甲壳质.docx

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甲壳质

甲壳质，又称甲壳素（Chitin），是许多低等动物，特别是节肢动物如虾，蟹、昆虫类，蜘蛛类外壳的重要组成部分，也存在于低等生物如真菌，藻类的细胞壁中。

甲壳素的结构与纤维素类似，溶解性很差，化学性质也不活泼。

甲壳素是自然界含量仅次于纤维素的第二大天然有机高分子化合物。

估计每年生物合成的甲壳素达数十亿吨，全世界每年水产加工后的甲壳素废弃物约为140多万吨。

甲壳素在我国有丰富的自然资源，如何充分利用这一宝贵的自然资源，长期以来一直是人们探索的课题。

早在1811年，BracohnotH首次从蘑菇中分离出甲壳素，并命名为“fangin"1823年，OtherA发现昆虫的外皮上分布有大量的甲壳素，并用希腊语命名为"Chitin"。

1859年，RougetC用浓氢氧化钠处理甲壳素，使其脱乙酞化，制备出能溶于稀有机酸的物质。

1894年Hoppe-seder将该物质命名为"Chitosan"。

1937年，Lobell等人发现能把甲壳素水解成甲壳素低聚糖的甲壳素酶，1973年，Eveleighdeng等人发现能把壳聚糖水解成低聚糖的壳聚糖酶。

1977年，日本人首次将壳聚糖作为天然絮凝剂处理废水。

近二十多年来，甲壳素和壳聚糖的研究及开发应用在全球范围内形成一股热潮。

1977年，在美国Boston召开了由MITSeaGrandProgram主办的首届国际甲壳素/壳聚糖学术会议，以后又相继在日本、意大利、挪威、美国、波兰、法国召开了专题国际会议，2000年9月在日本山口县召开了第八届甲壳素/壳聚糖国际学术会议和第四届亚太地区甲壳素会议。

目前，日本、美国等国家已经将甲壳素/壳聚糖应用到农业、印染、医疗、医药、化妆品及保健品、食品添加剂、重金属回收等诸多领域上，并有商品化产品，如植物活化剂、生物反应器、固定化酶的载体以及膜的分离材料等。

1982年以来，壳聚糖在水处理中的应用在国外日、美等发达国家已逐渐开展起来。

日本将80%的工业甲壳素用于处理各种工业废水，现在每年用于水处理的甲壳素/壳聚糖约500吨，主要用于水处理及污泥处理，美国国家环保局（USEPA）也已批准将壳聚糖用于水处理，主要将壳聚糖用于给水及饮用水的净化。

近年来我国在甲壳素方面的研究与开发活动也较活跃兴旺。

1996年10月中国化学会在大连召开了第一届甲壳素化学与应用研讨会，1998年7月在浙江玉环县中国化学会又召集了甲壳素专家论坛报告会，并正式成立中国化学会甲壳素研究会筹备会，以后分别召开了第二届（1999年，武汉大学）、第三届（2001年，浙江玉环县）、第四届（2004年，广西北海）甲壳素学术研讨会，这些活动推动了我国甲壳素化学领域的发展。

本论文的目的是在大量查阅国内外文献的基础上，利用壳聚糖这一天然高分子化合物优良的吸附和絮凝的特性，与其他混凝剂复配，考察它在水处理上的应用，研究其净水效能。

壳聚糖虽然农业、印染、医疗上的研究提出较早，但在环境治理上的实际应用研究也只有十多年的历史，壳聚糖无毒，易于生物降解，在水处理领域中已显示良好的应用前景。

我国从20世纪90年代初开始先后在一些科研院所、高等院校开始从事该领域的研究。

虽然不少学者作了大量工作，提出了不少理论及方法，取得了一定的成果，但目前的治理技术研究过程中尚有不少问题有待解决。

一是目前壳聚糖价格偏高，工业品价位在15元/kg左右;二是壳聚糖在酸性溶液中易流失，而处理的对象是一些成份复杂的污染物，如印染废水、农药、合成洗涤剂、环境内分泌干扰物及消毒副产物等，由此阻碍了该技术的发展。

