絮凝(flocculation)

使分散在连续液相中的固体颗粒或液滴发生聚集的过程，为提高液固分离效果的一种辅助手段。在胶体化学上，絮凝与凝聚可不加区别地用来描述聚集过程。而从工艺角度来说，两者是有区别的。拉默(La Mer)提出，加入某些离子以降低固液界面的双电层相互之间的斥力而使胶态分散体不稳定的现象称为“凝聚”，而胶态悬浮体由于溶在连续液相中的高分子聚合物的作用，并非由于减少电荷而发生聚集的现象称为“絮凝”。这个规定用以区别由于加入不同试剂导致机理上不同的现象是很实用的，用这个规定区别这两种现象在有关的絮凝文献中得到了承认。考虑到两种现象往往同时存在而皆用“絮凝”这个术语。絮凝技术是一项古老的技术，已在铝、锌、铀、钽、铌、钨、钼和金的湿法冶金中广为应用。

理论  

亚微粒的悬浮体即溶胶有些是较稳定的，有些是不稳定的。在稳定的溶胶中，颗粒一直保持着分散状态，而不稳定溶胶体的颗粒要形成聚集物。溶胶颗粒在不停地作无规则的布朗运动，在稳定溶胶或悬浮体中，颗粒在碰撞中不会粘合成聚集物，而是互相排斥。在不稳定体系中，颗粒碰撞会粘合成凝聚物。有关凝聚与絮凝的理论有双电层模型和架桥絮凝理论。

双电层模型  

在固液界面处常存在电位差(图1)，带相反电荷的离子被吸向表面，使表面附近反离子浓度升高。这种反离子浓度随着离表面的距离的增加而降低，直到达到溶液的平衡浓度为止。表面附近的离子层组成双电层。若假设离子层随着颗粒移动，那末，当颗粒和流体之间呈相对运动时，剪切面上便存在电位，通称ζ电位，其大小取决于表面电位、反离子的浓度和所带电荷。一般说，反离子的电荷及其浓度越高，ζ电位就越低(图2)。降低ζ电位可导致颗粒凝聚，这可通过例如改变pH或改变离子的种类和浓度来达到，更一般的做法是通过加进高电荷的反离子来降低ζ电位。因为水溶液体系中的反离子通常带正电荷，所以实际的做法是使用含Al3+、Fe3+、Fe2+、Ca2+的盐。反离子对ζ电位的影响见图3。通过测量电泳淌度或流动电位这类动电学性质可测定ζ电位。这种测量有助于了解体系的行为和确定凝聚用盐的最佳剂量。

架桥絮凝理论  

用可溶性高分子物质使悬浮体不稳定是一种相当古老的方法。有时用电荷中和效应并不能解释观察到的破坏稳定现象。鲁尔温(Ruehrwein)及沃德(Ward)提出用架桥理论进行解释。这种理论认为：聚合物分子吸附在一个以上的颗粒上，从而使这些颗粒聚集在一起。聚合物在固液界面上的吸附是一种复杂现象，有的研究者认为，聚合物的最终构型是从表面延伸的线卷，线卷的大小取决于聚合物固体一溶液体系的许多物理性质；线卷的相对大小随不同的理论而不同。由于聚合物表面吸附的许多附着点是不可逆的，且是单层的，从而得出一条与朗格缪尔(Langmuir)等温线相似的吸附等温线(图4)。

架桥絮凝反应过程的步骤是：(1)聚合物在液相中分散；(2)聚合物于界面处吸附；(3a)界面处吸附的聚合物压缩而产生保护作用或“胶溶作用”；(3b)部分覆有聚合物的颗粒互相碰撞，形成架桥(图5)。由于絮凝聚合物的分子量大，它在溶液中的扩散速度很慢，因而在所有絮凝过程都需要进行搅拌，以使聚合物如步骤(1)分散于液相中。聚合物浓度高时会发生胶体作用，以致无法实现架桥。因此，在应用聚合物时，大都要选择一个适当浓度以使其有最大的絮凝作用。但产生有效絮凝的聚合物浓度范围可能是很窄的，以致难于控制絮凝过程，不过这种情况并不普遍。按一级近似，所需聚合物的量与所存在的固体的表面积成正比。

