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絮凝剂定义和分类

时间:2021/05/24 点击:

絮凝剂定义和分类

絮凝剂也称混凝剂,是一种能使水溶液中的溶质、胶体或悬浮物颗粒脱稳而产生絮状物或絮状沉淀物的药剂。按照絮凝剂的化合物类型,絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂和矿物类助凝剂四大类。其中,无机絮凝剂包括无机低分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂;有机絮凝剂包括人工合成有机高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂。

1、无机絮凝剂

无机絮凝剂是水处理中用量较大的品种。在100多年的工业发展阶段,无机絮凝剂除了产量的高速增长外,技术上也有了明显的进步和提高。我国在基础理论研究、新产品及其应用工艺的开发、工业产品标准化的制定、卫生和毒理学研究等方面,形成了比较完善的无机絮凝剂的研究开发体系。

(1)无机低分子絮凝剂

无机低分子絮凝剂主要包括铝、铁等无机盐类絮凝剂。目前常用的有明矾、三氯化铁、硫酸亚铁、聚合硫酸铁等品种。由于它们的价格便宜、对多种水质条件下悬浮颗粒的絮凝沉淀效果显著,特别是在废污水处理中可以沉淀去除重金属、硫化物,生成的絮体矾花又可以吸附去除水中难降解的油类和聚合物,并能有效降低磷含量,因此应用相当广泛。但是,它们也存在如下主要缺点:残留在水中的铝离子会导致二次污染;铁离子本身有颜色,并对设备有腐蚀作用;聚集速度慢,形成的絮状物较小,投加量大,产泥量高,运行费用高。

(2)无机高分子絮凝剂

为了克服二次污染及设备腐蚀等问题,从20世纪60年代起人们在传统铝盐、铁盐的基础上开始了对无机高分子絮凝剂的研究。无机高分子絮凝剂(Inorganic PolymerFlocculant,IPF)(又被称为二代絮凝剂)可分为聚合铝、聚合铁、聚合硅酸以及复合型无机高分子絮凝剂四大类,但按照水中胶粒所带电荷种类也可以将其分为阳离子型、阴离子型和若干复合系列。最近十几年来,无机高分子絮凝剂的品种已逐渐形成系列,专利也有几十种,有些还在少量生产。

无机高分子絮凝剂的研制与开发大致经历了以下4个阶段:

(1)聚合铝、聚合铁或聚硅酸;

(2)在聚合铝、聚合铁或聚硅酸中引入单种金属离子Al或Fe;

(3)在聚合铝、聚合铁或聚硅酸中同时引入两种金属离子Al和Fe;

(4)在聚合铝、聚合铁或聚硅酸中引入多种金属离子Al、Fe、Mn、Ca等。

改性的目的是引入某些高电荷离子以提高电荷的中和能力,引入羟基、磷酸根等以增强配位络合能力,从而达到改善其絮凝效果的目的。如在聚铁中加入少量的改性剂,使羟基更容易插入硫酸铁的网状结构中,就可制得改性的聚铁,其盐基度和聚合度更高,絮凝效果也大大优于普通的聚铁和聚铝。

阳离子型无机高分子絮凝剂是铝盐或铁盐水解过程的中间产物和溶液中的不同阴离子及带负电荷溶胶粒的结合体,即各种类型的羟基多核络合物或无机高分子化合物。无机复合型高分子絮凝剂中由于引入其它离子,尤其是高电荷离子,其聚合度和电荷中和能力大大加强,絮凝性能远优于聚硅酸或单独的聚金属离子。

与其它传统絮凝剂相比,无机高分子絮凝剂具有絮凝效果好,残留在水中的铝、铁离子少,易生产、价格价廉、使用范围广等特点。现在它已经成功地应用在给水、工业废水以及城市污水的各种流程(包括前处理、中间处理和深度处理)中,并逐渐成为主流絮凝剂。

当前,在美国、日本、西欧、俄罗斯,IPF都有相当规模的生产和应用,IPF的生产已超过了絮凝剂总量的50%,生产达到了工业化、规模化和自动化,产品质量相当稳定。在我国絮凝剂市场上,传统絮凝剂的用量仅占20%,而无机高分子絮凝剂的用量则占80%以上,我国无机高分子絮凝剂的生产占混凝剂总量的30%-60%。近年来,这类絮凝剂的研制和应用正成为热点,专利产品也有逐年增加的趋势。

我国对无机絮凝剂的开发应用较好,除个别品牌的絮凝剂未开发外,基本具备了生产无机高分子絮凝剂的技术水平。但同时也存在着缺少系列化、规模化生产,厂家多,规模小,产品单一,生产工艺设备落后,生产出的絮凝剂质量不够稳定,对药剂所含重金属等毒害性物质缺少必要的统一控制与管理,水不溶物与杂质含量较高等问题。

今后,无机高分子絮凝剂的主要发展趋势和研究方向总体可归纳为以下几个方面:

(1)深入开展絮凝剂基础理论的研究,建立定量化的数学模型系统;

(2)针对不同的水质,开展新型多功能、复合型絮凝剂的研究;