因而，壳聚糖的净水技术还有许多工作要做。

壳聚糖絮凝剂的分子量、投加量和絮凝动力学中G,GT值等因素如何配合，才能得到满意的絮凝效果，如何通过Zeta电位和絮体形态学理论，确定最佳的混凝剂投加量，都是摆在我们面前的研究课题。

另外壳聚糖对蛋白质等有机物、染料分子、金属离子的吸附作用的机理还有争论，一般认为是电中和凝聚和化学架桥絮凝的双重作用，有学者认为主要作用是壳聚糖上的氨基与蛋白质上的氧原子形成氢键。

而壳聚糖对金属离子的络合作用，有报道是氨基单独络合，有报道是氨基和仲轻基共同络合，这些都需要我们深入研究。

1.2甲壳素、壳聚糖特性

1.2.1壳聚糖的制备

自然界中动物甲壳中的甲壳素总是和难溶于水的无机盐（主要是CaC03）及蛋白质紧密连接在一起，由动物甲壳制备甲壳素实际上就是使甲壳素和无机盐及蛋白质分离的过程。

通常用虾，蟹壳为原料，常温下用稀盐酸分解碳酸盐，用煮沸的稀碱分解蛋白质，再用高锰酸钾或用有机溶剂除去色素，则得白色甲壳素产品，甲壳素是白色或灰白色半透明片状固体，不溶于水、稀酸、稀碱及一般有机溶剂，可溶于浓无机酸，但同时主链发生降解。

甲壳素与浓的氢氧化钠溶液在高温下发生脱乙酞化反应，再经清洗、烘干，便制得壳聚糖（Chitosan）。

提高脱乙酞度往往需要用氢氧化钠溶液多次处理，一般把脱乙酞度（DegreeofDeacetylation）大于60%的甲壳素称为壳聚糖。

壳聚糖，又称几丁质、脱乙酞壳多糖，学名是p一（1-4）-2-氨基一2一脱氧一D一葡萄糖，是一种半透明的片状或粉末状固体，呈白色或灰白色，略微带有珍珠光泽。

化学性质较活泼，具有无毒，无味、耐碱、耐热、耐晒、耐腐蚀、易于生物降解、不畏虫蛀、不溶于水和碱溶液等特点，可溶于大多数稀酸如盐酸、醋酸中。

以虾蟹壳为原料制备壳聚糖的生产工艺流程如下:

1.2.2甲壳素与壳聚糖的结构

甲壳素、壳聚糖是与纤维素的化学结构十分相似的有机聚合物，不同之处是每个纤维素葡萄糖单元二位上的一OH基团相应换成了一NHCOCH3或一NHZ基团（见图1-2），自然界中存在的甲壳素，相对分子质量通常在100万以上，一般为白色的无定形固体，由于存在分子内及分子间的一O-H-O一型和一O-H-N一型氢键作用，而形成微纤维网状的高度晶体结构。

根据甲壳素结晶单元中分子链的不同排列存在着3种不同的多形态结构，分别称为a,p、丫型甲壳素。

a一甲壳素的分子链是两条反方向平行的糖链组成，p一甲壳素的分子链是两条同向平行的糖链组成的，丫一甲壳素则是三条糖链组成，两条链同向，一条链反向。

自然界中存在的甲壳素多为a一甲壳素，它的含量最丰富而且最为稳定。

壳聚糖也有多晶态现象，它一般为白色或者灰白色、半透明的固体，有丝光。

通常把壳聚糖分子中脱除乙酞基的糖残基数占壳聚糖分子总的糖残基数的百分数，称为脱乙酞度（DegreeofDeacetylation简称为D.D），它是表征壳聚糖性质的重要指标。

甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂，而壳聚糖有较好的溶解性能，它可以溶于稀的有机酸溶液（如甲酸、乙酸、丙烯酸和乳酸）以及盐酸等部分无机酸中。

