胶体颗粒

物理化学术语

胶体颗粒（colloidal particle）粒径小于10μm的颗粒，水体中胶体颗粒大小通常为1～100 nm，它们的重力沉速低于10-2cm/s，故在水中经常保持相对稳定的悬浮态，不能直接用沉降或过滤的方法从水中去除。一般有亲水胶体和憎水胶体两类。前者在颗粒和水之间有强烈亲和力，如动物胶、淀粉、树胶、蛋白质等，后者颗粒和水之间的亲合力可忽略不计，如金溶胶、非水合金属氧化物等。自然水体系中的胶体颗粒有黏土、二氧化硅、碳酸钙、细菌和病毒等。

基本简介

把天然水中粒径在1～10nm的各种微小粒子都划为胶体范围，是因为它们都具有胶体的性质。这些微小粒子可以是细小的黏土颗粒，也可以是溶质分子的集合体或分子量比较大的高分子化合物。黏土颗粒和溶质分子的集合体都占有一定的体积和面积，由于它们不溶于水，所以与水之间存在相间分界面，组成一个微多相分散体系，也称动力学不稳定体系。高分子化合物与水组成的分散体系，在水中处于溶解状态，与周围水之间没有分界面，属于单相体系，也称热力学稳定体系。

天然水体虽然是一种由多种胶体颗粒共存的体系，但其中以黏土矿物质及腐殖质最为普遍。黏土微粒是造成天然水体混浊的主要物质，其中粒径大于10μm的主要是石英、长石、云母等原生矿物颗粒，粒径小于10μm的主要是高岭石、蒙脱石等次生矿物颗粒，后者是混凝处理的主要对象。

主要特性

1、水中分散颗粒的稳定性

颗粒直径大于0.1mm以上的细砂，可借助重力在2min以内除去。而颗粒直径小于0.001mm的细粒黏土，沉降速度非常缓慢。当颗粒直径达到胶体大小时，实际上已不可能自行沉降，它们能长时间在水中保持悬浮分散状态，这种现象统称为“分散颗粒的稳定性。”因为从水处理的观点，凡沉降速度缓慢的颗粒都不可能在停留时间很短的水处理设备中沉降分离出来，所以认为它们在水中均是稳定的。

2、动力稳定性

分散于水中的各种悬浮颗粒，随时都受到水分子热运动的撞击。当悬浮颗粒直径比较大时，每一个颗粒从各个方向同时受到水分子的数次撞击，所以各个方向的撞击力可以相互平衡抵消，使这种颗粒能在重力作用下沉降分离。当颗粒直径小至胶体范围时，每一个颗粒受到水分子撞击的次数较少，各个方向的撞击力在瞬间内达不到平衡，朝合力的方向不断高速位移，运动的轨迹是不规则的，这种运动被称为“布朗运动”。另外，由于这种颗粒质量很轻，重力沉降作用甚微，从而导致胶体颗粒处于均匀的分散状态，这称为胶体颗粒的动力稳稳定性。这是黏土颗粒能长期稳定存在于水中，致使天然水体产生混浊的主要原因。布朗运动的速度与颗粒的直径大小有关，粒径越大，布朗运动的速度就越小，当颗粒直径达到3～5μm以上时，布朗运动就停止了。

3、胶体颗粒的带电现象

如果将胶体颗粒的水溶液加入一支U形管中，两端插入电极并接直流电源，可见到水中胶体颗粒向某一个电极方向迁移和浓集，说明这些胶体颗粒是带电的。有的胶体颗粒向正极方向移动，如黏土颗粒、细菌及蛋白质一类的高分子有机化合物，说明它们带有负电荷；有的胶体颗粒向负极方向移动，如金属铝和铁的氢氧化物等，说明它们带有正电荷。由于胶体颗粒的这种带电现象，使相同的胶体颗粒之间产生静电斥力，这种静电斥力的大小决定于两个胶体颗粒所带电荷的数目和相互问的距离，并与两个胶体颗粒间距的平方成反比。如果胶体颗粒之间的静电斥力大于它们之间的范德华尔兹引力，它们之间就会产生相互排斥作用，不能相互凝聚，而长期稳定地存在于水中。

4、胶体颗粒的溶剂化作用

胶体颗粒按其对溶剂(水)的亲合力强弱，分为亲水性胶体和憎水性胶体。亲水性胶体在水中保持稳定性的原因是在胶体颗粒表面上有一个具有一定厚度的水膜。水膜具有定向排列结构，当两个亲水性胶体颗粒相碰时，水膜被挤压变形，但因水膜有力图恢复原定向排列结构的能力，而使水膜具有弹性，从而使两个相碰撞的胶体颗粒“擦肩而过”，而不凝聚。天然水体中的亲水胶体主要是一些高分子的有机化合物，在其分子结构中含有带正电的—NH4或带负电的-COO等极性基团。它们具有吸附大量水分子的能力，在其表面形成一个水膜，增加了这种胶体颗粒在水中的稳定性。憎水胶体颗粒在水中的稳定性在于它的带电性，这可由双电层结构来说明。

脱稳方法

1、投加电解质

天然水中的黏土胶体颗粒一般均带负电荷，当向水中投加带高价反离子的电解质后，水中反离子浓度增大，水中胶体微粒的扩散层在反离子的压缩作用下减薄，电位下降，使胶粒间的相互作用势能发生变化。当ζ电位降到零时，胶粒间的排斥势能完全消失，此时的胶粒处于完全脱稳状态，胶粒间的吸引势能达到最大值，胶粒很容易凝聚。ζ电位等于零时的状态称为等电点状态。实验研究表明，凝聚不一定在ζ电位降至等电点时才开始发生，而在电位值约为0.01～0.03V时，排斥势能已降低到足以使胶粒相互接近的程度，此时在吸引力的作用下，胶粒开始凝聚，这一ζ电位值是胶体颗粒保持稳定的限度，称为临界电位值。试验表明，投加的电解质，其反离子价数越高，脱稳效果越好。

2、投加带相反电荷的胶体

当向水中投加带相反电荷的胶体后，水中胶体颗粒与加入的相反电荷的胶粒之间发生电性吸附和电性中和作用，使两种胶体颗粒的ζ电位都降低或消失，从而发生脱稳凝聚作用。为了使两种胶体脱稳凝聚，必须控制适当的投加量，投加量不足时，胶粒仍保持一定的ζ电位值，凝聚效果不佳，投加量过高时，又会因原来的胶体脱稳后形成的微小絮凝体具有较大的吸附能力，能吸附过量的相反电荷的胶体而重新带电(带上相反电荷)，从而使原胶粒发生再稳定，影响凝聚效果。

3、投加高分子絮凝剂

高分子絮凝剂是一类水溶液性的线形高分子聚合物，分子呈链状，每一链节是一个化学单位。若聚合物单体上含有可离解的基团，则称为聚合电解质。当高分子絮凝剂投加到水中后，开始时某一个链节的官能团吸附在某一胶粒上，而另一个链节伸展到水中吸附在另一个胶粒上，从而形成一个“胶粒高分子絮凝剂-胶粒”的絮凝体，即高分子絮凝剂在两个颗粒之间起到一个吸附架桥的作用

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