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1、絮凝和凝聚在固液分离中的应用feigeoer摘要：随着人类对资源的珍惜和更深入、广泛而巧妙地利用，对固液分离的要求也日益提高和严格，迫使固液分离技术也在不断的更新发展，尤其在处理固液时，所用的药剂是不可缺少的。重点介绍了目前常用的固液分离技术一絮凝和凝聚的根本作用机理、应用情况及其发展状况。关键词：絮凝凝聚固液分离有机高分子固液分离属于固液两相流范畴，其中固体颗粒为分散相，连续状态的液相为分散介质，由于他们具有不同的物理性质，所以可用机械方法将之分离。近年来，在生活污水和各种工业废水中，常含有不同种类和数量的悬浮体和胶体。这些悬浮物和胶体的大小在l3o1范围内。由于这些微粒不是以分子状态分散在
2、水中，所形成的体系具有很大的界面，属热力学不稳定体系。但这些颗粒自动凝聚成大颗粒并从水中沉淀出来的速度很慢，原因之一是水中的悬浮体及胶体表面大多带有电荷，颗粒间由于同性电荷的相斥而分散稳定，不互相聚集。故对于这些废水的处理，一般要先脱稳，进而凝聚，絮凝成大颗粒而沉淀出来。1絮凝与凝聚1. 1概念絮凝(flocculation)是水中投入大量或过量的絮凝剂之后，脱稳颗粒直接或间接的相互凝聚生成呈“絮状”的大颗粒而进行卷扫、沉淀分离的过程，该过程紧接着凝聚过程进行。简言之，絮凝是指“微絮凝体”再通过机械或水力搅拌进一步聚集成肉眼可见的大“絮凝体”。凝聚(COagUlatiOn)是颗粒脱稳及其凝结的
3、前步，此时胶体颗粒间的斥力由于物理的和化学的某种效应而部分的去掉，其扩散层被压缩，Zeta电位降低，从而使得胶体颗粒可能黏结在一起的现象或过程。简言之，凝聚是指加药后胶体失去了聚集稳定性(简称“脱稳”)，并通过胶体本身的布朗运动进行碰撞聚集而形成尺寸较小的“微絮凝体”的过程。絮凝和凝聚这俩个阶段仅仅是人们在研究混凝机理时，为了方便解释胶体颗粒脱稳沉降的现象、原因，便于定量定性描述、分析而得出的。但在实际处理中，这俩个阶段的间隔是瞬时的，几乎是同时发生的。絮凝剂和混凝剂这俩个术语，近年来都习惯于用絮凝剂代替。所谓絮凝剂是一些高分子有机化合物，其分子中带有数量较多的极性基（如按基-COOH,胺基-
4、NH）,且极性基普遍分布于整个分子中；同时，其分子量较大，分子较粗，在与矿物颗粒作用时,在不同条件下具有絮凝及对矿物的抑制作用。1.2絮凝与凝聚的作用机理1.2.1 絮凝作用机理在水处理中，絮凝过程主要是将水体中纳米级、微米级的胶体杂质颗粒，在絮凝剂的作用下，经过凝聚-絮凝反应而形成大的絮体颗粒，最后由沉淀、过滤等工艺将其去除。无机高分子絮凝剂的作用机理接近于有机高分子，但其本质上仍是多核羟基络合物的中间产物，相对于氢氧化物沉淀是羟基不饱和的，它们与颗粒物的吸附实际上是表面络合配位作用。表面羟基将会补充其未饱和位。吸附在表面后，仍会从溶液中吸附羟基，继续其水解沉淀过程，直至饱和成为氢氧化物沉淀
5、凝胶，与颗粒物生成絮团。因此无机高分子絮凝剂的絮凝剂机理实际上是表面络合及表面沉积过程。当使用高分子化合物作为絮凝剂时，胶体颗粒和悬浮颗粒与高分子化合物的极性基团或带电基团作用，颗粒与高分子化合物结合，形成体积庞大的絮状沉淀物。因为高分子化合物的极性或带电基团很多，能够在短时间内同许多个颗粒结合，使体积增大的速度快，因此形成絮凝体的速度快，絮凝作用明显。1.2.2 凝聚作用机理用物理或化学方法使分子或离子聚集成胶体粒子的方法叫凝聚法。电解质凝聚是通过加入电解质使微粒悬浮体或胶体中的颗粒的电动电位的绝对值急剧减小，以降低颗粒间的双电层排斥力，从而降低颗粒间的势能垒或者使势能垒完全消失，导致颗粒在
