天然水中的胶体及其作用Word版

1、天然水中的胶体及其作用    第一节  胶体的基本概念  一、基本概念   1.胶体的定义与结构    胶体粒子能透过0.45µm微孔膜但被分子量截留或分子量保留为1000Dalton的超滤膜所保留的粒子”。    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。吸附在胶体微粒表面的离子，决定着表面带电性质，因此称为“

2、决定电位离子”。它们与胶体表面结合很紧，与胶体离粒子一起移动并不分开。    胶体表面带电后，由于静电引力关系，可从溶液中再吸附一些荷电相反的离子（称为“反离子”），它们与胶体表面保持一定距离。离表面近的反离子，受的引力较大，总是随胶体粒子一起移动，故合称为“固定层”，也称吸附层。离胶体表面更远的反离子，由于受到的引力较小，在胶体粒子移动时，它们并不随之移动，称为“扩散层”。当与胶体表面的距离增大到一定数值时，反离子浓度即与溶液主体内的平均浓度相同，这一点即为溶液主体与扩散层的“分解界”。    如果用通式来表示胶团结构，就是：

3、60;       根据这个通式，可以写出各种溶胶的胶团表示式，例如在KBr溶液中带负电的AgBr溶胶其胶团公式为：           而在AgNO3溶液中带正电的AgBr胶团公式为：   硅酸溶胶的胶团公式为：           2.胶体的电学性质    胶体离子表面电荷的由来（1）电离 一些胶体粒子，在水中本身

4、就可以电离，故其表面带电荷。例如硅胶表面分子与水作用生成H2SiO3，它是一个弱电解质，在水中电离生成 ，使硅胶粒子带负电。高分子（如蛋白质）含有许多羧基和氨基，从而使整个大分子在不同pH条件下具有不同带电性，当介质的pH较低时，分子带正电荷，pH值较高时，带负电荷，在某个特定的pH值，蛋白质分子的净电荷为零，此pH值称为该蛋白质的等电点。（2）离子吸附 分散相表面对电解质正负离子不相等的吸附，从而使其表面获得电荷。有些物质本身不能离解，例如石墨、纤维、油珠等，但是可以从水或水溶胶中吸附H+、OH-或其它离子，从而使物质带电。影响分散相表面带正电荷还是带负电荷的因素主要有两个。一方面水化能力强

5、的粒子往往留在溶液中，水化能力弱的粒子则容易被吸附于固体表面。阳离子的水化能力一般比阴离子强，所以固体表面带负电荷的可能性比较大；另一方面根据Fajans规则，能和组成质点的离子形成不溶物的离子，最容易被质点表面吸附。例如用AgNO3和KBr反应制备AgBr溶胶时，AgBr质点易于吸附Ag+或Br-，而对K+和 吸附较弱，因此AgBr质点的带电状态，取决于溶液中Ag+或Br-中哪种离子过量。如果有表面活性剂的离子存在，那么，通常可以根据所吸附的表面活性剂的离子的正负来判断表面带电的正负。具有水合作用的物质（如蛋白质、多糖等）表面不太容易吸附离子，而疏水物质的表面（如脂类表面）则比较容易吸附离子

6、。（3）晶格取代 晶格取代也是粘土粒子带电的原因之一。粘土是由氧化铝八面体和硅氧四面体的晶格组成，粘土晶格中的Al3+往往有一部分被Mg2+或Ca2+取代，结果使粘土晶格带负电。为维护电中性，粘土粒子表面就吸附了一些正离子，这些正离子在水中因水化而离开表面，并形成双电层，于是粘土粒子带负电。    -电位 从胶团的结构可见：电泳时，运动的质点是胶粒，也就是说胶核和吸附层一起作为一个整体运动，决定其受电场力作用大小的电荷是 ，即吸附层和扩散层之间的电位差，而不是固体的胶核和液体之间的总电位差。这种当分散相和分散介质作相对运动时，吸附层和扩散层之间存在的电位差称为电动

