第七章水环境中的胶体与界面作用

• 河口区的以铁为主的胶体作为对虾等环境因子具 有下列特点： （1）具有一定的渗透压，有助于卵及幼虫的体质通 过皮膜与环境交换保持一定的平衡，对卵的孵化， 特别是对幼虫的生活有益。 （2）具有较好的浮力，使浮游能力较弱的对虾幼虫 便于起浮而不易沉底。 （3）具有活性表面，又较强的吸附能力，能吸附或 置换水中有害杂质，使其丧失或减弱毒性，保持 水质清洁。 （4）胶体粘稠，水色混浊，能见度差，有害生物不 易适应，好似一层帷幕屏罩着摇篮，使幼虫获得 一个较安全的环境，因而健康地发育成长。 （5）铁的胶体环境对其他浮游生物也是较优良的环 境。胶体环境有利于这些浮游生物的发育反之， 因此对虾及幼虫等饵料丰富。
• 水环境中胶体的种类 1 .粘粒矿物胶体 2.水合氧化物胶体:褐铁矿、水化赤铁矿 3.腐殖质胶体 4.悬浮胶体物质
二.胶体的吸附作用 表面吸附——吸附剂和吸附质之间通过分子间力所 产生的吸附，又称为物理吸附。 离子交换吸附——胶体对介质中各种离子的吸附， 属一种物理化学吸附，这种现象的发生与胶体微 粒带有电荷有关，又称极性吸附。 化学吸附——吸附剂和吸附质之间发生了化学作用， 由于化学键力引起的吸附称为化学吸附。 专属吸附——在这种吸附中，除化学键的作用外， 尚有加强的憎水键和范德华力在起作用。
• 目前，人们已经开始研究利用河口区的胶体环境 开展赤潮治理与海洋防污等工作。利用泥浆（黄 土、粘土）水中的铁、硅、镁、钙等在海水中水 解形成胶体氢氧化物，进一步络合、交换、絮凝 或特异性吸附聚沉海水中的有害物质或富营养物 质以预防和治理赤潮。养殖水体的水层及底质中， 胶体及悬浊物的絮凝及混凝作用经常发生，与抢 救泛塘、磷肥施用效果以及有机物聚沉、分解等 有着密切的关系。如今市场也已开发了许多水质 改良剂，利用胶体的吸附和凝聚作用净化水质， 提高养殖产量。
• 气—液界面的吸附与气浮分离作用 气泡的形成及在其气——液界面上的吸附作用， 水体中具有表面活性的物质连同可与其结合的其 他各种形态物质一起被选择性地富集于液相表面 膜中，这种现象称为气提作用或泡沫浮选作用。 在天然水或各种人工养殖水环境中由各种条 件所形成的气泡因为与水之间极大的密度差的作 用总是很快就上升至液面，形成被一薄层液膜隔 开的气泡聚集物。到达水面形成的泡沫，其气泡 的寿命通常并不很长，不稳定的泡沫只能保持几 秒钟至十几秒钟，较稳定的泡沫也只不过维持几 分钟、十几分钟。
胶体的凝聚作用
一、絮凝作用 1.絮凝与凝聚 胶体粒子互相碰撞，终于相互聚集成沉淀析出的过程 称为“凝结”。由于所得到的沉淀常为絮状物，因此又称 为“絮凝作用”。在胶粒及粘土微粒絮凝沉淀时，总是把 水中共存的一些可沉降或非沉降性物质结合一起沉出，故 又称为“混凝作用”。 胶体体系的分散相与分散介质之间有着很大的分界面， 这就使它们保持了很大的表面能，胶粒就有自动聚集减少 表面能的倾向，因此胶粒合并而成为较大粒子的过程就很 容易发生。水环境中存在着一些稳定剂，它们通常为一定 量的电解质，有时候是表面活性物质或高分子电解质，其 作用是阻碍微粒相互凝集，使其保持原来分散度。如果降 低或消除胶体稳定剂的作用，分散微粒则可通过碰撞结合 成聚集体而沉淀，这叫聚沉或凝聚。
第七章 水环境中的胶体与界面作用
