在反滲透（RO）水處理系統中，膠體的預處理是關鍵環節之一。膠體顆粒（粒徑通常為 1~1000 nm）的穩定性直接影響預處理效果和膜系統的運行效率。若膠體穩定存在于水中，易導致膜表面污染、堵塞，降低產水量并增加運行成本。以下從膠體穩定的機制、影響因素及預處理破壞穩定的方法展開詳細分析。
一、膠體穩定的核心機制
膠體的穩定性源于多種物理化學作用的平衡，主要包括以下幾點：
1. 靜電斥力（雙電層理論）
- 機制：膠體顆粒表面因吸附離子或官能團電離（如金屬氧化物表面的 - OH 基團解離為 - O?和 H?）而帶有電荷，形成雙電層（內層為顆粒表面電荷，外層為溶液中反離子）。相鄰顆粒的雙電層重疊時，反離子濃度梯度導致靜電斥力，阻止顆粒聚集。
- 關鍵參數：
- ζ 電位（Zeta 電位）：衡量膠體表面電荷強度的指標，絕對值越大（通常＞30 mV），靜電斥力越強，膠體越穩定。
- 離子強度：水中電解質（如 Ca²?、Mg²?）濃度升高時，壓縮雙電層厚度，降低 ζ 電位，削弱靜電斥力（如海水因高鹽度，膠體穩定性低于淡水）。
2. 布朗運動（動力學穩定）
- 機制：膠體顆粒因水分子熱運動產生無規則布朗運動，使其持續懸浮而不易沉降。顆粒越小（接近納米級），布朗運動越劇烈，穩定性越高。
- 局限性：布朗運動僅能維持膠體懸浮，無法抵抗化學作用（如混凝劑中和電荷）引發的聚集。
3. 溶劑化作用（空間位阻）
- 機制：親水膠體（如多糖、蛋白質）表面吸附水分子形成水化層，形成物理屏障阻止顆粒接觸；憎水膠體若吸附表面活性劑或高分子聚合物，也可能通過空間位阻效應穩定（如聚合物鏈段伸展形成立體障礙）。
- 典型案例：腐殖質等有機膠體因表面官能團（-COOH、-OH）的水化作用，在低離子強度水中穩定性顯著。
4. 范德華吸引力的平衡
- DLVO 理論：膠體穩定性由顆粒間的 ** 靜電斥力能（VR）** 和范德華吸引力能（VA）共同決定。當總勢能（VT=VR+VA）存在能量壁壘（＞20 kT，k 為玻爾茲曼常數，T 為溫度）時，膠體穩定；若能量壁壘消失，顆粒因吸引力聚集。
二、影響膠體穩定性的關鍵因素
1. 膠體類型與表面性質
- 無機膠體：如黏土（SiO??nH?O）、Fe (OH)?、Al (OH)?等，主要依賴表面電荷穩定，ζ 電位受 pH 影響顯著（如 Al (OH)?的等電點約為 pH 8.5，pH＜8.5 時帶正電，pH＞8.5 時帶負電）。
- 有機膠體：如腐殖酸、微生物胞外聚合物（EPS），兼具電荷穩定（如羧酸基團電離）和空間位阻穩定（高分子鏈纏繞），處理難度更高。
2. 水質參數
- pH 值：影響膠體表面官能團的電離狀態（如金屬氧化物的 ζ 電位隨 pH 變化），同時改變混凝劑的水解形態（如鋁鹽在 pH 6~8 時生成高電荷多核羥基絡合物，混凝效果最佳）。
- 離子種類與濃度：
- 電解質類型：高價陽離子（如 Al³?、Fe³?）壓縮雙電層能力遠強于 Na?，可顯著降低 ζ 電位（如投加 Al³?可使膠體 ζ 電位從 + 30 mV 降至接近零）。
- 硬度離子（Ca²?、Mg²?）：與腐殖酸等陰離子膠體形成絡合物，可能增強或削弱穩定性（低濃度時橋接作用促進聚集，高濃度時壓縮雙電層）。
- 溶解有機物（DOM）：腐殖質等大分子有機物吸附在膠體表面，增強空間位阻，甚至形成 “膠體 - 有機物復合體”，加劇穩定化。