7、电位，用希腊字母表示，又称为-电位。     -电位与总电位差不同，只有在固液两相作相对运动时，才能表现出来。在数值上，总电位差为全部正电荷与全部负电荷之间的最大电位差，即胶核表面离子与全部反离子之间的电位差。而-电位仅仅是总电位差的一部分，因为除了扩散层的电位降（即-电位）外，还有一部分电位降在吸附层里。此外，-电位和溶液中存在的任何电解质的离子都有关系，而且-电位随电解质浓度的增大而减小。因为电解质浓度增加时，会使扩散层受到压缩（同号的反离子相互排斥），部分反离子从扩散层转到吸附层，结果使扩散层的厚度变薄，-电位便降低。当扩散层的反离子全部转入吸附层时，扩散层

8、的厚度被压缩到零，-电位降为零，胶粒失去了电性，将不再在电场作用下移动，即所谓等电态，这时胶体的稳定性最小。   3.胶体的稳定性及影响因素 -电位的大小胶体质点之间存在着互相吸引力，即范德华力，也存在着互相排斥力，即双电层重叠时的静电排斥力。这两种相反的作用力就决定了溶胶的稳定性。当粒子之间吸引力占主导时，溶胶就发生聚沉；当静电排斥力占优势，并能阻止粒子因碰撞而聚沉时，胶体就处于稳定状态。很显然，-电位越大，即说明胶粒的电荷越多，它们之间的电性斥力也越大，胶体越稳定；相反，-电位越小，说明胶粒的电荷越小，胶体越不稳定；当-电位等于零时，胶粒不带电，溶胶最不稳定。 

9、0;   溶剂化作用    因为离子在溶液中都具有一层溶剂化薄膜，所以，分布在扩散层里的反离子，通过水化作用， 在胶粒的外面，组成一个水化薄膜层，它阻止了胶粒的互相碰撞而引起的合并，使溶胶具有一定的稳定性。     特别是高分子化合物的溶液，其稳定因素中溶剂化作用往往比电荷的作用还更重要。例如明胶、琼胶、血清蛋白等，在等电点下，仍然保持一定的稳定性。而某些高分子化合物溶液，例如溶解在苯中的橡胶，或溶解在苯中的聚苯乙烯，它们根本不带电，只靠溶剂化作用来维持稳定性。     总之

10、使胶体具有稳定性的原因有两个，一个是-电位的大小，一个是溶剂化作用。这两个因素并不一定要同时具备，而且所起作用的大小，也因溶胶的性质而有所不同。一切可以增加-电位和溶剂化作用的因素都可以提高溶胶的稳定性，相反，一切可以降低-电位和溶剂化作用的因素，都会减弱乃至破坏溶胶的稳定性。    二、水环境中的胶体   1.水环境中胶体的种类    粘粒矿物胶体粘粒矿物是环境中无机胶体的最重要也是最复杂的成分。粘粒矿物是在原生矿物风化过程中形成的，其成分主要为铝硅酸盐，具有片状晶体构造。无机粘粒组分的电荷一般有两个来源。一个是

11、蒙脱石等层状硅酸盐矿物的同晶置换。同晶置换形成的电荷由于硅或铝原子被一个几何形状相同但电荷较低原子取代所致（如Mg2+取代Al3+，或Al3+取代Si4+）。由此产生的负电荷相对均匀地分布在片状粘粒上。同晶置换主要发生在层状硅酸盐矿物结晶过程中，而且一旦产生电荷，不再受以后环境变化的影响。 另一个是硅氧四面体平面破裂边缘上连接硅原子的羟基（-OH）和层状硅酸盐矿物晶层暴露的AlOH基脱去质子造成的。随着pH值增加，以下反应可使粘粒边缘上形成负电荷：     -SiOH + OH- -SiO- + H2O     -AlOH + OH-

