膠體脫穩

為使膠體顆粒能通過碰撞而彼此聚集，就需要消除或降低膠體顆粒的穩定因素，這一過程叫做脫穩。膠體顆粒的脫穩可分為兩種情況：一種是通過凝聚劑的作用，使膠體顆粒本身的雙電層結構起了變化，ξ電位降低或消失，膠體穩定性破壞；另一種是膠體顆粒的雙電層結構未起多大變化，主要是通過凝聚劑的媒介作用，使顆粒彼此聚集。

基本介紹

• 中文名：膠體脫穩
• 外文名：Colloid destabilizingeffect
• 別名：去穩定作用
• 目的：使顆粒彼此聚集
• 領域：水處理

內容簡介

給水處理中，膠體顆粒的脫穩可分為兩種情況：一種是通過凝聚劑的作用，使膠體顆粒本身的雙電層結構起了變化，ξ電位降低或消失，膠體穩定性破壞；另一種是膠體顆粒的雙電層結構未起多大變化，主要是通過凝聚劑的媒介作用，使顆粒彼此聚集。嚴格地說來，後一種情況不能稱為脫穩，但從水處理的實際效果而言，兩者都達到了使顆粒彼此聚集的目的，因此習慣上都稱之為脫穩。

脫穩機理

按機理，脫穩和凝聚可分為壓縮雙電層、電性中和、吸附橋連和網羅卷帶4種。

壓縮雙電層

壓縮雙電層(Electronic Double-layer Compression)是指在膠體分散系中投加能產生高價反離子的活性電解質，通過增大溶液中的反離子強度來減小擴散層厚度，從而使_ζ電位降低的過程。該過程的實質是新增的反離子與擴散層內原有反離子之間的靜電斥力把原有反離子程度不同地擠壓到吸附層中，從而使擴散層減薄。

如果從膠體間相互作用勢能的角度進行分析，那末在膠粒間存在靜電斥力的同時，總是存在著范德華引力，兩種力的作用強度可分別用排斥勢能和吸引勢能來表述。膠體的視在穩定性就取決於上述兩種勢能中何者占主導地位。

理論分析說明，排斥勢能和吸引勢能都隨與膠粒中心距的縮小而增大，不同的是吸引勢能的變化幅度要比排斥勢能陡峭，而且與溶液中的反離子強度無關，而排斥勢能則能與反離子強度緊密相關。因此，對一種特定膠體只有一種吸引勢能曲線，但隨反離子強度的不同而有多種排斥勢能曲線。將排斥勢能W_R和吸引勢能W_A疊加，可得作用於粒子上的總勢能W₀。膠粒間作用勢能與中心距的關係可用勢能曲線表述。圖1中，W_R（1）表示低反離子強度下的高排斥勢能曲線，W_R（2）表示高反離子強度下的低排斥勢能曲線。如果對W_R和W_A進行幾何疊加，可繪出相應的綜合勢能曲線W₍₁₎= W_R（1）+W_A和W_（2）= W_R（2）+ W_A。由圖1可見，在d=(1～4)δ範圍內，W₍₁₎曲線位於橫軸上方，並在d=d₁處出現一個極大值W_max；隨著d值的增大，又逐漸變為負值，並在d=d₂處出現一個極小值W_min。最後趨近於零。W_R（2）曲線則隨d值由大變小而連續增大，並始終處於橫軸下方。

圖1

上述W₍₁₎曲線上的極大值W_max稱為勢能峰或勢能壘，可看作膠粒接觸碰撞所必須克服的“活化能”，只有將它降低到小於膠粒的動能時，膠粒之間才能發生碰撞和凝聚。在穩定的膠體分散系中，膠粒的動能主要來自布朗運動，其值不超過1.5kT(k為玻耳茲曼常數，k=1.38×10J/K，T為絕對溫度，K)而勢能峰卻高達數百以至數千KT，因而膠粒始終不能超越勢能峰的阻礙而發生凝聚。但是，如果向體系中投加電解質來壓縮雙電層，使ξ電位由ξ₁降低至ξ₂，W_R曲線由W_R（1）降低至W_R（2）。此時W曲線上的W_max值依次減小並向左移動。當W由W_（1）降低至W_C時，膠粒開始脫穩；當ξ，膠時，勢能峰消失，W曲線進一步降低至在所有d值範圍內W_A都占主導的W_（2），膠粒的每次碰撞都促成聚集，膠體分散系便達到了快速凝聚狀態。

