第七章水环境中的胶体与界面作用

• 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。
• 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，
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。
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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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Βιβλιοθήκη 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。
• 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。
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。
• 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。
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。