12、 -AlO- + H2O       水合氧化物胶体水合氧化物胶体中最重要的代表为褐铁矿（Fe2O3·nH2O）、水化赤铁矿（2Fe2O3·H2O）、针铁矿（Fe2O3·H2O）、水铝石（Al2O3·H2O）和三水铝石（Al2O3·3H2O）。除了上述水合氧化物外，环境中常见的含水氧化物胶体还有二氧化硅凝胶，其中蛋白石（SiO2·nH2O）是最主要的代表。水体底泥与悬浮物质中的粘土矿物及水合氧化物矿物主要来自流域的风化产物及土壤。    腐殖质胶体腐殖质是水体中有机

13、物的重要组成部分。海水中的腐殖质约占有机物总量的6-30%，在近代海洋沉积物中的主要有机成分也是腐殖质。海水中的腐殖质多为水中浮游生物的降解产物与来自陆地腐殖质的混合物，其中有不少是水生植物的分泌物和降解产物。腐殖质可视为聚合物（分子量为300-30000），含有酚-OH基和羧基，脂族-OH基数量较少。水环境中的腐殖质主要为富里酸。多数学者认为富里酸的分子量较低，有人测定海水中的富里酸的分子量大多低于700，低于土壤中富里酸的分子量。但从一些河水中提取的胡敏酸和富里酸的分子量较高，富里酸的平均值达37200。由此可见由于条件不同，腐殖质的起源不同，其组成含有较大的差异。水环境底泥中腐殖质含量大

14、部分情况下为1%-3%，某些地区可达8%-10%。海水的有机物质中，其中60%-80%是腐殖质，约为0.003-0.8×10-6（质量浓度）左右。河水中腐殖质含量平均为10-15mg/L，有时可达200mg/L，起源于沼泽的河流含腐殖质最丰富。有些河流（如流过针叶林地带沼泽的河流）腐殖质含量占残渣的50%，甚至70%。湖水中腐殖质含量变化较大，在干旱地由含碳酸盐岩石为底所组成的湖泊，腐殖质含量不高，而分布在北方针叶林沼泽地带的湖泊，湖水色似浓茶，底部堆积大量的腐殖质，腐殖质在湖水中变化于1-150mg/L之间。地下水的腐殖质含量很少，通常不超过10mg/L，平均为4-6mg/L。但在

15、沼泽地带的地下潜水中的腐殖质含量则较高，有时甚至达70-80mg/L。研究发现，腐殖质也是天然饮用水中可溶性有机物质的主要成分。    悬浮胶体物质水中的悬浮胶体物质是能在水中悬浮相当长时间的固体颗粒。其直径一般在1.0-0.01m的范围内。这些颗粒在水中悬浮的时间很长，足以使其进行各种反应，从而对颗粒本身及其周围水环境产生一定的影响。悬浮胶体物质可分为碎屑性悬浮胶体和自生的悬浮胶体两类。前者多为无机物，后者是指由水中生物或无机化学过程所产生的有机和无机颗粒，包括细菌、活体微型浮游生物、粪粒以及其它来自水体自身的有机聚和体和无机颗粒，如由生物或纯无机沉淀反应所产生

16、的CaCO3多晶型物和BaSO4。    2.环境胶体的电学性质与双电层结构    环境胶体的带电性 正常自然环境中的大部分胶体（粘粒矿物、有机胶体、水合氧化铝等）带负电荷，还有一部分是两性胶体，即在不同的条件下，可能解离出OH-，也可能解离出H+。 腐殖质胶体带负电荷，这种现象主要由于腐殖质的羟基和羧基中的H+的离解所引起的： 水合氧化硅胶体，因其外层分子离解而使胶体带负电：      而水合氧化铁、水合氧化铝则是两性胶体，在酸性条件下离解出OH-离子，使自身带正电荷：   

17、0;  在碱性条件下，则离解出H+，使自身带负电荷：          胶体的等电点如前所述，两性胶体的特点是既能解离出OH-，也能解离出H+，而当其解离阴、阳离子的能力相等时，此时胶体溶液的pH值称为等电点，即在这一pH值时，胶体不带电荷，胶体的稳定性最低。 第二节  胶体的吸附作用  一、吸附作用基本概念   1.吸附机理环境中胶体的吸附作用可分为表面吸附、离子交换吸附和专属吸附等。     表面吸附吸附剂和吸附质之间通过分子间力所