3. 溫度與攪拌
- 溫度：升高溫度可增強布朗運動，但同時降低水的黏度，可能加速顆粒碰撞；對溶劑化作用的影響因膠體類型而異（如高溫破壞水化層）。
- 攪拌強度：過度劇烈攪拌可能打碎絮體，而適當低速攪拌有助于混凝劑均勻分布和絮體生長。
三、反滲透預處理中破壞膠體穩定的方法
預處理的核心目標是通過化學或物理手段打破膠體的穩定平衡，使其聚集成大顆粒（絮體），便于后續沉淀或過濾去除。主要方法包括：
1. 混凝（Colagulation）—— 中和電荷為主
- 作用原理：投加混凝劑（如鋁鹽、鐵鹽、聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）），通過以下作用破壞穩定：
- 電荷中和：混凝劑水解生成高價陽離子（如 Al (OH)??、Fe (OH)??）或多核絡合物，吸附于膠體表面，中和負電荷，降低 ζ 電位至接近零（等電點附近）。
- 壓縮雙電層：混凝劑解離出的離子（如 Cl?、SO?²?）增加溶液離子強度，壓縮膠體雙電層厚度。
- 典型案例：處理含黏土的地表水時，投加 PAC 使 ζ 電位從 - 35 mV 降至 - 5 mV，膠體因靜電斥力消失而聚集。
2. 絮凝（Flocculation）—— 架橋與卷掃作用
- 作用原理：利用高分子絮凝劑（如聚丙烯酰胺（PAM））的長鏈結構，通過吸附架橋（高分子鏈同時吸附多個膠體顆粒）和網捕卷掃（絮體沉降時包裹細小顆粒）形成大絮體。
- 關鍵控制：
- 分子量與電荷類型：處理負電荷膠體時，優先選擇陽離子型 PAM（電荷中和 + 架橋）；非離子型 PAM 則依賴長鏈物理纏繞。
- 投加量：過量投加可能導致 “膠體再穩定”（高分子覆蓋膠體表面，形成新的空間位阻）。
3. 調節 pH 值
- 作用原理：通過酸堿調節使膠體表面電荷降低（如將 Fe (OH)?膠體的 pH 調至等電點 pH 7~8），或改變混凝劑的水解形態（如 Fe³?在 pH＞8 時水解為 Fe (OH)?沉淀，失去電荷中和能力）。
- 適用場景：原水 pH 偏離混凝劑最佳作用范圍時（如低 pH 水源需投加 NaOH 提升 pH 至 6~8）。
4. 膜預處理輔助手段
- 微濾（MF）/ 超濾（UF）：直接截留膠體顆粒（孔徑 0.1~0.01 μm），尤其適用于高穩定性膠體（如納米級 SiO?），但需注意膜污染問題（需結合化學清洗）。
- 氧化預處理：投加臭氧、ClO?等氧化劑，分解膠體表面有機物或破壞高分子鏈，削弱空間位阻（如腐殖酸氧化后分子量降低，穩定性下降）。
四、膠體穩定的評估與預處理效果監測
- ζ 電位測量：通過電泳法測定膠體 ζ 電位，評估電荷中和效果（目標：ζ 電位絕對值＜20 mV）。
- 濁度與顆粒計數：濁度反映膠體聚集程度（反滲透進水濁度通常要求＜1 NTU），顆粒計數器監測＞2 μm 顆粒濃度。
- 污染指數（SDI）：衡量膠體等微粒堵塞膜孔的傾向，反滲透進水 SDI 需＜5（越低越好）。
總結
膠體的穩定性是反滲透預處理的關鍵挑戰，其機制涉及靜電斥力、布朗運動、溶劑化和空間位阻的綜合作用。通過混凝 - 絮凝工藝中和電荷、架橋聚集，結合 pH 調節和膜法預處理，可有效破壞膠體穩定，降低膜污染風險。實際應用中需根據水質特征（如膠體類型、離子強度、有機物含量）優化預處理參數，實現高效、經濟的膠體去除。