水解盐作用的本质还不很清楚，但若用pH的变化来使悬浮体系不稳定的办法无效时，就必须依靠起凝聚作用的盐来解决。将铝或铁这类金属盐加入水中，多价阳离子Al件3+和Fe3+就能降低ζ电位，并促成凝聚。盐的水解产物可提高凝聚速率。水解反应对pH很敏感，因而必须调节pH值。水解生成的配合离子能吸附象腐殖酸这类的阴离子基团，配合物逐渐长大，最终会沉淀并形成颗粒，从而提高了凝聚速率。凝聚盐的效率一般随阳离子价数而增加，即Fe3+和Al3+>Ca2+，Mg2+和Ba2+》Na+和K+。凝聚盐要有最佳剂量，因为加得过量会使絮凝物裂开，从而降低絮凝效果。

试验方法  

絮凝作为一种单元操作的辅助部分，仍处于发展不充分的时期。设计浓密机时要依赖于大型中间工厂的实际经验，当不能利用中间工厂进行试验，或不能获得足够的泥浆时设计就得凭经验。也许可根据一些在大烧杯中进行试验的数据进行设计，然而这或多或少带有推测性。因为一些基本的液固分离的工艺过程放大问题仍处在研究阶段，还没有一种试验方法能满足不同的加工工艺的不同需要。

主要有沉降试验和过滤试验。选择试验方法之前，首先需测定可溶性和不溶性固体的组成，矿浆的pH值，以及液体的粘度。

沉降试验  

评价絮凝剂和凝聚剂性能的最普通方法，是将矿浆样品放进透明的圆筒形容器(通常是量筒)，加进一定量的试剂溶液，再用倒置法或搅拌法予以混合，然后放置不动。通过静置，可以观察到容器中矿浆的界面沉降速率，絮凝物的大小与性质，以及上层清液的澄清度。用双对数坐标对界面高度和时间作图可得到清楚的沉降曲线。由于方法简单，常用来筛选絮凝剂、凝聚剂，以及估计最佳剂量。

过滤试验  

若选用过滤作为分离手段，就必须试验要处理的矿浆是否易于过滤。经常用的方法是再过滤试验。在该试验中，利用第一级滤液作为试液以测定所生成的滤饼的渗透性。图6对评价絮凝的几种试验方法作了比较。聚合物剂量超过最佳值时，再过滤速率下降，其原因可能是由于原先加入过量絮凝剂而产生的悬浮微粒在再过滤过程中被滤饼所捕获，试验测到的是增大的滤饼渗透性的残余微粒两者的综合效应。

在小型试验基础上还应进行较大规模试验来核对试剂用量及浓度。例如利用直径0.6m、高3m的圆筒试验。

应用  

湿法冶金过程会产出大量的泥浆，或回收溶液废弃残渣，或制取清液分离沉渣。一般来说，目前使用的主要试剂为聚丙烯酰胺的衍生物，它代替了早期使用的淀粉、明胶、丹宁酸以及树胶。人工合成的高分子絮凝剂较天然絮凝剂用量少效果好。例如，氧化铝生产为使拜耳法赤泥具有好的沉降性能，添加聚丙烯酰胺量仅为赤泥量的万分之几甚至十万分之几。国际上有些工厂仍采用面粉(吨赤泥的添加量为0.4～1.6kg)，中国有的工厂采用麦麸(吨赤泥的添加量为1.5kg)。

絮凝技术作为液固分离工艺的一部分，能有效地提高液固分离的质量，但由于对絮凝过程的复杂性认识不足，有些场合应用还不成功，需要从基础研究与工程方面在控制的停留时间、剪切速率和老化的条件，对确定的絮凝体系进行系统研究。