18、产生的吸附，又称为物理吸附。这种吸附的发生源于胶体巨大的比表面和表面能。任何物体表面分子由于受到不均衡的分子引力，使表面的分子具有多余的自由能，即存在着剩余引力。这些能量是因表面存在而产生的，故称为表面能。表面能愈大，吸附作用就越强。在水环境中的各类胶体均具有巨大的比表面，巨大的比表面产生巨大的表面吸附能。由于物理吸附不发生化学作用，所以常温就能进行；由于环境中分子间力的普遍存在，所以水中的胶体可以同时吸附多种物质。但是物理吸附的吸附力较弱，容易解吸。     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

19、性吸附。如前所述，由于环境中大部分胶体带负电荷，所以在自然界中易被吸附的主要是各种阳离子。在吸附过程中，胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等摩尔电荷的其他阳离子，所以这种吸附叫做离子交换吸附。 各种阳离子虽然都能被带负电的胶体所吸附，但其被吸附的能力是不同的。 阳离子交换吸附的亲和力受以下几种因素的影响：     （1）价性与水化作用的影响随着电价增高，阳离子的吸附亲合力增强：随着水化阳离子半径的减少，产生较高的电荷密度，如碱金属与碱土金属交换吸附亲合力的顺序为：         （2）溶质浓度的影响交换

20、亲合力较小的阳离子，如果在溶液中的浓度较大，也可以置换出交换亲合力较强、但在溶液中浓度较小的阳离子，即交换作用也服从于质量作用定律。     （3）吸附剂和吸附质种类的影响有机物质对两价金属离子又较高的吸附亲合力，有机质对重金属离子的吸附力大于对碱土金属和碱金属的吸附力：     （4）水解作用的影响金属离子的水解产物（羟基络合阳离子）的交换亲合力大于简单离子，如CuOH+>Cu2+，FeOH2+>Fe3+等。离子交换作用对于从概念上解释胶体颗粒表面对水合金属离子的吸附是有用的。如水合金属离子在二氧化硅凝胶表面发生的反应是

21、： 式中的m通常等于n。     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。化学吸附是一个吸热过程，一般要在比较高的温度下进行；化学吸附具有选择性；由于是由化学键力引起的吸附，吸附只能形成单分子吸附层。吸附剂和吸附质之间的吸附作用较强，一旦吸附后则很难解吸。     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。在水溶液中，络离子、有机离子、有机高分子和无机高分子的专属吸附作用特别强烈。由于专属吸附作用的存在，不但可使表面电荷改变符号，而且可使离子化合物吸附在同号电荷的

22、表面上。在水环境胶体化学中，专属吸附是特别重要的。 水合氧化物胶体表现出的专属吸附作用最强，特别是水合氧化物对重金属离子的专属吸附，被吸附的离子不能被通常的提取剂（如钠盐、铵盐或钙盐溶液）所提取，只能在极强酸条件下解吸，或被亲和力更强的重金属离子所置换。由于专属吸附作用，水合氧化物可以从常量浓度的碱金属盐溶液中吸附其中痕量（浓度上低3-4个数量级）重金属离子。专属吸附不是静电引力所致，在水合氧化物带正电荷时或不带电荷时也能发生。 水合氧化物的专属吸附对阴离子（如磷酸根、砷酸根、硒酸根、硫酸根、硝酸根、氯根和氟根等）也有效，这种吸附不同于带正电荷的胶体对阴离子的吸附。 这几种吸附并不是孤立的，在

23、某一具体的吸附过程中，它们往往相伴发生，在胶体表面的不同位置上可能会发生不同的吸附。一般是几种过程综合作用的结果，即有时可能以其中一种或两种甚至三种作用为主，因条件的变化而异。 2.吸附等温线与吸附等温式 在温度固定的条件下，胶体的吸附量Q同溶液浓度之间，或者被吸附的气体数量和气体压力之间的关系称为等温吸附规律，表达这一关系的数学式称为吸附等温式。而在给定温度下，处于平衡状态时被吸附的物质和该物质在溶液中的浓度（若是气体，则指气体的吸附量和气体压力之间）的关系曲线则称为吸附等温线。在实践中有多种类型的吸附等温式和吸附等温线，它们各自有不同的吸附理论模式及适用范围，Brunauer 曾把固体对气