(3)进一步开展无机高分子混凝剂的应用条件研究;

(4)引进或开发先进的工艺设备,提高水处理剂产业的竞争力。

2、有机絮凝剂

有机高分子絮凝剂,也称有机聚合物或聚电解质,相对分子量由数千至上万不等。它含有带电的官能团或中性的官能团,溶于水中而具有电解质的行为。因此,按照它们的来源,有机高分子絮凝剂可分为天然有机高分子絮凝剂和人工合成有机高分子絮凝剂两类。

天然有机高分子絮凝剂主要有淀粉类、半乳甘露聚糖类、纤维素衍生物类、微生物多糖类及动物骨胶类等五大类。它大多与其它带有特殊官能团的化合物接枝共聚后,再用于处理废水。因为天然高分子絮凝剂来源有限,性质不稳定,所以水处理上应用较少。

人工合成有机高分子絮凝剂常用的有:聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸盐等,其中聚丙烯酰胺应用较多,占合成高分子絮凝剂的80%左右。但这一类絮凝剂价格偏高,且存在着一定量的残余单体丙烯酰胺,毒性较大,所以限制了它在水处理方面的应用。

我国对有机高分子絮凝剂的研制、生产和应用,尚处于开发阶段,仍属薄弱环节。与国外发达国家相比还存在很大的差距。主要表现在以下几个方面:

(1)系列化水平低,专用种类少,商品化的产品仅有聚丙烯酰胺和聚丙烯酸盐两大类。

(2)产量低,未形成规模经营,某些国外已工业化的品种至今我国仍不过关。

(3)天然与改性阳离子有机高分子絮凝剂相对国外而言品种较少。

(4)工业设备和单体生产落后,整体质量水平不高。

3、微生物絮凝剂

微生物絮凝剂是一类出微生物或其分泌物产生的具有絮凝活性的有机物质,其形式可以是微生物细胞,也可以是细胞的结构物质或是代谢产物,主要成分是糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素、核酸等大分子物质,因其特定结构和组合而形成了良好的絮凝沉淀性能。

虽然它们性质各异,但均能快速絮凝各种颗粒物质,在废水脱色和食品工业废水的再生利用等方面具有独特的效果。尤其是其具有可生物降解性,克服了铝盐、丙烯酸胺等毒性问题,对环境无二次污染,故受到国内外研究者的广泛关注,成为絮凝剂研究和发展的重要方向之一。

微生物絮凝剂的絮凝活性不但与分子结构、分子量、活性基团等多种内部环境因素有关,而且与pH值、温度、离子种类、离子强度等外界环境因素有关。

微生物絮凝剂主要包括三类:

(1)直接利用微生物细胞的絮凝剂,如某些细菌、霉菌、放线菌和酵母,它们大量存在于土壤、活性污泥和沉积物中;

(2)利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂,如酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等成分均可用作絮凝剂;

(3)利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂,微生物细胞分泌到细胞外的代谢产物主要是细菌的荚膜和黏液质,除水分外,其主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物,其中多糖在某种程度上可用作絮凝剂。

微生物絮凝剂的主要优点是絮凝效果好,使用量少,无毒无害,不会影响应用水体的质量,且沉降的污泥较易降解。

1960年,进行用微生物作为佛罗里达磷灰石粘土矿絮凝剂的研究,20世纪80年代许多研究者用其它的细菌、菌藻等作为磷灰石粘土矿以外各种矿物悬浮液的絮凝剂。近期的研究包括用小母念珠菌及其衍生物对细粒赤铁矿、方解石和高岭土的悬浮液进行絮凝处理。目前,工作已经扩大到用草分支杆菌全细胞和细胞碎片作为含黄铁矿和灰分煤的选择性絮凝研究。但是,微生物絮凝剂的研究还处于菌种筛选的实验室研究阶段,所用成本较高,一些工艺条件不太成熟,离工业化生产还有一定的距离。

4、助凝剂

在絮凝处理中,有时使用单一的絮凝剂不能取得良好的效果,往往需要投加辅助药剂以提高絮凝效果,这种辅助药剂称为助凝剂。

助凝剂本身不起凝聚作用,因为它不能降低胶粒的ζ电位或起吸附架桥作用。助凝剂的作用只是提高絮凝体的强度,增加其重量,促进沉降,且使产生的污泥有较好的脱水性能:或者用于调整pH值,破坏对絮凝作用有干扰的物质。

常用的助凝剂有两类:

(1)调节或改善絮凝条件的助凝剂,如CaO、Ca(OH)2、Na2CO3、NaHCO3等碱性物质,用来调整pH,以达到絮凝剂使用的较佳pH值。

(2)提高凝聚性、加强絮凝和沉降效果的助凝剂,如活性炭、膨润土、活化硅藻土、粉煤灰及各种黏土等。

在各类絮凝剂中,无机高分子凝剂聚合氯化铝PAC因为价格便宜、混凝效果好、适用性强、絮体形成快等优点而现已得到广泛的应用,并逐渐替代硫酸铝成为当前产量较大、应用范围较为广泛的絮凝剂。