6、第一能谷处形成聚团。在大多数情况下，最理想的凝聚点是在远离颗粒的零电点处。这时就需要加入合适的无机电解质来降低克里的表面电位或电动电位，从而降低颗粒间的双电层排斥力和颗粒间的势能垒，导致颗粒的聚团。电解无机低分子絮凝剂无机阳离子絮凝剂质凝聚主要应用于水处理。在电解质凝聚中，水中的固体颗粒和有害离子发生凝聚,成较大的聚团。从而实现清净水与固体微粒和有害离子的分离。2絮凝和凝聚在固液分离中的应用2.1絮凝剂的供给絮凝剂配制，供给及和悬浮液混合方式，都会影响药剂的絮凝作用，药剂用量,及悬浮液的沉降性能。絮凝剂有颗粒状和胶状两种形态。使用之前须将其溶解并稀释成水溶液，只有当絮凝剂经过一定的溶解和熟化后
7、，聚合物才能发挥最佳效益。溶解的时间长短根据聚合物分子量及类型而定。乳胶状聚合物的溶解、熟化时间比颗粒状聚和物的短。对于颗粒状絮凝剂通常用混合型设备来配制。不过这类设备的缺点是絮凝剂颗粒在水中易形成较大的胶粒，使药剂不能充分发挥作用。英国国家煤炭局选矿研究与发展中心研制的絮凝剂混合器就属这一类型。实验证明这种药剂混合器可将絮凝剂充分地分散到水中，且适用于人工或自动进料。为了在2030min内使药剂完全溶解，可采用慢速机械搅拌。根据絮凝剂种类，将其配制成库存溶液，在加入料浆前再将它们稀释到0.。现0.1%重量浓度，使用淀粉做絮凝剂时通常是配制成0.51重量浓度的溶液。2.2絮凝剂的应用絮凝剂为有
8、一定线形长度的高分子有机聚合物。按组成的不同，一般的可将其分为无机絮凝剂、有机絮凝剂以及近年来兴起的生物絮凝剂；若根据分子量的高低、官能团的特性及官能团离解后所带电荷的性质，可将其进一步分为高分子、低分子、阳离子型、阴离子型和非离子型絮凝剂等，如表1所示。表1絮凝剂的分类无机阴离子絮凝剂无机高分子絮凝剂铝盐无机高分子絮凝剂铁盐无机高分子絮凝剂硅酸金属盐及各种复合絮凝剂有机絮凝剂人工合成有机高分子絮凝剂有机阳离子絮凝剂有机阳离子絮凝剂非离子有机絮凝剂天然有机高分子絮凝剂生物絮凝剂统 絮 凝 剂 都 是 低 分 子的无机盐类，由于其存在投量大、处理效果差等问题，已逐渐被高分子絮凝剂所替代。高分子絮
9、凝剂以其良好的絮凝效果、除浊脱色能力强和操作简便等优点,已成为现代应用中主流絮凝剂。聚合类高分子絮凝剂的生产已占絮凝剂总量的30%-60%o高分子絮凝剂主要有无机高分子絮凝剂、有机高分子絮凝剂和生物絮凝剂三大类。2. 2.1无机絮凝剂传统应用的无机絮凝剂为低分子的铝盐和铁盐。铝盐主要有硫酸铝Al2(SO4)318H20s明矶A12(S0)KzSOj24乩0、铝酸钠(NaAlO2)0铁盐主要有三氯化铁(FeCl36HQ)、硫酸亚铁(FeSO1-60)和硫酸铁Fe2(SO)200研究表明：Fe3A1”絮凝处理能有效降低污水中的有机负荷,实现固液分离，随着絮凝剂浓度的增大,水中CODCr和色度均逐步
10、降低,絮凝固相物质量逐步升高。无机高分子絮凝剂(inorganicpolymerflocculant,IPF)是20世纪60年代以来在传统的铝盐、铁盐混凝剂基础上发展起来的一类新型药剂。无机高分子絮凝剂网的优点反映在它比传统絮凝剂(如硫酸铝、氯化铁等)效果更优异，而比有机高分子絮凝剂(OPF)价格低廉。但是，在形态、聚合度及相应的凝聚一絮凝效果方面，无机高分子絮凝剂仍处于传统金属盐絮凝剂与有机絮凝剂之间的位置。它的相对分子质量和粒度以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高分子絮凝剂发展。2. 2.2有机高分子絮凝剂
11、高分子絮凝剂的分子量，一般在105k)7范围内。絮凝剂的极性基决定其离子特性，例如，选择性絮凝赤铁矿用阴离子型絮凝剂（一COOH,S03H等）的效果较好。阴离子性越强，絮凝效果越好。据报导，用阴离子型聚丙烯酰胺絮凝赤铁矿效果较好。我国长沙矿冶研究所多年来研究祁东微细浸染的赤一磁铁矿，采用絮凝脱泥一弱磁一离心选矿机一再磨一絮凝脱泥流程，工业试验获得了良好指标，其突出特点是利用腐植酸钱絮凝剂。目前使用的有机高分子絮凝剂，主要有合成和改性俩种。（1）人工合成有机高分子絮凝剂人工合成有机高分子絮凝剂多为聚丙烯、聚乙烯物质，如聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺等。我国当前使用较多的是聚丙烯酰胺（俗称三号絮凝剂），为
