1　復合高分子絮凝劑的發展

1.1　水和廢水混凝處理，混凝劑與絮凝劑

1.1.1　水和廢水的混凝處理

工農業的迅速發展，人口劇增，人類賴以生存的水資源日漸貧乏，水資源危機日趨加劇。目前，水污染以及缺水問題越來越成為制約經濟發展的重要因素。為了節約水資源，提高水的利用率，減輕和消除水污染對人類和環境造成的危害，必須加強水處理工作。在水污染控制、給水凈化處理、污（廢）水深度處理回用以及污泥脫水處理工藝技術中，混凝技術是應用最普遍的處理技術單元。混凝過程的行為和效果決定著后續水和廢水處理流程的運行工況、出水水質和成本費用。

混凝過程是指在水處理過程中向水中投加藥劑，進行水與藥劑的混合，使水中穩定分散的膠體和其他微細的污染物質通過壓縮雙電層、吸附點中和作用、吸附架橋、網捕或卷掃作用而脫穩并且聚集成便于與水分離的絮體的過程。在水處理中，混凝技術最早主要是用于除濁和脫色，目的是解決水質的觀感問題。隨著新型高效混凝劑的研發和應用、混凝技術的發展和強化混凝技術的應用，混凝不但可有效去除水體中產生濁度和色度的膠體和其他微細的污染物質，而且對水體中的藻類物質、天然有機物質、納米污染物、細菌病毒、重金屬、染料、油脂及石油等具有良好的去除效果。

強化混凝技術是指在地表水常規處理工藝流程中，加入高效能的混凝劑或在合適的水處理條件下提高原水中有機污染物的去除率。強化混凝有兩個目的：第一是提高有機物的去除率；第二是充分去除消毒副產物（DBPs）的前驅物質，使得當用氯氣作消毒劑且在配水系統中維持一定的余氯量時，各種DBPs的三鹵甲烷類（THMs）的最大含量（MCL）值不超標。

在混凝過程中，人們經常把混凝與絮凝混用。混凝（coagulation）通常指使用的是無機混凝劑（coagulant），而絮凝（flocculation）通常指使用的是有機高分子絮凝劑（flocculant）。一般而言，混凝指的是加入帶正電的混凝劑去中和水體中顆粒表面的負電，使顆粒“脫穩”。于是，顆粒間通過碰撞、表面吸附、范德華引力等作用，互相結合變大，以利于從水中分離。混凝過程中采用的混凝劑是分子量低而正電荷密度高的水溶性聚合物，多數為液態，主要是鋁鹽、鐵鹽及其聚合物。絮凝則指的是聚合物的高分子鏈在水體中懸浮的顆粒與顆粒之間發生架橋的過程。“架橋”就是聚合物分子上不同鏈段吸附在不同顆粒上，促進顆粒與顆粒聚集。絮凝過程中采用的絮凝劑為有機聚合物，多數分子量較高，并有特定的電性（離子性）和電荷密度（離子度）。在實際混凝過程中，混凝機理十分復雜，要明確區分開混凝與絮凝是非常困難的，二者經常混用。在本書中也難免有時加以混用。

1.1.2　混凝劑與絮凝劑

混凝過程中投加的藥劑稱為混凝劑或絮凝劑，而混凝處理的效果關鍵取決于混凝劑的品質。表1-1列出了各種混凝劑、絮凝劑的分類及種類。傳統的混凝劑通常是指鋁鹽和鐵鹽，如硫酸鋁、三氯化鋁、三氯化鐵和硫酸鐵等，而絮凝劑通常指的是在傳統鋁鹽和鐵鹽混凝劑基礎上發展起來的聚合鋁鹽和聚合鐵鹽等無機高分子藥劑，以及天然的或人工合成的水溶性有機高分子聚合物。有機高分子絮凝劑因價格較高或因不能完全消除其合成單體所具有的毒性，而不能完全替代無機混凝劑或無機高分子絮凝劑，往往是作為助凝劑使用。

無機高分子絮凝劑（inorganic polymer flocculants，IPFs）是自20世紀60年代研制開發出的產品，如聚合氯化鋁（polyaluminum chloride，PAC）、聚合硫酸鐵（polyferric sulfate，PFS）、聚合氯化鋁鐵（polyaluminium ferric chloride，PAFC）、聚硅氯化鋁（polyaluminium silicate chloride，PASC）等。無機高分子絮凝劑是Al（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Si（Ⅳ）的羥基多核絡合物或者羥基聚合物。一般而言，無機高分子絮凝劑的單元分子量在幾千道爾頓，較有機高分子絮凝劑的分子量要低得多。不過無機高分子的結構比較容易排列成有規則微晶型，自組裝成為鏈狀和分支狀，也可以發揮比傳統無機混凝劑更強的吸附架橋作用［1］。

傳統無機混凝劑和無機高分子絮凝劑都是Al（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）鹽類水解時趨向氫氧化物沉淀的中間產物［2］。它們的根本差異在于：傳統無機混凝劑是投入水中后進行自發水解并且在過飽和條件下容易轉化為沉淀物；無機高分子絮凝劑則是在人工特定條件下進行強制水解制備的產品，它的形態在水中相對比較穩定，對繼續水解呈惰性穩態而保持已有形態，能夠發揮最優的凝聚絮凝作用。這對于聚合鋁鹽的聚十三鋁（Al13）形態表現得最為明顯［3，4］。

無機高分子絮凝劑的優點在于它比傳統絮凝劑效能更優異，比有機高分子絮凝劑價格低廉。但與有機高分子絮凝劑相比，無機高分子絮凝劑的分子量以及絮凝架橋能力相差很大［5］，單獨使用具有投加量大和產生的污泥量多等缺點［6］。無機高分子絮凝劑的品種仍在不斷發展中且趨向于序列化，無論是形態結構、行為和作用機理方面，還是在制作工藝技術、效果和作用特征等方面，還存在諸多未能闡明的問題，有待于進一步研究和實踐。目前在混凝技術領域，研制開發新型高效、無毒、價廉的混凝劑、絮凝劑成為一項迫切的任務。