試驗(yàn)混凝及膠凝

1、混凝及膠凝一、膠體特性混凝及膠凝是水及廢水處理中相當(dāng)重要的一項(xiàng)程序，此項(xiàng)程序主要是去除水中分散而不易沉降的懸浮固體物質(zhì)，這些不易沉降的懸浮固體物質(zhì)其顆粒大小介於 0.1nm(10-7 mm)至 100 m(10-1 mm)之間。而膠體顆粒的大小介於 1nm(10-6 mm)至 1 m(10-3 mm)之間，在整個(gè)不易沉降的懸浮固體物質(zhì)中佔(zhàn)有相當(dāng)大的比例。由於膠體粒子很小，而每單位體積之膠體粒子含有相當(dāng)大的表面積 （亦即具有相當(dāng)大的比表面積），此項(xiàng)特性使得膠體粒子在水中具有吸附水分子或離子的能力，也使得膠體粒子在水中成為帶電體。膠體粒子之帶電性可以為正電荷或是負(fù)電荷，其電荷種類及電荷大小依膠體物

2、質(zhì)之種類及周圍溶液之特性而定 。膠體粒子表面吸附的水層或相反離子層稱為固定層(fixed layer)，此層與外界游離水的界面稱為剛液面 (rigid solution layer)或剪力面 (plane of shear)。為維持溶液之電中性，於固定層外面吸附有與膠體粒子相反電荷之反離子(counter-ion)，其範(fàn)圍稱為反離子擴(kuò)散層 (diffuselayerof counter-ion)，固定層與反離子擴(kuò)散層合稱為電雙層 (electrical double layer)。膠體粒子依其對(duì)水的親和性，可以區(qū)分為親水性(hydrophilic)膠體及疏水性 (hydrophobic) 膠體

3、，親水性膠體因?yàn)槠渲車接幸凰畬?，形成膠體粒子間接觸凝聚的障礙，使得膠體粒子保持分散狀態(tài)，這是親水性膠體粒子在水溶液中保持穩(wěn)定而不易沉降的原因造成 。疏水性膠體則靠著電雙層的互斥作用而保持穩(wěn)定。二、混凝及膠凝作用混凝的意義就是要打破膠體粒子的穩(wěn)定狀態(tài) ，也就是降低粒子與粒子間的互斥電位，使粒子能相互接觸而凝聚。讓凝聚後的膠羽成為較大的個(gè)體而增加其沉降速度，稱為膠凝。降低粒子間互斥電位的方法有增加電荷或是電解質(zhì)濃度，這些電解質(zhì)通稱為混凝劑 (coagulant) ，為了增加電荷，常被用做為混凝劑的電解質(zhì)有三價(jià)的鐵鹽或鋁鹽。當(dāng)混凝劑加入水或廢水中時(shí) ，即發(fā)生膠體之去穩(wěn)定化作用(destabili

4、zation)並形成膠羽。膠體去穩(wěn)定化的反應(yīng)機(jī)構(gòu)有以下的幾種方式：251. 壓縮電雙層當(dāng)加入高離子強(qiáng)度的電解質(zhì)至水中時(shí)，會(huì)使得膠體粒子所吸附的反離子擴(kuò)散層具有較高濃度的電荷，為維持溶液的電中性，其擴(kuò)散層的體積勢(shì)必減少，因而壓縮電雙層厚度 ，造成粒子與粒子間的互斥力降低，增加膠體粒子凝聚的機(jī)會(huì) 。2. 吸附及電價(jià)中和加入適量的混凝劑可以獲得良好的混凝效果，但如果加藥量過多時(shí)則會(huì)產(chǎn)生再穩(wěn)定化 (restabilization)的現(xiàn)象。例如帶正電的有機(jī)化合物十二烷銨離子+(C12H25NH3 ) 為疏水性離子，能吸附在帶負(fù)電的混濁粒子上，成為中性並凝聚在一起。但如果加入過量的十二烷銨離子，則又成為帶

