絮凝作用

當絮凝劑投量足夠大，金屬鹽絮凝劑產生大量不定形的鹽或鐵鹽氫氧化物沉澱將水中顆粒物包裹，此時網捕卷掃發揮主要作用。高分子聚合物在靜電引力、範德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與未達完全脱穩的膠粒和細微懸浮物等發生連接作用，從而發揮吸附架橋作用。在絮凝過程中，絮凝效果的產生並不是在單一絮凝機理條件下形成的，而是以某一種絮凝機理為主導，因而在不同絮凝機理條件下所形成的絮體物化特性，如二維或三維分形維數、比表面積和絮體成長過程等會存在較大差異性，電性中和機理為主導形成的絮體較網捕卷掃機理為主導形成的絮體更加密實、分形維數大且比表面積更高，隨着絮凝劑投量的增加，絮凝條件從電性中和逐漸向網捕卷掃過渡，FI指數逐漸降低 ^[3]  。

橋連作用是質點和懸浮物通過高分子絮凝劑而被連接起來形成絮凝體的過程。主要通過高分子絮凝劑在質點表面的環式和尾式吸附架橋形成的橋連。主要分為兩種情況：高分子絮凝劑與帶有不同電荷的質點間的橋連（其脱穩作用是由於靜電引力的原因，此過程中有機陽離子絮凝劑的分子量起着重要作用）和高分子絮凝劑與帶有相同電荷的質點間的橋連（質點表面存在着正電荷區，帶負電的絮凝體對質點有包裹作用且存在反離子作用）。

絮凝作用受溶膠濃度、温度、電解質性質(如交換性陽離子的價數、水化度和陰離子種類)等因素的影響。根據絮凝速度不同，可分為慢絮凝區和快絮凝區。根據絮凝速度與電解質性質的關係，可分為只受動電電位影響的非專性絮凝和與電解質性質有關的專性絮凝。帶有相反電荷的膠體物質的相互作用也可引起絮凝作用，如高嶺石在低pH值時，帶正電荷的邊面可與鄰近的帶負電荷的基面相吸引而發生絮凝 ^[1]  。

能使溶膠或懸浮液產生絮凝作用的物質稱為絮凝劑。可分為無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑。前者如明礬和硫酸亞鐵等，後者如水溶性澱粉、動物膠和聚丙烯酰胺等。無機絮凝劑使膠體聚沉主要是由於與膠粒帶相反電荷的離子的作用。至於有機高分子絮凝劑的作用機理，主要是高分子的“架橋”作用。當具有鏈狀結構的有機高分子濃度較稀時，吸附在膠粒表面上的高分子長鏈，可能同時吸附在另一膠粒的表面上，通過“架橋”的方式，將兩個或更多的分散相粒子聚集在一起而產生絮狀沉澱。與無機絮凝劑相比，有機高分子絮凝劑有以下優點：①用量少，一般為無機絮凝劑的1/200到1/30；②絮塊大，沉降快，便於分離。有機高分子絮凝劑多用於水處理和礦泥回收等方面 ^[4]  。

河流中的泥沙可分為粗泥沙和細顆粒泥沙。細顆粒泥沙因其具有粘性，又稱為粘性泥沙 ^[2]  。河水體中的細顆粒泥沙，由於晶格缺損、同晶取代等原因而帶永久性負電荷。帶負電荷的細顆粒泥沙，由於庫倫斥力的作用，不能形成有效碰撞而成為大的顆粒，因此懸浮於水中，並可隨水輸移數千千米。懸浮泥沙在進入河口區以後，由於鹽度的增高及在水體中多價陽離子、腐殖酸一類有機電解質的作用下，顆粒間水膜互相粘結而形成絮團狀沉澱 ^[5]  。

細粒泥沙絮凝作用的主要影響因素有鹽度、水動力因素和有機物影響等。鹽度對細顆粒泥沙絮凝作用的影響，就是通過減小雙電層間的排斥作用，從而降低其穩定性。淡、鹹水混合初期，由於對鹹水中高價陽離子(主要是Ca²⁺和Mg²⁺)的吸附和離子強度的增大,細顆粒泥沙的電泳淌度突然顯著減小，這就大大減小了雙電層間的排斥作用，因而顯著降低了細顆粒泥沙的穩定性，在鹽度增大到3以前細顆粒泥沙即已完全脱穩，並在此處大量地絮凝沉降 ^[2]  。

