实验一混凝及胶凝.doc

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重要的一項程序，此項程序主要是去除水中分散而不易沉降的懸浮固體物質，這些不易沉降的懸浮固體物質其顆粒大小介於0.1nm(10-7mm)至100μm(10-1mm)之間。而膠體顆粒的大小介於1nm(10-6mm)至1μm(10-3mm)之間，在整個不易沉降的懸浮固體物質中佔有相當大的比例。由於膠體粒子很小，而每單位體積之膠體粒子含有相當大的表面積（亦即具有相當大的比表面積），此項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電荷，其電荷種類及電荷大小依膠體物質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)，其範圍稱為反離子擴散層(diffuse layer of counter-ion)，固定層與反離子擴散層合稱為電雙層(electrical double layer)。 膠體粒子依其對水的親和性，可以區分為親水性(hydrophilic)膠體及疏水性(hydrophobic)膠體，親水性膠體因為其周圍吸附有一水層，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，這是親水性膠體粒子在水溶液中保持穩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定狀態，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濃度，這些電解質通稱為混凝劑(coagulant)，為了增加電荷，常被用做為混凝劑的電解質有三價的鐵鹽或鋁鹽。 當混凝劑加入水或廢水中時，即發生膠體之去穩定化作用(destabilization)並形成膠羽。膠體去穩定化的反應機構有以下的幾種方式： 壓縮電雙層 當加入高離子強度的電解質至水中時，會使得膠體粒子所吸附的反離子擴散層具有較高濃度的電荷，為維持溶液的電中性，其擴散層的體積勢必減少，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會。 2. 吸附及電價中和 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則會產生再穩定化(restabilization)的現象。例如帶正電的有機化合物十二烷銨離子(C12H25NH3+)為疏水性離子，能吸附在帶負電的混濁粒子上，成為中性並凝聚在一起。但如果加入過量的十二烷銨離子，則又成為帶正電而穩定的離子。 沈澱絆除 當加入高劑量的鐵鹽或鋁鹽混凝劑時，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時(Ksp)，則會以膠體粒子為核心形成沈澱物而沉降，同時於沉降過程中造成掃曳絆除(sweep)，截流膠體而使其產生沉降。 吸附及架橋作用 此種機構主要發生在長鏈且帶電的高分子有機聚合物上。其作用主要是利用聚合物之結構鏈上具有可吸附膠體之活性空位(active sites)，可在兩個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，當混凝劑加入水中後即產生游離，金屬離子進行水解產生多價且電荷為正價之羥（ㄑㄧㄢ）基－金屬離子錯合物，這些化合物可以Meq(OH)pz+表示，例如：鋁鹽加入水中後形成Al6(OH)153+、Al7(OH)174+、Al8(OH)204+、Al13(OH)345+等羥基－鋁離子錯合物，鐵鹽加入水中後形成Fe2(OH)24+及Fe2(OH)45+等羥基－鐵離子錯合物。這些羥基－金屬離子錯合物被吸附於負價電荷的膠體粒子表面，因而降低界達電位，使得粒子與粒子間的互斥力降低，因而破壞膠體粒子的穩定狀態，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反應。 硫酸鋁(Aluminum Sulfate，Alum Al(SO4)3.18H2O) 硫酸鋁又稱明礬，價廉、無毒，加入後不增加水中的色度，還兼具有有脫色的作用，用法簡單，可以大量使用，同時可以適用各種原水水質，是淨水程序中最普遍使用之混凝劑。使用硫酸鋁時水中須有足夠之鹼度，才能反應產生金屬氫氧化物的沈澱。產生膠羽的化學反應如下： 若水中無足夠的鹼度時，可以加入消石灰(Ca(OH)2)，產生OH－鹼度，或加入蘇打灰產生CO32-鹼度，其反應如下： (二)、硫酸鐵 (Ferric Sulfate) 硫酸鐵