水处理用絮凝剂絮凝机理及研究进展.pdf

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第25卷第2期
华中科技大学学报(城市科学版)
2008年6月
]. of HUST.(Urban Science Edition)
Jun.2008
水处理用絮凝剂絮凝机理及硏究进展
毛艳丽2,张延风3,罗世田,闫永胜1
(1.江苏大学化学化工学院,江苏镇江212013;2.平顶山工学院,河南平顶山467001;
3.平顶山市建设工程质量监督站,河南平顶山467001)
摘要;本文综述了絮凝剂絮凝机理的研究现状,系统介绍了无机絮凝剂、有机合成高分子絮凝剂和天然高分
子絮凝剂的理化性质、絮凝动力学、絮凝机理、絮凝活性分布规律。利用生物技术开发的微生物絮凝剂是一种新
型絮凝剂,具有无毒无害,微生物降解性能好,无二次污染等优点,故本文重点分析了微生物絮凝剂的絮凝机
理、絮凝活性影响因素。
关键词:无机絮凝剂;有机合成高分子絮凝剂;天然高分子絮凝剂;微生物絮凝剂;絮凝机理
中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1672-7037(2008)02-0078-05
絮凝技术现己被广泛应用于饮用水处理、废水流紊流微涡旋对絮凝颗粒碰撞结合的贡献。
水处理和食品、发酵工业等领域,其目的是使水
20世纪80年代以后,高分子絮凝剂及其理
中胶体和悬浮物颗粒凝聚为大的絮凝体,以便从论的研究得到很大发展。随着界面电位计算体系
水中分离出来。常用的絮凝剂一般分为三类]:和表面络合模式的发展,人们开始把表面络合、表
(1)无机絮凝剂,例如硫酸铝、聚合氯化铝和聚合面沉淀概念和定量计算方法引入絮凝机理研究之
碗酸铁;(2)有机合成高分子絮凝剂,例如聚丙烯中,试图建立定量计算模式。依据吸附/电中和理
酰胺类和聚乙烯亚胺,(3)天然高分子絮凝剂,例论和表面络合模式,提出了“表面孜盖”絮凝模
如微生物絮凝剂、壳聚糖、藻酸钠、改性淀粉、几丁式9,1?。
质聚氨基葡萄糖等。
2无机絮凝剂
1絮凝剂絮凝机理硏究概况
2.1无机低分子絮凝剂
自20世纪50年代以来,人们对絮凝作用机
无机低分子絮凝剂是一类低分子的无机盐
理作了大量深入的研究,先后提出了许多理论。总其絮凝作用机理为无机盐溶解于水中,电离后形
的来说,大致经历了三个主要的发展阶段?。
成阴离子和金属阳离子。由于胶体颗粒表面带有
20世纪60年代以前,有关絮凝的理论主要负电荷,在静电的作用下金属阳离子进入胶体颗
以胶体化学理论作为其理论基础,有根据经典胶粒的表面中和一部分负电荷而使胶体颗粒的扩散
体化学理论的Gwoy- Chap man双电层模型而层被压缩,使胶体颗粒的ε电位降低,在范德华
建立的DLVO凝聚物理理论,以及由 Solu-力的作用下形成松散的大胶体颗粒沉降下来
chowski提出并由Camp和 Stein加以实用化的无机低分子絮凝剂分子量较低,故在使用过程中
絮凝速度梯度理论的,该理论强调了压缩颗粒双投人量较大,产生的污泥量很大,絮体较松散含
电层的扩散层机理,降低或消除颗粒间的势能峰水率很高,污泥脱水困难。目前由于其自身的弱
垒的凝聚作用机理以及层流速度梯度决定着颗粒点有逐步被取代的趋势401]。
间碰撞效率的机理
2.2无机高分子絮凝剂
20世纪60年代后,相继提出了电中和吸附
无机高分子絮凝剂是60年代后在传统的铝
凝聚、吸附架桥理论以及微涡旋混凝动力学理盐、铁盐的基础上发展起来的一类新型的水处理
论[6~],强调了凝聚絮凝过程中的化学作用以及药剂,这类絮凝剂在水中存在多羟基络离子,能强
收稿日期:2007-10-09
作者简介:毛艳丽(1975-)?女,河南周1人,讲师,博士研究生,研究方向为环境科学与工程,nanliao@163.com