5、正電而穩(wěn)定的離子。3. 沈澱絆除當(dāng)加入高劑量的鐵鹽或鋁鹽混凝劑時(shí)，若溶液中的金屬離子與氫氧根離子的濃度乘積大於金屬氫氧化物之溶解度積常數(shù)時(shí)(Ksp) ，則會(huì)以膠體粒子為核心形成沈澱物而沉降，同時(shí)於沉降過程中造成掃曳絆除(sweep) ，截流膠體而使其產(chǎn)生沉降。4. 吸附及架橋作用此種機(jī)構(gòu)主要發(fā)生在長(zhǎng)鏈且?guī)щ姷母叻肿佑袡C(jī)聚合物上。其作用主要是利用聚合物之結(jié)構(gòu)鏈上具有可吸附膠體之活性空位(activesites)，可在兩個(gè)膠體粒子間形成架橋作用。藉此空位之一連串吸附作用形成較大之膠羽，而達(dá)到混凝之目的。三、混凝劑一般常用的混凝劑主要為鐵鹽或鋁鹽，當(dāng)混凝劑加入水中後即產(chǎn)生游離，金屬離子進(jìn)行水解產(chǎn)生多

6、價(jià)且電荷為正價(jià)之羥（） 基金屬離子錯(cuò)合物，這些化合物可以 Me(OH)z+3+4+表示，例如：鋁鹽加入水中後形成Al (OH)、Al(OH) 、qp6157174+5+4+Al 8(OH)20 、 Al 13(OH)34 等羥基鋁離子錯(cuò)合物，鐵鹽加入水中後形成Fe2(OH)2及 Fe2(OH)45+等羥基鐵離子錯(cuò)合物。這些羥基金屬離子錯(cuò)合物被吸附於負(fù)價(jià)電荷的膠體粒子表面，因而降低界達(dá)電位，使得粒子與粒子間的互斥力降低，因而破壞膠體粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，在耤由膠體粒子間的凡得瓦力而互相凝聚。以下為幾種常見混凝劑的的特性及其與鹼度間之化學(xué)反應(yīng)。26( 一) 、硫酸鋁 (Aluminum Sulfate，

7、 Alum Al(SO 4) 3 .18H2O)硫酸鋁又稱明礬，價(jià)廉、無毒，加入後不增加水中的色度，還兼具有有脫色的作用，用法簡(jiǎn)單，可以大量使用，同時(shí)可以適用各種原水水質(zhì)，是淨(jìng)水程序中最普遍使用之混凝劑。使用硫酸鋁時(shí)水中須有足夠之鹼度，才能反應(yīng)產(chǎn)生金屬氫氧化物的沈澱。產(chǎn)生膠羽的化學(xué)反應(yīng)如下：Al2 (SO4 ) 3 18H 2O3Ca(HCO3) 22Al (OH ) 33CaSO46CO218H 2O若水中無足夠的鹼度時(shí)，可以加入消石灰(Ca(OH)2) ，產(chǎn)生 OH 鹼度，或加入蘇打灰產(chǎn)生 CO32- 鹼度，其反應(yīng)如下：Al2 (SO4 ) 318H 2O3Ca(OH ) 22Al (OH

8、 )3 3CaSO4 18H 2OAl2 (SO4 ) 318H 2O3Na2CO33H 2O 2 Al (OH )3 3Na2 SO4 18H 2O 3CO2( 二) 、硫酸鐵 (Ferric Sulfate)硫酸鐵係無水化合物、塊狀而易溶於水中。硫酸鐵主要是和自然水中之氫碳酸鹽鹼度反應(yīng)生成氫氧化鐵，其反應(yīng)如下：Fe(SO4 )33Ca( HCO3) 22Fe(OH ) 33CaSO46CO2通常三價(jià)的鐵鹽具有較廣的pH 值適用範(fàn)圍（ 4 11），硫酸鐵在較低pH 值對(duì)脫色具有良好的效果。( 三) 、氯化鐵（ Ferric Chloride）氯化鐵有液狀、結(jié)晶或無水狀，一般較少適用於給水的淨(jìng)