从分子结构可以看出，壳聚糖含有丰富的氨基和轻基，应该对Pb,Cu,Cr,Cd,Mn等重金属离子具有配位、鳌合的作用。

由于壳聚糖分子中存在游离氨基，在稀溶液中被质子化，使分子链上带大量正电荷，成为一种典型的阳离子絮凝剂。

它兼有电中和和吸附絮凝的双重作用，即高分子链上的阳离子活性基团与带负电荷的胶体微粒相互吸引，降低中和胶体微粒的表面电荷，同时压缩了扩散层而使胶体微粒脱稳，并借助高分子链的吸附粘结和架桥作用而产生絮凝沉降。

壳聚糖作为絮凝剂与其它合成高分子絮凝剂相比，更易被环境中的微生物降解，不会产生二次污染。

文献报道，壳聚糖具有一定的抑菌能力和除藻能力，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、埃希氏菌均有一定的抗菌能力。

壳聚糖的抗菌活性和它的电荷、溶解度、表面作用等有关，初步认为pH在6以下、离子强度较大的条件下壳聚糖的抗菌性强，而重金属离子的存在会抑制其抗菌性。

刘振懦[39]将壳聚糖与勃土矿物海泡石复配，可使水体中的铜绿微囊藻个数大大降低。

壳聚糖还是一种可降解的环境友好材料，可以使用氧化剂HaOa或NaN02在一定条件下降解壳聚糖，也可以在生物酶的作用下发生降解。

陈江燕采用纤维素酶降解壳聚糖，发现在18℃下，水解180min后，壳聚糖可降解为氨基葡萄糖和它的二糖、三糖、四糖。

从相对分子量高的壳聚糖可以制各低分子量的寡聚糖。

一般把聚合度低于20的壳聚糖称为寡聚糖或低聚糖。

1.3常用混凝剂和混凝理论

1.3.1混凝处理中常用混凝剂

1.3.1.1无机高分子絮凝剂水处理用絮凝剂最早是使用铁、铝的无机盐类，后来发展使用无机高分子絮凝剂聚合铝和聚合铁盐类。

近年来，研制铁、铝、硅复合型无机高分子絮凝剂成为热点:

阳离子型的有聚合氯化铝（PAC）,聚合硫酸铝（PAS）,聚合硫酸铁（PFS）,聚合氯化铁（PFC）,聚合磷酸铁（PFP）;阴离子型的有活化硅酸（AS）,聚合硅酸（PS）;无机复合型的有聚合氯化铝铁（PAFC）,聚合硅酸硫酸铝（PASS）,聚合硅酸氯化铁（PFSC）等，无机絮凝剂的生产已成规模，基础理论研究也有一定深度。

虽然无机高分子絮凝剂对各种复杂成分的水处理适用性强，价格低廉，但生成的絮体却不如有机高分子絮凝剂生成的絮体大，生成的絮体易碎，且投加量大，处理后的水中仍含有较高浓度的金属离子，同时产生大量的含金属污泥，还需要进一步的处理。

1.3.1.2有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂品种很多，许多方面比无机絮凝剂优越。

比如，它的使用受pH变化的影响较小，产生的絮体大且强度高，絮凝产生的污泥量较少且产生污泥的脱水性能好、易于过滤操作等。

目前的有机高分子絮凝剂包括有机合成的和天然或天然改性高分子絮凝剂两类。

相比有机合成的高分子絮凝剂，天然高分子絮凝剂原料来源丰富，价格低廉，选择性大，投药量小，安全无毒，可以完全生物降解，无二次污染，不受pH值变化影响，因此在众多絮凝剂中，它的研究开发备受关注。

经过几十年的发展，出现了大量性能、用途不同的絮凝剂，如淀粉类、壳聚糖类、木质素类、植物胶类等。

天然高分子絮凝剂安全、无毒、易生物降解，特别是经过化学改性，选择性提高，是新型绿色絮凝剂。

如对天然有机物进行化学改性，如醚化、酉旨化、黄原酸化、接枝共聚等，使其活性基团增加，分子链呈枝化结构，絮凝基团分散，从而对悬浮体系中颗粒物有更强的捕捉与促沉作用，可广泛用于食品、石油、造纸、电镀、印染、皮革等工业废水处理，污泥脱水，饮用水净化和重金属离子富集等。