金项目:江苏大学高级人才基金(4JDG017)
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第2期
毛艳丽等:水处理用絮凝剂絮凝机理及研究进展
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烈吸引胶体微粒,通过粘附、架桥和交联作用,促生物可降解,无二次污染,所以越来越被人们重
进胶体凝聚,同时还发生物理化学变化,中和胶体视,并成为絮凝剂研究发展的方向22)
微粒及悬浮物表面的电荷,降低了∈电位,从而使4.2.1微生物絮凝剂的分类
胶体离子发生互相吸引作用,破坏了胶团的稳定
微生物絮凝剂主要包括3类232:(1)直接利
性,促进胶体微粒碰撞,形成了絮状沉淀2]。该药用微生物细胞的絮凝剂,如某些细菌、霉菌、放线
剂与无机低分子絮凝剂相比,其絮凝效能提高2菌和酵母,它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积
3倍,但其分子量和絮凝架桥能力仍较有机高物中;(2)利用微生物细胞提取物的絮凝剂,如酵
分子絮凝剂有较大差距,也存在诸如处理水中残母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰
余离子浓度较大,影响水质、造成二次污染等缺葡萄糖胺等成分均可作为絮凝剂2];(3)利用微
点
[13,14]
生物细胞代谢产生物的絮凝剂。微生物细胞分泌
到细胞外的代谢产物,主要是细菌的莢膜和粘液
3有机合成高分子絮凝剂
质,除水分外,其余主要成分为多糖及少量的多
肽、蛋白质、脂类及其复合物2?。
有机合成高分子絮凝剂是一类利用有机单体4.2.2微生物絮凝判的絮凝作用机理
经化学聚合或高分子化合物共聚而成的有机高分
相对于经典的胶体体系的絮凝机理而言,微
子化合物,含有带电的官能基或中性的官能基,能生物絮凝剂的絮凝机理还不是十分清楚。关于微
溶于水中而具有电解质的行为15]。其絮凝机理是生物絮凝剂的絮凝机理,先后提出过许多学说,主
通过电中和,使高分子链与多个胶体颗粒以化学要有“吸附架桥”学说、 Grabtree I的利用PHB
键相结合,形成桥连同时髙分子具有较强的吸附(Poly-β- hydroxybutyric acid)酯合学说、
作用,因而形成大的胶体颗粒分子团而沉降下来。 Friedman“菌体外纤维素纤丝”学说、 Butter field
另外,其絮凝过程还具有网捕卷扫作用,使得沉粘质假说、离子键、氢键键桥学说、离散细胞和伸
降更加迅速。有机高分子絮凝剂具有比较高的相展桥键之间的三维基质模型假说等2。对于微
对分子质量,约在105~10之间,其絮凝效果更生物分泌的胞外絮凝剂的絮凝机理,目前较为普
好。尽管有机合成高分子絮凝剂因其良好的絮凝遍接受的是“吸附架桥”学说。该学说把微生物絮
效果和低廉的价格而被广泛应用,但此类絮凝剂凝剂的絮凝过程看成是电荷中和、架桥吸附和卷
如聚丙烯酰胺的单体有神经毒性和三致效应(致扫、网捕等物理化学过程共同作用的结果。、做生物
畸、致癌、致突变),所以其应用大受限制1?。
絮凝剂的分子中一般都含有活性基团,如羧基、羟
基、氨基等,借助离子键、氢键和范德华力能够吸
4天然高分子絮凝剂
附其它胶体颗粒,当絮凝剂分子的长度足够大,超
过了溶液中胶体颗粒间产生排斥力的有效作用范
4.1天然有机高分子改性絮凝剂
围,架桥就会发生,从而形成一种三维网状结构的
天然有机高分子改性絮凝剂包括淀粉、纤维絮凝体。形成的絮凝体在重力作用下沉降,此时犹
素、含胶植物、多糖类和蛋白质等类的衍生物。絮如一个过滤网,迅速网捕和卷扫水中的胶体颗粒,
凝剂电荷密度小,分子量较低,易发生生物降解而从而产生沉淀分离2)。Levy等人以吸附等温线
失去絮凝活性,所以它们的使用远少于人工合成和电位测定