當水流切應力小於絮凝體的抗剪強度時，水流中絮凝現象的產生取決於顆粒碰撞條件。在強的水流切應力時，絮凝體更易破碎，使絮凝過程變得可逆 ^[2]  。

河口水中有機物的主體是腐殖質，它是分子量從幾百到幾萬,結構中含有大量梭基和輕基等離解性官能團的大分子化合物，其本身帶有很強的負電荷，當其被吸附到懸浮顆粒上之後增加了顆粒的表面負電荷，這將增大懸浮顆粒的穩定性；此外，空間穩定作用也增大了懸浮顆粒的穩定性。當去除天然懸浮泥沙的有機覆蓋層後其絮凝速率顯著增大，換言之，有機覆蓋層增大了懸浮泥沙的穩定性 ^[2]  。

絮凝作用，對於細顆粒泥沙在河口區運動規律的研究、航道整治及港口建設皆有重要的參考價值。細顆粒泥沙的絮凝過程，能將水體中的污染物一起載帶下來，使水體得到淨化。這種自淨能力(或稱“自淨資源”)也常被利用 ^[5]  。

絮凝作用還廣泛用於工業和日常生活中，如用明礬和PAM淨化水，滷水點豆腐 ^[6]  。為了加速污水中的污泥沉澱，提高沉澱效率，對各種不同性質的污水添加的化學藥劑，如絮凝劑，加劑後的污水，能加速懸浮物的凝聚沉降，並能調節水質穩定 ^[7]  。在藥劑學上常利用絮凝劑來改善某些混懸劑的質量 ^[8]  。

我國的廢水排放量逐年增加，其中以工業廢水為主。據統計，選礦是我國廢水排放量最多的行業之一。選礦廢水主要來自三個方面：選前的礦石準備作業（磨礦和分級）、選別作業和選後的脱水作業。

以鋁土礦為例：由於在鋁土礦的磨礦和浮選過程中，大量的細粒鋁硅酸鹽礦物及黏土礦物進入尾礦中，使得尾礦顆粒較細，比表面積大，表面能高，顆粒間的靜電斥力大，礦漿高度分散，沉降困難。為了實現尾礦漿的快速沉降脱水，需向尾礦漿中加入絮凝劑助其沉降。

河南某鋁土礦選礦廠，生產中主要使用鋁硅比為2.5~3.0的低鋁硅比鋁土礦，處理量為1500 t/d，其尾礦產率約為50%。為加速尾礦漿沉降脱水，處理尾礦時向尾礦漿中添加了一定量的聚丙烯酰胺，沉降溢流水和壓濾水直接返回浮選系統。以該廠生產中原礦為研究對象，以分子量為1200萬~1400萬的陰離子型聚丙烯酰胺作為主要的絮凝劑，研究回水返回後對鋁土礦浮選的影響。

回水對鋁土礦浮選的影響：使用回水進行浮選試驗，不僅會降低精礦產率和Al₂O₃回收率，還會影響捕收劑對鋁土礦的分選效果。

絮凝劑濃度對鋁土礦浮選的影響：當聚丙烯酰胺濃度增大到一定值時，不僅將降低捕收劑的選擇性，同時會抑制礦物的上浮。此外，由試驗結果可知，絮凝劑在回水中的累積是造成現場鋁土礦浮選指標惡化的重要原因。

降低絮凝劑對鋁土礦浮選影響的研究：1.分散劑用量：六偏磷酸鈉降低了聚丙烯酰胺對浮選的影響，抑制了脈石礦物的上浮，改善了鋁、硅礦物的分選效果。2.攪拌時間：在絮凝初期，適宜的攪拌有利於絮凝的發生，當絮體生長到一定粒徑後，繼續攪拌非但不利於絮體的生長，還會破壞絮體結構，對絮凝起到相反的作用。3.增大捕收劑用量：在實現一水硬鋁石和脈石礦物的充分分散後，增加捕收劑用量能夠部分抵消聚丙烯酰胺對一水硬鋁石的抑制作用、增強對一水硬鋁石的捕收，實現鋁、硅礦物的有效分離。4.降低迴水中絮凝劑濃度：降低迴水返回比例後，回水仍然可用，且隨着回水比例的降低，鋁、硅礦物的分選效果逐漸變好 ^[9]  。