（1）淀粉衍生物淀粉是由许多脱水葡萄糖单元经糖普键连接而成，其分子中存在大量可反应的基团，对淀粉及其衍生物进行醚化，可得到阳离子型天然高分子絮凝剂，它对带有负电荷的颗粒有优良的絮凝效果。

罗康碧等用阳离子型改性淀粉对城市污水活性污泥进行脱水处理，发现药剂用量在30mg.L-1,pH值为7.5，胺化度为33%时，脱水效果最好。

赵彦生等用阳离子度为49.5%的改性淀粉处理毛纺厂印染水，结果表明其絮凝效果优于阳离子的聚丙烯酞胺（PAM），水样的透光率由52.5%变为92.8%，具有网状结构的交联淀粉能有效处理含重金属离子的废水。

（2）木质素衍生物木质素是存在于植物纤维中的一种芳香族高分子，是造纸蒸煮制浆过程中排除的废液的主要成分。

以木质素为原料可以合成季胺型阳离子活性剂，处理含金属离子、染料等特种废水。

Lalvani用木质素絮凝处理含铬的废水，发现Cr（VI）的去除率达到63%,Cr3十去除率达到100%;有报道用木质素作为助凝剂净化味精废水，结果表明，不仅能提高絮凝效果，还能大大降低处理费用;胡拥军等用硫酸沉淀回收造纸黑液中的木质素，经与Na2S03磺化和季按盐接枝聚合，合成出两性木素基絮凝剂，处理染料的脱色率超过85%;杨林等由碱木素通过化学改性，制备出含二硫代氨基甲酸盐基团的改性木质素除油絮凝剂，处理含油废水时用量少，且其絮凝性能明显优于聚丙烯酞胺。

（3）甲壳素衍生物这类絮凝剂的开发较其他天然高分子絮凝剂晚，但因其多功能性，生物相容性等优点，已作为绿色高科技新材料得以迅速发展。

壳聚糖本身可作为阳离子型絮凝剂，同时通过交联，或进行改性，能赋予其不同的特性，因此壳聚糖类絮凝剂正是以其天然、无毒、对人体健康无任何损害的特性，在水处理中具有很大的潜力和应用前景。

壳聚糖从理论上讲，完全可取代传统的化学絮凝剂（如明矾、聚铁、聚铝和聚丙烯酞胺等）用于饮用水、城市生活污水和工业废水的混凝净化处理，而且对水中的浊度、有机物、和重金属离子等均有较好的去除作用。

我国目前用于水处理方面的壳聚糖工业化产品尚属空白，其主要原因是壳聚糖的生产成本太高。

清华大学的曾德芳曾探讨改进壳聚糖的生产工艺，降低其生产成本，使壳聚糖的制备成本较传统工艺下降了49%，制备时间缩短了一半，而且产品的各项指标达到美国sigma公司质量要求。

随着国内外制备工艺的不断改进，壳聚糖在水处理中具有越来越广泛的用途，

1.3.1.3微生物絮凝剂微生物絮凝剂是一类由微生物产生的有絮凝活性的代谢产物，主要有糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素等，是20世纪80年代后期研究开发的第三代絮凝剂。

微生物絮凝剂一般是利用生物技术，通过细菌、真菌等微生物发酵、抽提、精炼而成。

与目前普遍采用的天然高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有絮凝活性高，能产生絮凝剂的微生物种类多，生长快，易于采取生物工程手段实现产业化等特点，有着良好的发展前景。

国内外学者对微生物絮凝剂进行了大量研究，取得了一些初步的研究成果，为微生物絮凝剂的工业应用打下了良好的基础。

Kurane利用红平红球菌研制成功微生物絮凝剂NOC-1，对大肠杆菌、酵母、泥浆水、河水、纸浆废水均有极好的絮凝脱色效果。

因为主要成分是多糖和蛋白质等，具有可生化性，易被微生物降解，所以微生物絮凝剂高效、安全、对环境不产生二次污染，可以替代传统絮凝剂用于给水处理和高浓度难降解废水的除浊、脱色和除油。