9、水程序中。和硫酸鐵一樣，氯化鐵和水中之氫碳酸鹽鹼度反應(yīng)生成氫氧化鐵，其反應(yīng)如下：FeCl33Ca( HCO3) 22Fe(OH )33CaCl 26CO2若水中鹼度不足，則可以加入消石灰形成氫氧化物，其反應(yīng)如下：2FeCl33Ca(OH ) 22Fe(OH ) 33CaCl 2氯化鐵和硫酸鐵一樣，其適用pH值範(fàn)圍為 4 11，所形成的膠羽屬於質(zhì)密且能快速沉降。( 四) 、硫酸亞鐵 (Ferrous Sulfate)硫酸亞鐵需要含有OH 形式的鹼度，才能產(chǎn)生快速的沉降。因此通長(zhǎng)於水中加入 Ca(OH)2，以提高 pH值產(chǎn)生氫氧化物沈澱，此反應(yīng)屬於氧化還原反應(yīng)，通常在水中必須含有一定量的溶氧。其反

10、應(yīng)如下：2FeSO4 7H 2O2Ca(OH ) 21/ 2O22Fe(OH ) 32CaSO413H 2O27四、助凝劑助凝劑之作用主要是使混凝劑能充分發(fā)揮其效能或提高其混凝效果，節(jié)省混凝劑之用量。較常用之助凝劑有以下三種：1. 氧化劑：當(dāng)原水較難澄清或因溶解性有機(jī)物質(zhì)引起色度時(shí) , 可以採(cǎi)用此一類之氧化劑，較常用者為氯氣、次氯酸鹽、臭氧或高錳酸鉀等。2. 增重劑：用以增加膠羽之重量， 對(duì)於低濁度、高色度之原水較適合，白陶土、黏土、水泥塵、灰飛或沉澱污泥等均屬此類。3. 聚電解質(zhì)：可以分為陰離子聚電解質(zhì)（含負(fù)電荷）、陽(yáng)離子聚電解質(zhì) ( 含正電荷 ) 及兩性聚電解質(zhì)。聚電解質(zhì)主要是藉著化學(xué)架橋

11、作用或膠羽與聚合物反應(yīng)基間之交互作用，以促進(jìn)混凝作用。聚電解質(zhì)有自然來源的，如澱粉、纖維素、洋菜等，或是人工合成的，如活性矽酸 (activated silica) 為一種無機(jī)性陰離子聚電解質(zhì)，主要由矽酸鈉所組成。五、影響混凝作用之各項(xiàng)因素在水或廢水處理中， 影響混凝劑作用之各項(xiàng)因子有： （1）原水的 pH 值，（2）原水的陰、陽(yáng)離子的物質(zhì)組成及濃度， （3）混凝劑的種類及加藥量， （4）水溫，（ 5）原水的水質(zhì)，（ 6）原水濁度、懸浮固體物，（ 7）攪拌方法與時(shí)間等。這些影響因子對(duì)混凝作用影響的大小通?？梢越逵蓪?shí)驗(yàn)室或是模廠之混凝試驗(yàn)研究加以了解。尤其是混凝劑之加藥量，在設(shè)計(jì)淨(jìng)水廠之前應(yīng)就不

12、同季節(jié)時(shí)的原水作混凝實(shí)驗(yàn)，以作為混凝設(shè)備設(shè)計(jì)之基本資料。如前所述，影響混凝及膠凝作用的因素很多，在日常操作時(shí)，決定最適宜的混凝劑加藥量必須由實(shí)驗(yàn)求得。混凝實(shí)驗(yàn)的方法主要有兩種： (1) 瓶杯試驗(yàn) (Jar test) ，(2) 測(cè)定界達(dá)電位。這兩者中以瓶杯實(shí)驗(yàn)最為常用，其所需的設(shè)備簡(jiǎn)單、結(jié)果較正確。六、混凝效果的評(píng)價(jià)法以瓶杯試驗(yàn)方法決定混凝劑的最佳添加劑量時(shí) ，可以利用下列的方法來評(píng)斷混凝的效果 (1) 以目測(cè)法判定膠羽的大小 ，(2) 以目測(cè)或利用分光光度計(jì)測(cè)量澄清水樣的濁度或色度， (3) 最初出現(xiàn)膠羽的時(shí)間， (4) 以化學(xué)分析方法測(cè)定成清水樣中剩餘混凝劑的濃度 ，(5) 膠羽的沉降速度

