說明混凝破壞穩定之四大反應機制

Question

請說明混凝破壞穩定之四大反應機制~環境工程類的

Answer 1

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：


1.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。
3.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。
4.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。
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。
(一)、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生成氫氧化鐵，其反應如下：

通常三價的鐵鹽具有較廣的pH值適用範圍（4 ～11），硫酸鐵在較低pH值對脫色具有良好的效果。
(三)、氯化鐵（Ferric Chloride）
氯化鐵有液狀、結晶或無水狀，一般較少適用於給水的淨水程序中。和硫酸鐵一樣，氯化鐵和水中之氫碳酸鹽鹼度反應生成氫氧化鐵，其反應如下：

若水中鹼度不足，則可以加入消石灰形成氫氧化物，其反應如下：

氯化鐵和硫酸鐵一樣，其適用pH值範圍為4 ～11，所形成的膠羽屬於質密且能快速沉降。
(四)、硫酸亞鐵 (Ferrous Sulfate)
硫酸亞鐵需要含有OH－形式的鹼度，才能產生快速的沉降。因此通長於水中加入Ca(OH)2，以提高pH值產生氫氧化物沈澱，此反應屬於氧化還原反應，通常在水中必須含有一定量的溶氧。其反應如下：

助凝劑之作用主要是使混凝劑能充分發揮其效能或提高其混凝效果，節省混凝劑之用量。較常用之助凝劑有以下三種：
1.氧化劑：當原水較難澄清或因溶解性有機物質引起色度時,可以採用此一類之氧化劑，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：可以分為陰離子聚電解質（含負電荷）、陽離子聚電解質(含正電荷)及兩性聚電解質。聚電解質主要是藉著化學架橋作用或膠羽與聚合物反應基間之交互作用，以促進混凝作用。聚電解質有自然來源的，如澱粉、纖維素、洋菜等，或是人工合成的，如活性矽酸(activated silica)為一種無機性陰離子聚電解質，主要由矽酸鈉所組成。