用于粒子上的总势能W。胶粒间作用势能与中心距的关系可用图6.1所示的势能曲线表述。图中，WR(1)表示低反离子强度下的高排斥势能曲线，WR(2)为高反离子强度下的低排斥势能曲线。如果对WR和WA进行几何叠加，可绘出相应的综合势能曲线W(1)＝WR(1)+WA和W(2)=WR(2)+WA。由图可见，在d=(1~4)δ范围内，W（1）曲线位于橫轴上方，并在d=d2处出现一个极小值Wmin，最后趋近于零。W(2)曲线则随d值由大变小而连续增大，并始终处于橫轴下方。
上述W(1)曲线上的极大值Wmax称为势能峰或势能垒，可看作胶粒接触碰撞所必须克服的“活化能”，只有将它降低到小于胶粒的动能时，胶粒之间才能发生碰撞和凝聚。在稳定的胶体分散系中，胶粒的动能主要来自布朗运动，其值不过1.5kT(k为波尔兹曼常数，k=1.3810－23J/K，T为绝对温度(K)，而势能峰却高达数百以至数千kT，因而胶粒始终不能超越势能峰的阻碍而发生凝聚。但是，如果向体系中投加电解质来压缩双电层，使?电位由??降低至?2，WR曲线由WR(1)降低至WR(2)。此时W曲线上的Wmax值依次减小并向左移动。当W由W(1)将低至Wc时，胶粒开始脱稳；当?＝?时，势能峰消失，?W曲线进一步降低至在所有d值范围内WA都占主导的W(2)，胶粒的每次碰撞都促成聚集，胶体分散系便达到了快速凝聚状态。
(2)电性中和
当投加的电解质为铁盐、铝盐时，它们能在一定的条件下离解和水解，生成各种络合离子，如[AL(H2O)6]3＋、[AL(OH)(H2O)5]2+、[AL2(OH)2(H2O)5]4+和[AL3(OH)5(H2O)9]4+等。这些络合离子不但能压缩双电层，而且能够通过胶核外围的反离子层进入固液界面，并中和电位离子所带电荷，使ψ电位降低，?电位也随之减小，达到胶粒的脱稳和凝聚，这就是电性中和。显然，其结果与压缩双电层相同，但作用机理是不同的。
(3)吸附架桥
如果投加的药剂是水溶性链状高分子聚合物并具有能力与胶粒和细微悬浮物发生吸附的活性部位，那么它就能通过静电引力、范德华引力和氢键力等，将微粒搭桥联结为一个个絮凝体（俗称矾花）。这种作用就称为吸附架桥。聚合物的链状分子在其中起了桥梁和组带的作用。
吸附架桥的凝聚模式如图6.2。显然，在吸附架桥形成过程中，胶粒和细微悬浮物并不一定要脱稳，也无需直接接触，?电位的大小也不起决定作用。但聚合物的加入量及搅拌强度和搅拌时间必须严格控制，如果加入量过多，一开始微粒就被若干个高分子链包围，微粒再没有空白部位去吸附其它的高分子链，结果形成为吸附部位的稳定颗粒。如果搅拌强度过大或时间过长，架桥就会断裂，絮凝体破碎，并形成二次吸附再稳颗粒。
(4)网捕或卷扫
当用铁、铝盐等高价金属盐类作混凝剂，而且其投加量和介质条件足以使它们迅速生成难溶性氢氧化物时，沉淀就能把胶粒或细微悬浮物作为晶核或吸附质而将其一起除去。
图6.1胶粒间势能曲线图6.2高分子絮凝剂的吸附架桥作用
图6.1胶粒间势能曲线
图6.2高分子絮凝剂的吸附架桥作用
6.1.1.3颗粒碰撞理论
水中悬浮颗粒脱稳后，在水力作用下会发生凝聚，逐渐形成粒度较大易于在后续沉淀或气浮设备中得到去除。要完成这些步骤，一个必要的条件是使颗粒相互碰撞。推动水中颗粒相互碰撞的动力学来自两方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌下所造成的流体运动。
图6.3层流条件下颗粒碰撞示意图6.3表示水流处于层流状态下的流速分布，i和j颗粒均跟