混凝

自然沉降不能去除所有的悬浮物和胶体。混凝即是通过投加化学药剂来破坏胶体和悬浮物在水中形成的稳定体系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体，然后用重力沉降法予以分离。

混凝过程包括凝聚和絮凝两个步骤，凝聚是指使胶体脱稳并聚集成微絮粒的过程；絮凝是指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。凝聚和絮凝统称为混凝。

一、胶体的稳定性和胶体结构

1．胶体的稳定性

水中的同种胶体微粒带有同号电荷，在静电斥力的作用下，不易相互聚集，具有一定的稳定性。

2．胶体的结构

a. 胶核：由数十个至数千个不溶于水的分散相

物质分子组成的。

b. 胶粒的电位离子：胶核的表面上选择性地吸

附了—层带同号电荷的离子；其来源于胶核

表层分子电离，或胶核从水中吸附来的。

---决定了胶粒的带电符号和电荷多少，构

成双电层的内层。

c. 反离子：电位离子层通过静电作用而吸引的水

中相反电荷的离子，构成双电层的外层。

d. 反离子吸附层：反离子与电位离子之间。当胶

核运动时，它也随着一起运动。构成胶团的固定层。

e. 反离子扩散层：固定层以外。电位离子对其引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势。

f. 胶粒：固定层和扩散层之间的交接面称为滑动面，滑动面以内的部分称为胶粒。

g. 胶团：胶粒与扩散层一起构成了电中性的胶团。

h. 胶体的电动电位（ξ电位）

      当胶粒运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩余电荷，使胶粒与扩散层之间形成一个电位差，其可反映胶粒带电的多少，衡量胶体稳定性的大小。ξ愈高，稳定性愈高。

I.总电位（Ψ电位）

     胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差。--- Ψ电位一定时，扩散层愈厚，ξ愈高。

二、机理

不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳，其机理可归结为四种：

（1）压缩双电层

胶体的稳定性取决于两种力何者占主导地位。

当距离很近时，范得华力占优势，合力为吸引力，两个颗粒可以相互吸住，胶体脱稳；

当距离较远时，库仑斥力占优势，合力为斥力，两个颗粒相互排斥，胶体将保持稳定。

当胶体颗粒间距离大于3nm时，颗粒总处于相斥状态

对憎水胶体颗粒而言，其胶核表面间隔着两个滑动面内的离子层厚度，使其总处于相斥的状态，这就是憎水胶体保持稳定的根源；

对亲水胶体颗粒而言，因其吸附大量的水分子而构成水壳，使它们不能靠近而保持稳定。

投加电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了。这些离子可与吸附的反离子发生交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷减少，降低ξ电位，并使扩散层厚度缩小。--------压缩双电层

各种电解质压缩能力是不同的。在浓度相同的条件下，破坏能力随离子价的增高而加大。

Schulze-Hardy法则：

    能力与离子价的2-6次方成正比。

    对同一胶体体系，要获得相同的压缩双电层效果时，用一价离子的浓度需要25～150mmol/L;二价离子需要0.5～2mmol/L；三价离子需要0.01～0.1mmol/L。

            在电解质作用下胶团双电层的变化                吸附电中和

（2）吸附电中和

胶体表面对异号离子、异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用。

由于这种吸附作用中和了它的部分或全部电荷，减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而相互吸附。

（3）吸附架桥作用

若药剂是具有能吸附胶粒的链状高分子聚合物，或者两个同号胶粒吸附在同一个异号胶粒上，胶粒间就能连结、团聚成絮体而被除去。

高分子聚合物的吸附架桥作用

（4）卷扫作用（网捕作用）

若药剂含金属离子，由于金属离子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下来。

沉淀物卷扫作用

1-原水中悬浮微粒；2-絮状沉淀物；3-残留悬浮微粒

三、影响的因素

1、水温

无机剂溶于水时是放吸反应，水温低时不利于剂的水解。

水温低时，水的黏度大，胶粒的布朗运动强度减弱，彼此间碰撞机会减少，不易凝聚。

水的黏度大时，水流阻力增大，使絮凝体的形成长大受到阻碍，从而影响效果。

2、 pH 和 碱度

无机盐剂对水的pH值都有一定的要求。如，铝盐：5.5～8.5；铁盐：＞8.5

碱度对pH有缓冲作用。以保证铝、铁盐在水解时引起pH变化而效果下降。

3、水质

当水的浊度较低，颗粒细小而均一，投加的剂又少，仅靠剂与悬浮微粒之间相互接触，很难达到预期目的，可以加大剂用量。

当水中浊度较高时，用量要控制适当，防止过量而引起胶粒再稳。

对高浊度水，剂主要起吸附架桥作用，用量随捉度的增加而增大。

水中的有机物质会降低效果。

四、剂

1. 无机金属盐类剂

如硫酸铝、氯化铝、氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁等；•铝盐的水解

（1）当 pH≤4，Al3+以六水合铝离子[Al(H2O)6]6+为主要存在形态，pH升高，发生水解：

           [Al(H2O)6]6+==[Al(OH)(H2O)5]2+ +H+

       [Al(OH)(H2O)5]2+==[Al(OH)2(H2O)4]+ + H+

[Al(OH)2(H2O)4]+== Al(OH)3(H2O)3↓ +H+

（2）当pH≥4时，羟基合铝离子增加，各离子的羟基之间还可能发生架桥连接（羟基架桥），产生多核羟基配合物，继续水解。水解与缩聚交错进行，生成聚合度极大的中性氢氧化铝，终沉淀。

                                          OH

2[Al(OH)(H₂O)₅]³⁺ ==[(H₂O)₄Al        Al(H₂O)₄]⁴⁺ +2H₂O

                                          OH

在铝盐的水溶液中，存在着：

①简单成分：Al3+、AlOH2+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等；

②聚合成分：[Al6(OH)14]4+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等。

均发挥作用，其中以高价的聚合正离子作用尤为重要。

下图是水中无其它复杂离子干扰时，浓度为10-4mol/L的铝盐在达到化学平衡时，个种水解产物的浓度与水的pH值间的关系。