24、体的吸附等温线分为五类。 二、吸附作用与物质迁移转化的关系   1.吸附作用对重金属迁移转化的影响     胶体物质由于具有极大的比表面积和多种活性官能团，可以吸附或络合多种溶解态的微量金属，对微量金属在水环境中的化学存在形式起非常重要的控制作用，在很大程度上决定着微量金属在水环境中的分布与富集状况。吸附作用是使许多微量金属从不饱和的天然溶液中转入固相的最重要的途径。胶体的吸附作用大量的研究结果表明，在0.45m微孔膜处理过的水样中，有相当量的痕量金属是同胶体粒子相结合，以胶体态存在，其中被研究的金属元素有Fe、Al、Mn、Cu、Zn

25、、Cd、Pb、Ni、Ag、Th等。天然水中痕量金属的化学存在形态应包括胶体态，痕量金属的胶体态甚至是它的主要存在形态，而且可能是元素迁移过程的重要环节。许多痕量元素包括一些放射性核素的生物化学活动有可能和天然水中的胶体物质分不开。一些过去认为是存在于“溶解相”（<0.45m）中的组分，实际上正是以胶态的形式分散于天然水体中。    在不同的水环境中，某些元素的清除速率有着显著的差别。产生这些显著差别的原因可能就是和水体中胶体物质的物理化学性质有关。研究表明，胶体物质越多，元素自水体中迁出的速度就越快。溶解态物质在向大的聚集物迁移的过程中需要依靠胶体作中介，这

26、个过程可分为两步：首先金属与胶体表面通过吸附等作用快速形成络合物；接着胶体慢慢聚集成大的颗粒物。胶体在水中元素的迁移过程中起着不容忽视的作用，但这种作用的大小还将受到水中其它物理化学性质的影响，还有可能与生物活动有密切的关系。    2.吸附作用对有机物迁移转化的影响    水中胶体对有机物的吸附通常遵循这样的规律：对于弱极性或者疏水性的胶体而言，有机物的吸附量随着碳氢链长增加而增加。    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

27、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。一些研究结果也证实了这一点。如Amon等的研究发现，对于高分子量溶解有机碳和低分子量溶解有机碳而言，所测定的细菌在其中的生长速度和呼吸速度为前者大于后者，细菌对前者的利用速率为后者的1.4-4倍，所以易被胶体吸附的高分子溶解有机碳在一定程度上更具生物活性。对于水生动物而言，由于水中各种胶体对有机物的吸附作用，使得原先不易被直接摄食利用的溶解态有机物转变为有机碎屑，在提供天然饵料方面起着重要的作用。3.气液界面的吸附与气浮分离作用    各类敞开的天然水体体系中，除了处于与大气直接接触的

28、水体表面固有的气液界面之外，在水体内部由于风力、波浪和水生生物活动、底质有机物的厌气腐解产气等自然过程以及机械鼓气等人工过程都可能产生气泡，从而在水体形成气液界面。天然水体中的气液界面同其它所有界面一样，也是水环境中物质迁移、转化作用最为强烈的位置。在天然水体中，对于水生生物研究有密切关系的是两种与界面吸附有关的现象，即泡沫气提作用和水体表面膜或微表层化学。    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

29、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。由于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。    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

30、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。一些研究结果也证实了这一点。如Amon等的研究发现，对于高分子量溶解有机碳和低分子量溶解有机碳而言，所测定的细菌在其中的生长速度和呼吸速度为前者大于后者，细菌对前者的利用速率为后者的1.4-4倍，所以易被胶体吸附的高分子溶解有机碳在一定程度上更具生物活性。对于水生动物而言，由于水中各种胶体对有机物的吸附作用，使得原先不易被直接摄食利用的溶解态有机物转变为有机碎屑，在提供天然饵料方面起着重要的作用。4.微表层    微表层是水体表面一层与水体

