水中天然有机大分子对混凝影响的电动特征

第17卷第2期环境科学学报Vol.17,No.21997年4月ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAEApr.,1997水中天然有机大分子对混凝影响的电动特征曲久辉(中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室,北京100085)摘要以流动电流为特征参数,研究了水处理混凝过程中,天然有机大分子对水中悬浮胶体颗粒、无机盐混凝剂及其相互作用过程所表现出的电动性质特征,探讨了HA和DA(腐殖质和单宁)影响混凝过程电动特性的条件与机理.结果表明,HA和DA的存在大大降低了无机盐混凝剂对水中悬浮胶粒作用的电动效果,这与二者对混凝效果的影响具有一致性.关键词混凝;流动电流;天然有机大分子.1前言天然水中普遍含有的腐殖酸(HA)、单宁(DA)等有机大分子,具有复杂和稳定的化学形态,它们参加地球化学循环过程,能与重金属作用,在很大程度上决定了水中某些有机和无机污染物的迁移和转化,同时也是影响水处理效果的重要因素之一[1].天然水体中的HA和DA多以其负离子形态存在,它们不仅与水中共存的离子或分子相互作用,形成具有复杂结构特性的高分子物质,而且可以吸附在悬浮颗粒表面,增强胶体颗粒的负电性、稳定性和分散性.实际上,粘土悬浮体的粘度与粘土颗粒的絮凝或分散有必然的联系[2].Greenland等[3]证明,HA可明显地引起高岭土胶团尺寸减小;Roy[4]的工作也确证,HA使高岭土悬浮液降粘,并使粘粒间的“板房型”结构破坏.Thomas等[5]证明,腐殖质与铝盐之间存在重要的反应关系.HA和DA在天然水体及其处理过程中所表现出的这些特性,都将对混凝过程及其效果产生重要影响.研究表明[2],一定量HA和DA的存在,降低了混(絮)凝剂对天然水中胶体悬浮颗粒的作用效果,它不仅可以附着于颗粒物表面阻碍其凝聚脱稳,而且也可以作为一种细小的具色悬浮胶体直接与混(絮)凝剂发生反应,这往往被认为是利用混(絮)凝去除天然水色度的一个基本依据,同时也是加大混凝难度、增加药剂消耗的重要原因之一.但是,迄今对天然有机大分子影响混凝过程的认识大多仍是推理性的.本文通过研究天然有机大分子在混凝过程中与水中悬浮胶体颗粒、无机盐混凝剂相互作用所表现出的流动电流特征,探讨HA和DA影响混凝过程电动特性的条件与机理,为在本质上认识利用或克服天然有机大分子对混凝处理的作用,具有重要意义.2研究方法2.1电动参数检测作者简介:男,38岁,副研究员(博士)以流动电流(SC)作为所研究的电动参数.SC值通过一台MiltonRoy2GFNΠ2ED流动电流检测器(StreamingCurrentDetector,简称SCD)连续测定.流动电流是胶体的电动特性之一,它与Φ电位具有线性相关关系:Is=APΕΦΓl(1)式中,IS流动电流;A毛细管截面积;P压力;Ε介电常数;ΦZeta电位;Γ液体粘度;l毛细管长度.所以,流动电流可以从本质上表征水中胶体颗粒表面电荷情况,在这一点上,它应与Φ电位具有同等效力.利用SCD检测以流动电流形式表征的电动特性参数,为水处理混凝剂及混凝过程的本质特性研究提供了一个重要手段,从而实现了以Φ电位作为电动特性参数时无法实现的过程表述.首先,在SCD中流动电流与Φ电位仍具有线性相关规律:IS=GΦ�k(2)式中,GSCD的仪器参数[6];k探头表面的双电层厚度;第二,SCD可以在线连续检测水中胶体颗粒的电荷变化,尤其是在实际混凝处理过程中,它能几乎是同步地反馈水中浑浊度相对于混凝剂投加量的配比关系,因而成为混凝投药的有效控制因子;第三,它不仅能检测水中胶体粒子的电动性质,而且能有效反映无任何固体颗粒物水体的特性质点电荷,如纯水中絮凝剂的形态变化等.另外,利用SCD研究电动特性参数直观、简易、准确,是实验室研究和水处理工业控制中的一个重要方法.2.2实验方法所研究的浑浊水用经水力筛选后的240目松花江底泥加自来水配制,腐殖酸钠从松花江底泥提取,单宁为市售单宁酸商品,使用前将单宁和腐殖酸钠分别配成10mg�L和5mg�L(含腐殖酸根的浓度)的使用液.以固体硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)作为混凝剂,使用浓度为2%(含固体硫酸铝).在10L有机玻璃槽中盛入8L水样,将SCD探头的外套拆下并把其检测室全部沉入水样中,用无级变速搅拌器以640r�min快速搅拌,使水样时刻保持均匀.由于水槽为圆形,在快速搅拌下,水迅速旋转,使得进入检测室的水样可随时更换,然后打开SCD开关,记录稳定的SC值.为保持SCD检测的灵敏度及准确性,每组实验结束后都用蒸馏水或H2O2水溶液清洗SCD探头,使SC值恢复至初始数值.为保证SCD检测的连续性,按所研究对象的浓度,采用向水中连续投加计量物质的方法.在搅拌器快速搅拌下,加入的物质迅速分散稳定,同时SCD很快获得一个稳定的SC