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什么是水中的胶体物质?聚集的基本原理和方式


1、概述

   水中的胶体物质是指直径在0.0001-0.000001mm之间的微粒(肉眼是无法看见的)。胶体是许多分子和离子集合物。天然水中的元机矿物质胶体主要是铁、铝和硅的化合物。水中的有机胶体物质主要是植物或动物的肢体腐烂和分解而生成的腐殖物。其中以湖泊水中的腐殖质含量最多,因此常见的湖泊水呈黄绿色或褐色。

   由于胶体物质的微粒小,重量轻,单位体积所具有的表面积很大,故其表面具有较大的吸附能力,常常吸附着多量的离子而带电。同类胶体因带有同性的电荷而相互排斥,它胶在水中不能相互粘合而处于稳定状态。所以,胶体颗粒不能藉重力自行沉降而去除,一般是在水中加入药剂破坏其稳定,使胶体颗粒增大而沉降予以去除。

   胶体颗粒的聚集亦可称为凝聚或絮凝。在讨论聚集的化学概念时,这两个名词常交换使用。这里把由电介质促成的聚集称为凝聚,而由聚合物促成的聚集称为絮凝

   胶体颗粒长期处于分散状态还是相互作用聚集结合成为更粗粒子,将决定着水体中胶体颗粒及其上面的污染物的粒度分布变化规律,影响到其迁移输送和沉降归宿的距离和去向。

2、基本理论

  (1)典型胶体的相互作用理论是以DLVO物理理论为定量基础DLVO理论把范德华吸引力和扩散双电层排斥力考虑为仅有的作用因素,它适用于没有化学专属吸附作用的电解质溶液中,而且假设颗粒是粒度均等、球体形状的理想状态。这种颗粒在溶液中进行热运动,其平均功能为2\3KT,两颗粒在相互接近时产生几种作用力,即分子范德华力、静电排斥力和水化膜阻力。这几种力相互作用的综合位能随相隔距离所发生的变化。

   总的综合作用位能为:VT = VR VA 式中:VA—由范德华力(引力)所产生的位能;VR—由静电排斥力所产生的位能。

 

       
   

 
 

 

   由图中曲线可见:
   ① 不同溶液离子强度有不同
VR曲线(离子强度越小,双电层较厚,斥力越大),VR随颗粒间的距离按指数律下降。
   ② V
A则只随颗粒间的距离变化,与溶液中离子强度无关。
   ③ 不同溶液离子强度有不同的V
T曲线。在溶液离子强度较小时,综合位能曲线上出现较大位能峰(Vmax),此时,排斥作用占较大优势,颗粒借助于热运动能量不能超越此位能峰,彼此无法接近,体系保持分散稳定状态。当离子强度增大到一定程度时,Vmax由于双电层被压缩而降低,则一部分颗粒有可能超越该位能峰。当离子强度相当高时,Vmax可以完全消失。

   颗粒超过位能峰后,由于吸引力占优势,促使颗粒间继续接近,当其达到综合位能曲线上近距离的极小值(Vmin)时,则两颗粒就可以结合在一起。不过,此时颗粒间尚隔有水化膜

   凝聚物理理论说明了凝聚作用的因素和机理,但它只适用于电解质浓度升高压缩扩散层造成颗粒聚集的典型情况,即一种理想化的最简单的体系,天然水或其他实际体系中的情况则要复杂得多。

   (2)异体凝聚理论适用于处理物质本性不同、粒径不等、电荷符号不同、电位高低不等之类的分散体系。异体凝聚理论的主要论点为:如果两个电荷符号相异的胶体微粒接近时,吸引力总是占优势;如果两颗粒电荷符号相同但电性强弱不等,则位能曲线上的能峰高度总是决定于荷电较弱而电位较低的一方。因此,在异体凝聚时,只要其中有一种胶体的稳定性甚低而电位达到临界状态,就可以发生快速凝聚,而不论另一种胶体的电位高低如何。

   天然水环境和水处理过程中所遇到的颗粒聚集方式,大体可概括如下:

   1)压缩双电层凝聚:由于水中电解质浓度增大而离子强度升高,压缩扩散层,使颗粒相互吸引结合凝聚。

   2)专属吸附凝聚:胶体颗粒专属吸附异电的离子化合态,降低表面电位,即产生电中和现象,使颗粒脱稳而凝聚。这种凝聚可以出现超荷状况,使胶体颗粒改变电荷符号后,又趋于稳定分散状况。

   3)胶体相互凝聚:两种电荷符号相反的胶体相互中和而凝聚,或者其中一种荷电很低而相互凝聚,都属于异体凝聚。

   4)“边对面”絮凝:粘土矿物颗粒形状呈板状,其板面荷负电而边缘荷正电,各颗粒的边与面之间可由静电引力结合,这种聚集方式的结合力较弱,且具有可逆性,因而,往往生成松散的絮凝体,再加上”边对边”、”面对面”的结合,构成水中粘土颗粒自然絮凝的主要方式。

   5)第二极小值絮凝:在一般情况下,位能综合曲线上的第二极小值较微弱,不足以发生颗粒间的结合,但若颗粒较粗或在某一维方向上较长,就有可能产生较深的第二极小值,使颗粒相互聚集。这种聚集属于较远距离的接触,颗粒本身并未完全脱稳,因而比较松散,具有可逆性。这种絮凝在实际体系中有时是存在的。

   6)聚合物粘结架桥絮凝:胶体微粒吸附高分子电解质而凝聚,属于专属吸附类型,主要是异电中和作用。不过,即使负电胶体颗粒也可吸附非离子型高分子或弱阴离子型高分子,这也是异体凝聚作用。此外,聚合物具有链状分子,它也可以同时吸附在若干个胶体微粒上,在微粒之间架桥粘结,使它们聚集成团。这时,胶体颗粒可能并未完全脱稳,也是借助于第三者的絮凝现象。如果聚合物同时可发挥电中和及粘结架桥作用,就表现出较强的絮凝能力。

   7)无机高分子的絮凝:无机高分子化合物的尺度远低于有机高分子,它们除对胶体颗粒有专属吸附电中和作用外,也可结合起来在较近距离起粘结架桥作用,当然,它们要求颗粒在适当脱稳后才能粘结架桥。

   8)絮团卷扫絮凝:已经发生凝聚或絮凝的聚集体絮团物,在运动中以其巨大表面吸附卷带胶体微粒,生成更大絮团,使体系失去稳定而沉降。

   9)颗粒层吸附絮凝:水溶液透过颗粒层过滤时,由于颗粒表面的吸附作用,使水中胶体颗粒相互接近而发生凝聚或絮凝。吸附作用强烈时,可对凝聚过程起强化作用,使在溶液中不能凝聚的颗粒得到凝聚。

   10)生物絮凝:藻类、细菌等微小生物在水中也具有胶体性质,带电荷,可以发生凝聚。特别是它们往往可以分泌出某种高分子物质,发挥絮凝作用,或形成胶团状物质。

   实际水环境中,上述种种凝聚、絮凝方式并不是单独存在,往往是数种方式同时发生,综合发挥聚集作用。悬浮沉积物是最复杂的综合絮凝体,其中的矿物微粒和粘土矿物、水合金属氧化物和腐殖质、有机物等相互作用,几乎囊括了上述十种聚集方式。

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