31、不相混溶的薄层，与水的主体相比，具有特殊的物理化学及生物特性，对污染物的生物地球化学循环有着重要的影响。微表层的厚度没有确定的值，研究目的不同，微表层的厚度也不同，迄今为止，一般认为是几十到几百微米。 海洋微表层中天然物质和合成物质的来源和去向（包括微层内的过程） （Liss, P. S., 1974）     微表层中金属的富集许多海洋微表层观测结果表明，多数可萃取的有机结合态金属含量对金属总量之比值较海表层下0.6m处次表层样品中的高，而富集倍数的变化则很大。由于污染物的来源不同可导致金属在微表层的富集出现较大的差异。大气沉降是水中金属的主要来源，在

32、很多靠近城市的地区，大气中的金属主要来源于化石燃料燃烧所产生的产物，这样就造成了濒临市区的水体金属在微表层的富集倍数要比农村水体大2-3倍。此外，盐度、水中其它金属的浓度也会影响金属在微表层中的富集，但这并不是绝对的。    微表层中有机物的富集Garrett, W.G. (1967)就海洋微表层中有机物的化学组成进行了较为全面的研究，结果发现，在未受污染的大西洋和太平洋近岸海区表层，萃取液中多为C11C22游离和结合脂肪酸以及C12以上的高级烷醇，分子中碳链平均长度也大于次表层中的有机物。这表明，很多有机物的富集是有选择性的。有些有机物如多环芳烃易于富集在水体表

33、面上。在有PCB（多氯联苯）和有机氯农药污染的海区，卤代烃倾向于在微表层中富集。显然，这是由于卤代烃物质较易溶于具有表面活性的类脂之中，并借助气液界面吸附作用而富集于表面层而引起的。  罗得岛纳拉甘西特湾样品中多氯联苯的含量   表面样品 次表面样品 富集因子 样品1 4.2 0.15 27 样品2 0.45 0.05 8       PCB的浓度以Aroclor1254为代表，单位为g·L-1。       富集因子=（在表面层中的浓度/在次表面层中的浓度）1 富

34、集在水体表面的有机物所产生的环境影响已受到越来越多的关注，它们在水体表面形成有机薄膜，干扰界面间的气液交换、气泡的稳定性，以及有机颗粒聚合体的形成等；而有机聚合体则可影响痕量金属在微表层中存在的形式及迁移速率。表面活性有机物还能与金属络和。同时由于微表层中有很多微生物、飘浮的鱼卵等，它们必然要受到微表层中较高浓度的物质如重金属离子、PCB等的作用，产生各种毒性效应。    微表层中金属有机物的富集对于微表层中金属有机物的研究比较典型的代表是有机锡化合物，有机锡化合物在水体及微表层的浓度变化很大，富集倍数变化也很大。一般来说，水交换能力差的水体表层有机锡化合物的浓度

35、会增加。水体本身的状况也会影响有机锡的富集。有些水体表面没有明显的石油烃或原油膜，此时有机锡化合物只能被吸附在表面活性物质上，这些物质就象石油烃或原油一样，在海水表面形成一个薄层。很显然，有机锡在这两种膜层中的富集机理是不同的。    营养元素许多研究显示，对含有表面活性分子和溶解无机磷的水溶液进行鼓泡时，磷酸盐将富集于微表层而使其在本体溶液浓度降低。据报道，无论是过滤的或未过滤的海水，经24小时的鼓泡后，有90%的溶解态无机磷酸盐被移除。显然磷酸的转移同海水中存在的能与磷酸根结合的表面活性分子的气体作用有关。即鼓泡能从水体中驱除出表面活性物质及与之相结合的磷酸根