12、非离子型高聚物，常与铁、铝盐合用，目前生产的人工合成有机高分子絮凝剂中80%是这种产品。某选煤厂选用2种凝聚剂和絮凝剂对煤泥水进行絮凝沉降试验,使煤泥水中的煤泥颗粒絮凝成较大的絮团而快速沉淀,达到固液分离的目的。s维尔等人的研究表明：在不同混合程度下,UMA0絮凝剂比标准絮凝剂要好，这是由于UMA。絮凝剂分子容易分散在悬浮液中,形成的絮团强度较大。1,01（2）天然有机高分子絮凝剂在环保意识日益增强的今天，愈来愈多的研究者注意到天然改性高分子絮凝剂在应用上的低毒、易生物降解、原料来源广、价格较低等特点，其主要方法是将天然淀粉、纤维素类、植物胶改性为高分子絮凝剂。2. 2.3生物絮凝剂生物絮凝剂
13、（microorganismflocculant）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、价廉的水处理药剂。由于生物絮凝剂的独特优越性，今后由它取代传统的絮凝剂是一个无可阻挡的趋势。但当前由于生产成本较高，活性絮凝剂保存困难、絮凝剂处理功能单一等难题，它的实际应用与其他絮凝剂相比都相差甚远。2. 2.4复合絮凝剂近年来，研究人员开始了对复合絮凝剂的研制。实践证明复合絮凝剂表现出优于单一絮凝剂的效果。蒋朝澜等人通过研究证实，复合絮凝-多梯度磁滤或絮凝-高梯度磁滤是转炉钢厂除尘废水最优净化法。1,11从化学组成上来看，复合絮凝剂大致上可分为无机复合絮凝剂、有机复合絮凝剂以及
14、无机有机复合絮凝剂三大类。研究表明，无机有机复合絮凝剂的絮凝效果较佳,有望成为新生代的高效混凝剂。复合絮凝剂的品种见表20表2复合絮凝剂的品种复合絮凝剂无机复合型聚合氯化铝铁聚合硫酸铝铁聚合硅酸铝聚合硅酸铁聚合硅酸铝铁聚合磷酸铝铁无机有机复合型聚合铝-聚丙烯酰胺聚合铁-聚丙烯酰胺聚合铝一甲壳素聚合铁甲壳素2.3凝聚剂的应用151凝聚剂主要为无机盐电解质。无机盐电解质的金属离子应和颗粒所荷离子的电性相反，且离子的价态越高，所起凝聚作用越强，与絮凝剂相比，无机电解质价廉，且对微细固体颗粒的作用较为有效，但凝聚体的粒度不大，故常与絮凝剂联合使用。显然，凝聚剂也应分为阳离子型和阴离子型，由于大部分物质
15、的颗粒荷负电，因此工业上常用的多为阳离子型，其可分为：无机盐类：如硫酸铝A12(SO4)318H20)和硫酸铝钾,俗称明研K1(SO1)2120);硫酸铁和硫酸亚铁(绿矶FeSO47H20);碳酸镁(MgCO3)铝酸钠(NaAlO2);氯化铁和氯化铝等；金属氢氧化物：如氢氧化铝、氢氧化铁、氢氧化钙或石灰等；聚合无机盐：是一类高效凝聚剂，主要是聚合铝、聚合铁，可细分为：碱式氯化铝、碱式硫酸铝、碱式氯化铁和碱式硫酸铁。聚铁无机高分子化合物是利用废铁锈及废酸等制得，实践表明它不仅能使微细粒固态物料凝聚成相当大的絮团，而且对去除COD、BOD色度等也均有很好的效果。使用无机大分子凝聚剂需要有较长的搅拌时间，有报道说应1530分钟。可用作阴离子型凝聚剂的化合物很少，最常用的是六聚偏磷酸钠（NazPOjJ。3絮凝和凝聚在固液分离中的发展近年来工业和生活污水处理及沉渣处置时，显著地扩大了絮凝剂的应用。在新建的装置中，物理化学处理方法其中包括絮凝法，有的已完全取代了生物处理方法。由于絮凝在水处理中的重要作用，絮凝科学日渐发展成为一门重要的学科。目前使用的高聚物絮凝剂产生絮凝作用，应具备以下几个条件：D可溶性；2）高分子链上要有吸附基团；3）高分子链是线型的，并有适合于分子链伸展的环境;4）高分子链要有一定的长度，使
