絮凝剂作用与机理以及种类

在水资源保护与利用的关键领域，水处理工作至关重要。絮凝剂作为水处理流程中的核心药剂，凭借其独特的作用、复杂的机理以及多样的种类，在净化水质、去除污染物方面发挥着不可替代的作用。
絮凝剂的作用
凝聚污染物，加速沉降分离
絮凝剂ZUI显著的作用是将水中原本分散的污染物颗粒凝聚成较大的絮体，从而加速其沉降分离过程。许多废水中存在着大量微小的胶体颗粒、黏土颗粒以及悬浮的有机物等，这些颗粒由于布朗运动以及表面电荷的排斥作用，难以自然沉降。絮凝剂能够改变颗粒的表面性质，降低颗粒间的静电斥力，促使它们相互靠近并结合。例如，在造纸废水处理中，大量带负电的木质素胶体颗粒稳定分散在水中，导致废水难以澄清。当加入合适的絮凝剂后，絮凝剂水解产生的阳离子压缩了木质素胶体颗粒表面的双电层，同时发生电中和反应，使得颗粒间的排斥力减小，它们迅速凝聚成微小絮体，进而形成较大的絮团并快速沉降，大大缩短了废水处理的时间，提高了处理效率。
降低化学需氧量（COD），改善水质
废水中的有机物是导致水体污染的重要因素之一，它们会消耗水中的溶解氧，对水生生态系统造成严重破坏。絮凝剂在一定程度上能够有效去除部分有机物，从而降低废水的化学需氧量（COD）。一方面，一些有机污染物本身带有电荷，通过与絮凝剂水解产生的带相反电荷的物质发生电中和反应，结合形成絮体被去除。另一方面，絮凝剂水解产生的沉淀物能够吸附部分有机物，使其与絮体共同沉降。以食品加工废水为例，其中含有大量蛋白质、淀粉等有机物，通过投加适宜的絮凝剂，可使这些有机物凝聚沉淀，COD 去除率可达 30% - 60%，显著改善了废水的水质，为后续处理工序创造了良好条件。
去除重金属离子，保障水质安全
对于含有重金属离子如铅、镉、铬、汞等的废水，絮凝剂可通过化学反应或吸附作用将重金属离子从废水中去除。一些絮凝剂能够与重金属离子发生反应，生成难溶性的沉淀。例如，在电镀废水处理中，使用硫化物絮凝剂可与废水中的重金属离子反应生成硫化物沉淀，从而将重金属离子从废水中分离出来。同时，部分有机絮凝剂对重金属离子具有螯合吸附能力，能够将重金属离子富集在絮体中，实现去除效果。去除重金属离子对于保障水质安全意义重大，避免了重金属离子对环境和人体健康的潜在危害。
改善废水可生化性，助力生物处理
部分工业废水由于含有大量难降解有机物，可生化性较差，直接进行生物处理效果不佳。絮凝剂处理能够去除废水中的部分大分子有机物和悬浮物，降低废水的复杂性，提高其可生化性。例如，在制药废水处理中，通过絮凝预处理，可使废水的 BOD₅/COD 比值提高，改善其可生化性。经过絮凝预处理后，后续生物处理单元的微生物能够更好地利用废水中的有机物，提高生物处理效率，减少生物处理所需的时间和能耗，使整个水处理流程更加顺畅GAO效。
絮凝剂的作用机理
压缩双电层与电中和
许多污染物颗粒在水中带有电荷，其周围形成双电层结构。以无机絮凝剂硫酸铝、聚合氯化铝为例，它们在水中会发生水解反应，产生高价阳离子。这些阳离子能够进入污染物颗粒的双电层区域，压缩双电层厚度，降低颗粒表面的 zeta 电位。当 zeta 电位降低到一定程度时，颗粒间的静电斥力大幅减小，颗粒开始相互靠近。同时，絮凝剂水解产生的带正电的多核羟基络合物能够与带负电的污染物颗粒发生电中和反应，进一步消除颗粒间的静电排斥，促使颗粒相互碰撞结合，形成微小絮体。
吸附架桥