经小白鼠安全试验证明，微生物絮凝也能用于食品、医药等行业的发酵后处理，而且用量少，适用范围广，作用条件粗放，是传统絮凝剂的良好替代品。

黄民生使用黄豆汁替代酵母膏，获得了产生高絮凝活性物质的动胶菌属，通过对高岭土、泥浆、味精废水以及酸性湖蓝A染料废水的净化实验，确定了最佳的絮凝剂研制以及净化条件，获得了良好的实验效果。

由于目前实验室阶段的研究多采用单一菌种和价格昂贵的培养基，例如酵母膏，制备的成本较高，测定絮凝剂活性的指标单一，另外，絮凝的机理尚待研究。

1.3.1.4复合型絮凝剂将无机高分子絮凝剂聚合铝等与有机高分子絮凝剂复合使用，可以将两者的优缺点互补，处理费用适中，在水处理上有很大的优势。

聚合铝与聚丙烯酞胺复合，应用于水处理，在国内应用较多，是目前唯一的一种大量使用的无机有机复合混凝剂。

PAM具有非离子型的胺基，也可以制备出离子型的聚丙烯酞胺，分子量在50-1000万之间，但PAM中和悬浮胶体所带负电荷的能力不强;PAC是一种无机高分子化合物，在水中发生水解聚合作用，生成具有高电荷的聚合轻基，这些多核轻基络合物具有较强的电性中和能力，但它的吸附架桥功能较弱。

将两者结合，协同互补，应该具有好的絮凝作用。

潘贻军等将PAC与聚丙烯酞胺复合产生的相互协同增效作用进行了实验对比研究，并利用该法设计了净水器。

魏娟明在无机高分子絮凝剂聚合氯化铝（PAC）中引入有机高分子水解聚丙烯酞胺（PHP）,制备出一种复合絮凝剂JX一3，处理含轻油污水效果优于PAC和聚丙烯酞胺（PAM）,PAC和PHP在其中可起到电性中和及絮凝桥架的双重作用，使絮团紧密结合，提高絮凝效果。

王春梅等将PAC与PPA（聚多胺）及MPAM（改性聚丙烯酞胺）复合对印染废水进行处理，既能显著脱色又能明显降低COD。

二甲基二烯丙基氯化按的聚合物（PDMDAAC），正电荷密度大，易溶于水，安全无毒，价格相对较低，山东大学的岳欣艳等将铝盐与二甲基二烯丙基氯化按等高分子絮凝剂复合处理工业废水，结果表明，处理费用较低，操作简单。

也有将无机絮凝剂与改性淀粉或壳聚糖、微生物絮凝剂复合应用于水处理的报道，江霜英等以壳聚糖、聚合铝、三氯化铁复合出净水剂CAF，其净水效果明显比单独使用聚合铝提高;汤心虎研究了AF-GO无机絮凝剂与阴离子型PAM复合后，对活性艳红模拟废水的处理，得到结果是投加量为750mg.L-1时，脱色率达99%絮凝颗粒大，沉淀速度快。

1.3.2混凝理论

混凝机理可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕几种。

压缩双电层理论认为，胶体颗粒间的相互作用力主要来自范德华引力和静电作用力，当水中含有与胶体电荷相反的电解质时，胶体颗粒双电层中的扩散层被压缩，静电斥力减小，另一方面，由于扩散层减薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互的吸引力相应变大，颗粒互相靠近，体系将发生快速凝聚絮凝作用;电中和作用的机理是，加入的化学药品（絮凝剂）被吸附在胶体颗粒上，而使胶体颗粒表面电荷被中和，改变胶体表面的性质，达到悬浮物质脱稳的目的，胶体颗粒表面电荷不但可以被降低到零，而且还可以带上相反的电荷。

胶体粒子悬浮液之所以稳定存在，很大程度就是由于粒子带电荷，电荷之间的排斥力阻止它们相互接近。

水中胶体一般带有负电荷，当带有一定正电荷的链状大分子絮凝剂或其水解产物靠近这种胶粒时，将中和其表面的部分电荷，使胶体脱稳，从而使胶粒之间、胶粒与絮凝剂分子之间易产生互相碰撞，通过分子间作用力凝聚而沉降下来。