一、基本知识 胶体粒子—任何线形直径在10-9m到10-6m 之间的粒子”即胶粒大小范围为1-1000nm . 胶体的结构——胶体粒子及细微粘土粒子， 由于分散度高，总表面积大，通过选择吸 附作用，从溶液中吸附一定离子，或者由 于粒子表面基团的电离、水解等，使得胶 体粒子等表面总呈带电状态。
3.影响凝聚作用的因素 • 电解质的作用 • 电性相反溶胶，可以相互凝结 • 助凝剂 • 非电解质的作用 • 其它:如改变pH、加热、剧烈搅拌等，都可 加速絮凝。
• 助凝剂的作用在于加速混凝过程，加大絮凝颗粒的密度和 重量，使其迅速沉淀；并通过粘结和架桥作用的加强，使 絮凝颗粒粗大且有更大表面，可以充分发挥吸附卷带作用， 提高澄清效果。 • 常用助凝剂可以分为两类： 一.是调节和改善混凝条件的助混凝剂，如石灰、苏打、小 苏打等碱性物质，可提高水的pH值，用Cl2等氧化剂、粘 土以及活性硅胶等，可以去除有机物对混凝剂的干扰，将 Fe2+氧化为Fe3+； 二.是改善絮凝体结构的高分子助凝剂，如聚丙烯酰胺、骨 胶、海藻酸钠、活性硅酸NaO3SiO2· 2O、苛化淀粉、羧 xH 甲基纤维素（CMC）以及一些天然有机物等。
• 在天然水体中常有多量胶体及悬浊物质， 其中水合氧化硅胶体、次生铝硅酸盐粘土 矿物胶体、腐殖质有机胶体、大多数蛋白 质以及矿质有机复合胶体等。在pH近中性 时，胶粒都带负电，是负溶胶，水合氧化 铁和氧化铝胶体，在碱性条件下是负溶胶， 在中性及酸性条件下则为正溶胶。
• 凝聚作用对水中有机物迁移转化的影响 养殖水体的水层及底质中，胶体及悬浊物的 絮凝及混凝作用经常发生，与抢救泛塘、磷肥施 用效果以及有机物聚沉、分解等，有密切关系。 当养殖水体有机负荷过大时，可以向水中施加凝 聚剂，如无机凝聚剂等，使粘土—有机物复合胶 体迅速絮凝，并使水中有机物质、细菌等一起聚 沉，使水中有机负荷迅速下降。有机物的凝聚具 有以下意义： • 使水中溶解态有机物转变为颗粒态有机物，为水 生动物提供碎屑饵料。 • 减轻水体的有机负荷，但却增加了底泥的有机污 染。 • 有机物凝聚下沉的同时，有可能将较为丰富的溶 解氧带入底层水中。
• 因此，对虾产卵场、索饵场、越冬场一般均坐落在富含铁 等的底质区域，其索饵和越冬的洄游也是沿相向流夹处胶 体聚沉渠道游进的，其他鱼虾也有此规律。可见对虾产卵 洄游的主要矛盾是寻找合适的铁的胶体环境，即寻找“摇 篮”之地；较高的温度、丰富的饵料及营养盐等对性腺的 成熟和幼虾、仔虾的发育生长也很重要。而越冬洄游中温 度则是主要矛盾，胶体环境亦是必需条件。山东半岛及渤 海湾沿岸各河口海区除对虾外，白虾与毛虾等产卵时间与 对虾相同，产卵地区亦基本一致。带鱼越冬场底质亦为泥 底，也是富含胶体聚沉物之地。带鱼的主要渔场—舟山渔 场，分布位置几乎与底质中高含铁量分布区完全一致。世 界著名的北海道渔场、纽芬兰渔场和北海渔场等亦然，形 成这些渔场的原因除了一般所认为的有适宜的水温，丰富 的营养盐和饵料之外，根据“胶体摇篮”的概念，这些海 区还有着适宜的胶体环境。 铁、铝、硅等胶体物质的其他来源，如海底火山及地 热水引入等等，对某些外海性鱼类的生殖、越冬和洄游等 也可能有意义，