13、 ，(6) 測(cè)定水中顆粒的界達(dá)電位等方法 。例題28原水含濁度 15TU及氫碳酸根鹼度50mg/L，經(jīng)瓶杯試驗(yàn)後所得之實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表，試求最佳 pH 值、混凝劑劑量及最佳添加劑量時(shí)鹼度消耗量pH值5.05.56.06.57.07.5鋁鹽劑量 (mg/L) 101010101010濁度1175.55.7813pH值6.06.06.06.06.06.0鋁鹽劑量 (mg/L) 5710121520濁度149.554.5613解：依兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪製如下圖。由圖上可以看出，最佳的pH值為 6.25 ，添加劑量為 12.5mg/L 。其鹼度的消耗量，依反應(yīng)式得知1 莫耳的硫酸鋁消耗3 莫耳的 Ca(HCO

14、) ，因此氫碳酸根的消耗量為：3212.5 10 3 g / L1.88 105moles/ L666g / mole-5) 1.13 ×10-4moles 6.9-3×2×(1.88 ×10mg/L HCO31614)12UT 10(度 8濁64245678pH值1614)12UT10(度 8濁64249141924鋁鹽劑量 (mg/L)29混凝劑之最佳添加劑量及適用pH 值一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、 瓶杯試驗(yàn)機(jī) (JAR TEST)2、 分光光度計(jì)3、 pH計(jì)或石蕊試紙二、所需器材及藥品1、1升燒杯 6個(gè)2、 塑膠吸管 3 支3、 試管 ( 分光光度計(jì)用 )

15、2 支4、 硫酸鋁 (Al 2 (SO4) 3.18H2O)5、 石灰 (CaO)或蘇打灰 (Na2CO3)6、 0.1M 的 NaOH及 H2 SO4三、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備事項(xiàng)：1. 水樣：取池塘水 5 公升，並加入 0.1g 的水泥灰至水中，以形成具有色度及濁度的水樣。2. 添加約 5g 的碳酸鈉（ Na2CO3）至水中，使水樣鹼度至少達(dá) 0.5 meq/L（25 mg/L 以 CaCO3表示）四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、 利用分光光度計(jì)於560 nm 分析原水樣之吸光度。2、 分析取水樣 200 毫升置於燒杯內(nèi)，加入少量硫酸鋁後，快混1 分鐘，慢混 3分鐘，若無膠羽出現(xiàn)則增加混凝劑添加劑量直至膠羽出現(xiàn)，記

16、錄混凝劑添加量。3、 六個(gè)燒杯中，各放入水樣500ml，攪拌均勻後，用 NaOH或 H2 SO4調(diào)整 pH 值為4.0 ，5.0 ，6.0 ，7.0 ， 8.0 ，9.0 。4、 加入由步驟一所得的混凝劑添加劑量至各燒杯中。經(jīng)快混(125rpm)3 分鐘，慢混 (25rpm)20 分鐘後靜置 30 分鐘，取樣分析上層澄清液的吸光度，以決定最佳的使用 pH值。305、 重複上述的步驟，但先行調(diào)整各溶液的pH 值至最佳的 pH值。分別加入不同的硫酸鋁劑量至燒杯中，觀察生成膠羽的大小、膠羽的高度，沉降速度，並分析上層澄清液的吸光度，以決定最佳的混凝劑添加劑量。五、實(shí)驗(yàn)記錄：1. 原水水質(zhì)：項(xiàng)目吸光度pH值鹼度含量2. 實(shí)驗(yàn)步驟一之混凝劑添加劑量：3. 選擇最佳 pH 值pH值456789最初吸光度最終吸光度膠羽出現(xiàn)時(shí)間膠羽厚度沉降時(shí)間4. 最佳添加劑量添加量最初吸光度