加入的絮凝剂通常是反电荷的憎水化学物，可以用来中和悬浮物质表面的电荷，胶体颗粒表面的电荷被中和时，胶体颗粒间的距离缩小，在范德华引力作用下，胶体颗粒间的相互作用形成稳定的絮凝体，因此在实际应用中，pH值、絮凝剂的投加量至关重要;架桥作用指溶液中的高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键等作用下，通过活性部位结合了多个颗粒分子，因而在颗粒建起了“中间桥梁”的作用，把这些颗粒连接在一起，活性部位和悬浮物等发生吸附桥连，从而可把粒子束缚在一起形成絮团，所以高分子絮凝剂的絮凝作用不仅与电荷作用有关，而且和其本身的长链特性有密切关系。

吸附架桥理论认为，即使胶粒间的静电斥力阻止其碰撞接触，但只要絮凝剂的分子链长超过胶粒间的有效排斥距离，就会产生凝聚絮凝作用。

也就是说，某些电荷同号的离子，甚至中性分子也可导致胶体颗粒体发生凝聚絮凝。

高分子聚合物的分子链的每个链段上都会吸附多个胶体，使这些胶体相互连接，形成足够大的颗粒一聚合物一颗粒连接体时就沉淀下来;沉淀物网捕理论认为，当金属盐混凝剂（如铁盐、铝盐）的剂量超过其溶度积时，产生金属氢氧化物沉淀。

由于初生成的絮状金属氢氧化物具有很大的表面积且仍带有一定的正电荷，故具有一定的静电粘附能力，因此在沉淀物形成过程中胶体颗粒可以同时被粘附卷扫，一起迅速沉淀而除去。

但能否产生快速卷扫沉淀作用主要取决于金属氢氧化物的过饱和度和絮状沉淀的电荷状况等因素。

这几种作用究竟以哪种为主，取决于絮凝剂的种类和浓度、胶体粒子的性质、含量以及胶体溶液的pH值，这几种作用有时会交叉重叠、协同作用使胶体粒子脱稳聚沉。

1.4絮凝形态学研究进展

1.4.1絮凝形态学的提出

在经典的水处理理论中，天然水中的胶体颗粒被简化成均匀对称的球形。

但随着电子显微镜等现代分析技术的运用，越来越多的实验表明:

水中的胶体颗粒有着各种不同的形状、大小及厚薄。

有的胶粒（如片状高岭土）表面带有不同的电荷，即薄片的平面上带负电，而薄片的边缘带正电。

同时，混凝过程中投加的絮凝剂，在水中也会形成不同形状、结构的微絮体。

这势必影响到胶体的絮凝性质和水处理絮凝机理。

以蒋展鹏为代表的学者于1986年在国内首次提出混凝形态学这一概念。

混凝形态学是研究水质混凝过程中溶液中胶粒和混凝剂的形态特征及其对混凝过程与混凝效果影响规律的一门新的混凝学理论分支。

它认为在胶体溶液中，胶体颗粒和混凝剂有着多种多样的形态特征，而这些形态因素是决定混凝过程与混凝效果的重要因素。

胶粒形状对混凝过程的影响，主要是由于它们决定了胶体颗粒上作用力的分布而造成的。

单个非对称胶粒上作用力的分布不同，也就导致了颗粒间相互作用能的不同。

此外，非均匀对称胶粒上水化膜随不同部位的变化，也会对混凝结构产生一定的影响。

在有速度梯度的流场中，非对称颗粒的定向，也会促进不对称部位间的凝集。

因为非对称颗粒的长轴通常会沿着流速方向定向，而这种定向会大大地减小不对称部位间的距离。

同时，无规则的布朗运动又时刻都在消弱这种定向。

因此，只有在流场的速度梯度增大到一定的程度时，胶粒的定向才会完成。

从理论上分析，胶粒的形态对混凝的影响主要有四个方面:

（l）静电作用力实际胶粒并非均匀对称的理想球形，其表面电荷的分布、带电的强弱乃至电性以及由此引起的静电作用力都变得复杂了。

（2）范德华力包括取向力、诱导力和色散力三个基本组成部分，其中色散力是普遍存在的，其大小与分子的变形性有很大的关系。

胶粒可以看作是大量分子的集合体，其形态必然影响到颗粒间范德华力的大小和分布。

（3）碰撞机率碰撞机率与颗粒间的形态和体系的水力学条件密切相关。

球形颗粒间的碰撞是各向均匀的，非球形颗粒则不然，而且在一定流场中可能出现定向现象。

形态的差异必然使颗粒间的碰撞机率发生变化。

（4）连接方式颗粒的形态不同，必然导致颗粒之间、颗粒与絮凝剂之间相互聚集的连接方式的多样化和复杂化，而这又将导致絮体的结构和性质的不同。

混凝形态学从水中胶粒和混凝剂在水中的真实结构出发来研究整个混凝过程，它把微观的颗粒形态与宏观的混凝效果结合起来，把絮体的静止结构与其生长、破碎等动态过程结合起来，从而能够更准确地定量描述与解释混凝过程，预测混凝结果。

1.4.2絮凝形态学的研究现状

絮凝形态学一经提出，便立即成为混凝过程研究的热点，不少学者做了许多相关的研究，不断证实了它的合理性，充实丰富了它的内涵。

传统的胶体化学理论认为，Zeta电位是影响胶体稳定性和沉降率的主要因素，而最新的研究表明，不同粒径胶粒的沉降率却差别很大，表明粒径也是影响胶体稳定性的重要因素。

另一方面，伊利土、蒙脱土和凹凸棒土的平均粒径很接近，而自然沉降性能却有很大的差别，原因就在于其颗粒的形状不同，测得的统计平均粒径只能是表观粒径，而其实际大小和重量却是不同的，因此具有不同的沉降速率。

研究者还从粘土的结构和成分角度解释了这种现象，根据粘土晶体结构的X射线衍射分析和化学成分分析可知，上述几种粘土的主要成分均为铝硅酸盐片状晶体。

这种晶体有两类基本构元:

一类是由硅氧四面体构成的原子层，称为硅氧片;另一类是由铝（镁）氢氧八面体构成的原子层，称为水铝片。

粘土颗粒就是由这些基本构元的多片层组成的。

晶格中的硅可能被铝替换，而在八面体中铝还可能被低价金属替代，造成表面电荷的不平衡，从而导致在每一层的表面常可吸附有阳离子。

蒙脱土的每一晶层是由两层硅铝片夹一层水铝片组成的，晶层表面吸附Na十、Cat十等阳离子，具有很强的亲水能力，一旦这些阳离子与水的结合力克服了晶层间的分子引力，则层与层分开，使蒙脱土的片层极薄且松散地折叠着，在表观粒径相同的情况下，重量最轻。

而高岭土的每一晶层是由一层硅氧片与一层水铝片组成的，各晶层间具有氢键连接，间距很小，含水极少，又缺少层间表面吸附离子，故片层较厚。

伊利土片层的厚薄介乎两者之间，它的晶层组成与蒙脱土相似，但表面吸附有K十离子，起着架桥作用，增强了相邻两晶层间的静电连接，减弱了层间的分离性。

由此可见，粘土颗粒内部晶层结构决定片层的厚薄，而片层厚薄则是影响胶粒稳定性的重要因素。

因此，在水处理中，胶体的稳定性与胶粒粒径和形状有很大的关系，而Zeta电位只是影响胶体稳定性的诸因素之一，而且Zeta电位本身也受到胶粒形态的制约。

絮凝形态学必然涉及絮凝剂形态研究，混凝过程中投加的絮凝剂，其水解产物会有不同的物理形态，对混凝效果就有着不同的影响。

涂方祥用相差显微镜对A12（s04）3、FeC13等无机絮凝剂的水解形态进行了研究，表明各絮凝剂混凝效果最佳的pH范围，正是该絮凝剂的各水解组分中固态氢氧化物所占比例最高的pH范围，在水中不能或极难产生固态氢氧化物的絮凝剂，无论投加浓度和pH值如何变化，始终没有良好的混凝效果，可见，絮凝剂的多种水解形态中，固态氢氧化物对混凝起着极为重要的作用，而且只有保证水解产生的固态氢氧化物达到一定数量时，才能发生相互碰撞并连接成絮状体，产生明显的混凝