• 天然的高分子聚合物一般来源是淀粉类、半粉甘露糖类， 纤维衍生物类，微生物类和动物骨胶类的自然产物，但这 种产物电荷密度小，分子量低，易于降解而失去絮凝活性 这些不足，因此其使用量远小于人工合成类高分子絮凝剂。 此外，水体内生物活动所产生的天然有机高分子物质，如 细菌的菌膜、鱼类分泌的粘液等，也都是良好的有机混凝 剂，对于水体内的絮凝作用有重要影响。 • 合成类高分子絮凝剂又可为离子型和非离子型两类水溶性 聚合物。其中阳离子聚电解质是指大分子结构重复单元中 带有正电荷氨基(-NH3+)、亚氨基(-CH2-NH2+-CH2-)或季 胺基(N+R4)的水溶性聚合物，主要产品包括聚乙烯胺、聚 乙烯亚胺、聚二甲氨基丙基丙烯酰胺、聚二甲基二烯丙基 氯化胺及阳离子单体与丙烯酰胺合成的共聚物等。由于水 中胶粒一般带有负电荷，所以这类絮凝剂无论分子量大小， 均有凝聚和絮凝双重功效。由于阳离子型高分子絮凝剂是 一种高分子聚电解质，它可以与水中微粒起电荷中和及吸 附架桥作用，从而利于体系中微粒脱稳，絮凝而完成沉降 和过滤脱水，有效地降低水中悬浮物固体含量和水的浊度 及有机物油污含量。
• 吸附与气浮分离作用的运用: 1.在水生生物培养研究中人们常常利用气提作用于 除去或收集水体中的有机物。在人工养殖水环境 中，可借助机械鼓气的方法，产生泡沫，使溶解 性有机物质聚集于气——液界面，并在泡沫破裂 时成为不溶性有机碎屑从而降低有机负荷，增加 碎屑饵料。 2.许多研究结果表明，有机物在浮游植物的生长过 程中有着不容忽视的作用，有机氮、有机磷化合 物同样可以被浮游植物、微生物等直接或间接地 吸收利用。胶体粒子由于其表面富集了有机物质 和营养成分，更容易被微生物分解利用。
2.天然水中凝聚剂的种类: • 无机凝聚剂——分无机低分子凝聚剂和无 机高分子凝聚剂。 • 有机凝聚剂——主要是天然和人工合成的 水溶性高分子聚合物，如聚丙烯酸、聚丙 烯酰胺、聚苯乙烯磺酸酯等。
• 常用的无机阳离子凝聚剂有：
三氯化铝（AlCl3· 2O）、硫酸铝[Al2（SO4） 6H 18H2O]、硫酸亚铁（FeSO4· 2O）、三氯化铁 7H 3· （FeCl3· 2O）、硫酸铁[Fe2（SO4）3· 2O]等；主 6H nH 要的无机阴离子凝聚剂有：氧化钙（CaO）、氢氧化 钙（Ca（OH）2）、氢氧化钠（NaOH）、碳酸钠 （Na2CO3）等。 铝盐高分子凝聚剂有聚氯化铝、聚硫酸铝、聚硫 氯化铝等；新近开发的铁盐无机高分子凝聚剂有聚硫 酸铁和聚氯化铁。目前我国用量最大的无机絮凝剂主 要有硫酸铝、聚氯化铝、氯化铁和硫酸亚铁等;其它品 种如聚硫氯化铝、聚硫酸铝、聚氯化铁、聚硫酸铁则 是近年来刚投产的新品种，目前尚处于推广应用阶段。 这些无机凝聚剂不仅具有一般电解质的作用，还能通 过水解或其它反应，形成絮状沉淀，絮凝作用很强， 对无机杂质有很好的净化效果，但对有机物的凝聚效 率并不高。
源自文库
高分子凝聚剂与无机凝聚剂相比具有效率 高，絮块大、沉降块、可进行选择性絮凝 等优点。现在一般认为，高分子的絮凝作 用是通过“搭桥”来实现的，即在溶液浓 度较稀时，吸附在质点表面的高分子长链 可能同时吸附在另一质点的表面上，通过 “搭桥”的方式将两个或更多的质点拉在 一起，导致絮凝。当然，高分子凝聚剂的 作用通常需要在特定的浓度范围内才能很 好地发挥，使用量过大絮凝效果下降，若 超出很多，则反而起保护作用。