聚合鋁與顆粒物的相互作用

聚合鋁與顆粒物的相互作用：

聚合鋁絮凝劑在水處理過程中投加后，正是由于其以Al₁₃為主的形態(tài)分布和穩(wěn)定性，在一系列行為特征和效能上與傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑有很大不同。例如，Zeta電位，流動(dòng)電流，絮凝指數(shù)，吸附特征，凝聚-絮凝區(qū)域圖等都表現(xiàn)出其特異性能，可以認(rèn)為，無機(jī)高分子絮凝劑在形態(tài)特征、作用機(jī)理和行為效能上與鋁鹽鐵鹽等傳統(tǒng)混凝劑都有區(qū)別，而其優(yōu)勢(shì)形態(tài)與水體顆粒物的作用機(jī)理是核心問題，目前尚缺乏充分研究。

傳統(tǒng)鋁鹽混凝劑如硫酸鋁或氯化鋁的作用機(jī)理，一般認(rèn)為有：（1）電中和凝聚及吸附架橋?yàn)橹骱停?）凝膠絮團(tuán)粘結(jié)卷掃為主等兩類典型過程。何種作用為主，將決定于水質(zhì)pH值、顆粒物濃度及水流擾動(dòng)強(qiáng)度等條件。實(shí)際上是水解反應(yīng)，吸附過程和流體湍流三種動(dòng)力學(xué)的綜合作用結(jié)果，而這些作用的歷程都是在微秒、數(shù)秒內(nèi)進(jìn)行的。由于水解反應(yīng)比吸附和顆粒碰撞過程要更快些，一般認(rèn)為混凝劑的水解及形態(tài)轉(zhuǎn)化優(yōu)于在顆粒物上的吸附，Al₁₃在一般水質(zhì)條件下只能少量生成，因此傳統(tǒng)混凝劑的主要作用形態(tài)應(yīng)是自發(fā)水解產(chǎn)物即初聚物、低聚物和凝膠沉淀物?，F(xiàn)有的機(jī)理模型和定量模式都是在此概念上提出及應(yīng)用的。

聚合鋁中的主要組分Al₁₃具有相對(duì)的形態(tài)穩(wěn)定性，投入處理水中后，即可直接吸附在顆粒物表面，發(fā)揮很強(qiáng)的電中和及架橋粘結(jié)作用，因此，其過程是首先吸附，水體顆粒物（例如粘土礦物和腐植質(zhì)等）大多含有大量-OH基團(tuán)，羥基聚合物如Al₁₃是-OH基不飽和化合態(tài)，它們?cè)诮缑嫔系奈綄?shí)際是-OH基的配位和互補(bǔ)。隨后，也可發(fā)生與溶液中的OH^-相互作用的水解過程，結(jié)果在界面上將生成氫氧化鋁凝膠沉淀物，進(jìn)一步發(fā)揮粘結(jié)團(tuán)聚作用。

mOH+nAl₁₂AlO₄(OH)₂₄⁷⁺→[Al(O,OH)_x]_n→[Al(OH)₃]_n

mOH^-+nAl₁₂AlO₄(OH)₂₄⁷⁺→[Al(O,OH)_x]_n→[Al(OH)₃]_n

其中，由含四面體AlO₄的Al₁₃轉(zhuǎn)化為均勻八面體Al(OH)₃的機(jī)理，目前并沒有完全闡明。有人認(rèn)為在Al₁₃外圍八面體增多時(shí)會(huì)促使核心四面體轉(zhuǎn)化為八面體，也有認(rèn)為是溶液中陰離子的促進(jìn)作用，仍是研究中的問題。

多核絡(luò)合物與顆粒物固體界面的相互作用研究，近年應(yīng)用小角度X-射線散射（SAXS）、X-射線邊緣吸附微結(jié)構(gòu)（EXAFS）、固體核磁共振（MAS NMR）、原子力顯微鏡（AFMS）等界面結(jié)構(gòu)鑒定儀器進(jìn)行探討的文獻(xiàn)日益增多。文獻(xiàn)提出鋁聚合物與膠體硅顆粒作用的模型如圖7所示，認(rèn)為（1）表面上首先形成鋁硅結(jié)合位。（2）吸附進(jìn)行電中和。（3）硅顆粒間架橋，并認(rèn)為作用機(jī)理與有機(jī)高分子絮凝劑相同。

本文認(rèn)為無機(jī)高分子的絮凝機(jī)理并不等同于有機(jī)高分子，無機(jī)羥基聚合物的分子量和尺度遠(yuǎn)低于有機(jī)高分子，并且是繼續(xù)發(fā)生水解的介穩(wěn)中間產(chǎn)物，它們借助于微米級(jí)小顆粒的相互聚集成為鏈狀物進(jìn)行電中和及架橋作用，同時(shí)本身又逐步轉(zhuǎn)化形態(tài)為凝膠沉淀物。因此，它們的凝聚絮凝作用機(jī)理應(yīng)介于傳統(tǒng)混凝劑和陽離子有機(jī)絮凝劑之間，屬于多核羥基絡(luò)合物的表面絡(luò)合、表面水解及表面沉淀過程，有特異的機(jī)理模型和定量計(jì)算模式。