36、离子，在气泡破碎时浓集于微表层和（或）逸散于气溶胶微滴中，可以预料，在海洋中由于风和波浪的作用所产生的冒泡现象可导致磷酸盐在海洋微表层的富集。与磷不同，多数溶解态无机氮化合物在鼓泡时不易被表面活性物质所吸附，因此关于无机氮在海洋微表层中的富集难以用气提作用加以解释。微表层中含氮化合物被富集的顺序大体为：颗粒态有机氮>溶解态有机氮，而亚硝氮是唯一的一种不为微表层所富集的无机氮化合物，    细菌和其他微生物细菌和许多其它微生物都可优先存在于海洋表面，而且其富集的程度与水中颗粒物的浓度密切相关。鼓泡能使细菌和浮游植物在表面上产生显著的富集作用，这同上述的有机物（

37、包括溶解态和颗粒态）富集现象十分相似。由于微表层中微生物密度很高，表明在促成水环境中天然物质和人类污染物质的生物化学转化过程，微表层中的微生物起着重要的作用。    微表层中的光化学反应据研究，紫外辐射能使表面层有机物质发生氧化分解。而紫外辐射在水层中可显著衰减，因此可以断定，光化学作用主要发生在水体的微表层。Wilson et al 发现微表层中的一氧化碳有一部分是光合成的。而在表层发生的另一个光诱导反应是亚硝酸盐离子生成了一氧化氮即羟基自由基。除了上述研究之外，人们还对微表层中富集的各种物质可能产生的毒性效应进行了各种动力学研究，建立了各种模式，如PCBs在气

38、液界面间的交换模式，指出交换的净结果是湖水向大气排放了PCBs，是PCBs的一个源，并估计了交换量的大小。    第三节  胶体的凝聚作用一、絮凝作用   1.絮凝与凝聚    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。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

39、性物质结合一起沉出，故又称为“混凝作用”。     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。 2.天然水中凝聚剂的种类天然水中的凝聚剂通常可以分为无机凝聚剂和有机凝聚剂等。    无机凝聚剂分无机低分子凝聚剂和无机高分子凝聚剂。无机低分子絮凝剂又分为无机阳离子絮凝剂和无机阴离子絮凝剂；无机高分子絮凝剂又分铝盐无机高分子絮凝剂和铁盐无机高分子絮凝剂。常用的无

40、机阳离子凝聚剂有：三氯化铝（AlCl3·6H2O）、硫酸铝Al2（SO4）3·18H2O、硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）、三氯化铁（FeCl3·6H2O）、硫酸铁Fe2（SO4）3·nH2O等；主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

41、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。     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。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

42、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

43、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。     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。 3.影响凝聚作用的因素    电解质的作用加入电解质可以压缩扩散层，降低胶粒的-

44、电位，导致凝聚作用的发生。对于无机凝聚剂而言，高价离子的聚沉能力大于低价离子；对于同价离子，其水合离子半径越小，聚沉能力越大；而有机凝聚剂由于与胶体粒子之间有较强的范德华引力，比较容易在胶体粒子上吸附，所以与同价无机离子相比，聚沉效率要高得多。     电性相反溶胶，可以相互凝结一般认为，疏液溶胶相互凝结，主要通过静电引力；疏液溶胶与亲液溶胶相互凝结则主要依靠吸附及桥连作用；亲液溶胶相互凝结则与所谓乳粒积并作用有关。助凝剂混凝剂的加入可以扩散层，降低胶粒的-电位甚至使之接近于零，使胶体发生聚集作用。但有时使用单一的混凝剂并不能取得良好效果，需要投加辅助药物，提高混

45、凝效果，所用辅助药物称为助凝剂。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。常用混凝剂可以分为两类：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NaO·3SiO2·xH2O、苛化淀粉、羧甲基纤维素（CMC）以及一些天然有机物等。  

46、  非电解质的作用非电解质对于溶胶所表现出来的聚沉效应，可因非电解质的不同而有显著的差异。有许多能在水中形成分子分散的非电解质物质，都能引起胶体的聚沉，例如乙醇、丙酮、糖等，当然这些物质需要较高的浓度才有聚沉效应。    其它如改变pH、加热、剧烈搅拌等，都可加速絮凝。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。二、水中有机物的凝聚作用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。