電性中和

當投加的電解質為鐵鹽、鋁鹽時，它們能在一定條件下離解和水解，生成各種絡離子，如[Al(H₂O)₆]、[Al(OH)(H₂O)₅]、[Al₂(OH)₂(H₂O)₈]和[Al₃(OH)₅(H₂O)₉]等。這些絡離子不但能壓縮雙電層，而且能夠通過膠核外圍的反離子層進入固液界面，並中和電位離子所帶電荷，使Ψ電位降低，ξ電位也隨之減小，達到膠粒的脫穩和凝聚，這就是電性中和(Charge Neutralization)。顯然，其結果與壓縮雙電層相同，但作用機理是不同的。

吸附架橋

如果投加的藥劑是水溶性鏈狀高分子聚合物並具有能與膠粒和細微懸浮物發生吸附的活性部位，那么它就能通過靜電引力、范德華引力和氫鍵力等，將微粒搭橋聯結為一個個絮凝體（俗稱礬花）。這種作用就稱為吸附橋聯(Adsorption Bridging)。聚合物的鏈狀分子在其中起了橋樑和紐帶的作用。

圖2

吸附橋樑的凝聚模式如圖2。顯然，在吸附橋聯形成絮凝體的過程中，膠粒和細微懸浮物並不一定要脫穩，也無需直接接觸，電位的大小也不起決定作用。但聚合物的加入量及攪拌強度和攪拌時間必須嚴格控制，如果加入量過多，一開始微粒就被若干個高分子鏈包圍，微粒再沒有空白部位去吸附其它的高分子鏈，結果形成了無吸附部位的穩定顆粒。如果攪拌強度過大或時間過長，橋聯就會斷裂，絮凝體破碎，並形成二次吸附再穩顆粒。

網羅卷帶

網羅卷帶也稱網捕(Sweep Flocculation)。當用鐵、鋁鹽等高價金屬鹽類作混凝劑，而且其投加量和介質條件足以使它們迅速生成難溶性氫氧化物時，沉澱就能把膠粒或細微懸浮物作為晶核或吸附質而將其一起除去。

處理方法

投加電解質

向含有負電荷膠體的天然水中投加帶高價反離子的電解質後，水中反離子濃度增大，此時水中膠體微粒的擴散層在反離子的壓縮作用下減薄，ξ電位下降。ξ電位的下降，使膠粒間相互作用勢能發生變化。當電解質濃度達到某一值時，在任意距離內，綜合勢能均為吸引勢能。當ξ電位降至零時，膠粒間的排斥勢能完全消失，此時膠體達到完全脫穩的狀態，膠粒間的吸引勢能達到最大值，膠粒很容易凝聚。ξ電位等予零時的狀態，稱為等電點狀態。研究表明，凝聚不一定要在等電點時才進行，在ξ電位值約為0.03V時，排斥勢能已降到足以使膠粒相互接近，此時在吸引力的作用下，膠粒開始凝聚。因此可以認為這一ξ電位值是膠體穩定的限度，故稱為臨界電位值。

投加與天然水中膠體電荷相反的膠體

向天然水投加與原有膠體電荷相反的膠體後，這兩者由於電荷相反發生電中和，它們的ξ電位的絕對值隨之降低。為使兩種膠體凝聚，必須控制適當的投加量。投加量不足時，在相互凝聚過程中，兩者的ξ電位雖有所降低，但仍保持有一定的值，故凝聚效果不高。投加量過大時，會發生膠體再帶電現象，因為原有膠體脫穩後形成的絮凝體具有較大的吸附能力，它能吸附過量的帶相反電荷的膠體而重新帶電，即原有膠體電荷發生變化。

投加高分子絮凝劑

高分子絮凝劑是水溶性線型高分子化合物，分子呈鏈狀。每一鏈節是一化學單體，單體上含有可離解的基團。投加高分子絮凝劑，通過吸附架橋使水中膠體脫穩的方法，稱為吸附架橋脫穩法。現就吸附架橋模型的最簡單形式作說明。向水中投加高分子絮凝劑後，首先是高分子絮凝劑的一個分子占據原水膠體微粒表面上的一個或數個吸附位，而分子的其餘部分則伸展到溶液中去。這些伸展的分子鏈節再結合到另一個膠體微粒的吸附位上了結果就形成膠體微粒間的吸附架橋，即高分子絮凝劑的分子被兩個或兩個以上的膠體微粒所吸附。如果．伸展的鏈節在另一個膠體微粒上沒有占據合適的吸附位，就有可能拆回而吸引到所在微粒表面上的另外的吸附位上，而使膠體微粒的吸附位全部被占據，從而喪失再吸附的能力，形成再穩定狀態。如果投加過量的高分子絮凝劑，膠體微粒被過多的高分子絮凝劑包圍，失去同其它膠體微粒架橋結合的可能性，而處於穩定狀態。由上述可知，對某一膠體體系應有一最優高分子絮凝劑劑量問題。這一最優劑量可通過試驗求得。