有机絮凝剂如聚丙烯酰胺（PAM）具有长链高分子结构，分子链上分布着大量活性基团。这些活性基团能够吸附在废水中的污染物颗粒表面。一个聚丙烯酰胺分子链可以同时吸附多个颗粒，就像在颗粒之间架起了桥梁，将原本孤立的颗粒连接起来，使微小絮体逐渐长大形成更大的絮团。这种吸附架桥作用不仅促进了絮体的生长，还增强了絮团的结构稳定性，提高了絮团的沉降性能。在印染废水处理中，废水中的染料分子等污染物种类繁多且性质复杂，聚丙烯酰胺的长链分子能够有效吸附这些染料分子，通过架桥作用将它们连接成大的絮团，加速其沉降过程。
网捕卷扫
当向废水中投加大量絮凝剂并发生水解时，会形成具有三维空间结构的难溶性氢氧化物沉淀，如氢氧化铝、氢氧化铁等。这些沉淀物在形成过程中，会像筛网一样，将周围的污染物颗粒和已经形成的微小絮体网捕卷扫在一起。在处理含有大量悬浮物的矿山废水时，投加的硫酸铁絮凝剂水解产生的氢氧化铁沉淀，会在沉淀过程中不断将周围的泥沙等悬浮物包裹其中，共同沉降下来。这种网捕卷扫作用能够扩大污染物的去除范围，即使是一些难以通过常规絮凝作用凝聚的细小颗粒，也能被裹挟到沉淀物中，实现从水中的分离。
絮凝剂的种类
无机絮凝剂
铝盐絮凝剂：常见的铝盐絮凝剂有硫酸铝、明矾等。硫酸铝在水中水解产生铝离子，铝离子进一步水解生成一系列多核羟基络合物，如 [Al₂(OH)₂(H₂O)₈]⁴⁺、[Al₆(OH)₁₂(H₂O)₁₂]⁶⁺等。这些多核羟基络合物通过压缩双电层、电中和以及吸附架桥等作用，使废水中的污染物颗粒凝聚沉降。硫酸铝适用于处理浊度较高、pH 值在 4 - 7 之间的废水。
铁盐絮凝剂：包括硫酸铁、氯化铁等。以硫酸铁为例，其在水中水解产生铁离子，铁离子水解形成的多核羟基络合物具有很强的絮凝能力。铁盐絮凝剂的优点是形成的絮体密度大、沉降速度快，对高浊度废水和低温低浊度废水都有较好的处理效果，适用的 pH 值范围较宽，一般为 4 - 11。在处理印染废水、造纸废水等方面应用广泛。
有机絮凝剂
合成有机高分子絮凝剂：聚丙烯酰胺（PAM）是ZUI常用的合成有机高分子絮凝剂。根据其离子特性，可分为阳离子型、阴离子型和非离子型。阳离子型 PAM 适用于处理带负电荷的胶体废水，通过电中和和吸附架桥作用使污染物颗粒凝聚；阴离子型 PAM 常用于处理含有大量带正电荷污染物的废水；非离子型 PAM 则对一些非离子型有机物或在中性条件下的废水有较好的絮凝效果。PAM 具有用量少、絮凝速度快、絮体强度高等优点，在城市污水处理、工业废水处理等领域应用广泛。
天然有机高分子絮凝剂：常见的有淀粉衍生物、壳聚糖等。壳聚糖是一种天然的阳离子型高分子絮凝剂，其分子中含有氨基和羟基等活性基团，能够与废水中的污染物发生吸附、螯合等作用，从而实现絮凝效果。天然有机高分子絮凝剂具有无毒、可生物降解等优点，但也存在絮凝效果相对较弱、稳定性较差等缺点，常通过化学改性来提高其性能。
微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是由微生物产生的一类具有絮凝活性的代谢产物。其主要成分包括多糖、蛋白质、核酸等。微生物絮凝剂通过微生物细胞表面的电荷作用、细胞外聚合物的吸附架桥作用以及微生物的代谢活动等，使废水中的污染物颗粒凝聚沉降。微生物絮凝剂具有GAO效、无毒、无污染、易生物降解等优点，且对一些特殊废水如含有难降解有机物或重金属离子的废水有较好的处理效果。例如，一些芽孢杆菌产生的微生物絮凝剂对电镀废水中的重金属离子有较高的去除率。但微生物絮凝剂目前存在生产成本较高、产量较低等问题，限制了其大规模应用。
絮凝剂凭借其多样的作用、复杂而精妙的机理以及丰富的种类，在水处理领域发挥着关键作用。随着科技的不断进步，絮凝剂的性能将不断优化，新的絮凝剂种类也将不断涌现，为水资源的保护和合理利用提供更强大的技术支持。