水是生命之源，萬物之母，生存之本！

       地球上70%-75%被水資源覆蓋，但海水占總儲量的97.3％，而淡水僅占2.7%，可見可飲用的水資源匱乏，不僅需要節(jié)約用水，也得減少水污染，從源頭保護，才是重中之重。

       水處理目標是改變水質(zhì)，去除水中不需要的顆粒，加入物質(zhì)調(diào)節(jié)水的pH值或電導率等參數(shù)。它是一個凈化廢水并返回水循環(huán)的過程。

       廢水包含需要去除的顆粒污染物。每個顆粒有電荷分布在它的表面，或負或正或者是兩者的混合。Zeta電位反映懸浮液中顆粒表面電荷的大小，同樣是膠體懸浮液穩(wěn)定性的關鍵指標。Zeta電位值越大，顆粒間靜電排斥力越強，懸浮液存在越穩(wěn)定。經(jīng)驗顯示值大于30mV通常表明好的膠體懸浮液穩(wěn)定性。

圖1 懸浮液穩(wěn)定性和zeta電位關系

       相反，zeta電位值小于30mV被認為是不穩(wěn)定膠體。這種情況下，靜電排斥力弱，一位置顆粒間吸引力可能超過排斥力，顆粒可能團聚。

       廢水中負電荷顆粒的一種典型物質(zhì)是膨潤土，一種片狀納米顆粒結(jié)構的鋁硅酸鹽黏土。廢水處理工廠通常使用的一種凝結(jié)劑是硫酸鋁或者叫明礬，一種陽離子添加劑化學式為Al₂(SO₄)₃?14H₂O。在這篇應用報告中，我們通過DLS和ELS測試研究了明礬添加劑對膨潤土納米黏土懸浮液的作用。

實驗

       膨潤土樣品通過分散0.01g的膨潤土黏土粉末于10mL去離子水中制備，超聲15分鐘來分散顆粒。添加不同濃度的明礬，手搖幾分鐘進行混合。

       安東帕Litesizer? 500用于測試。Zeta電位用歐米茄樣品池在25℃下測試，電壓和回合數(shù)由儀器自動選擇。對于粒徑測試，1mL的樣品被轉(zhuǎn)移到一次性樣品池中。角度、濾光和聚焦位置自動確定。每個樣品進行連續(xù)三次測試。

結(jié)果與討論

       首先研究不包含添加劑（0ppm明礬）的膨潤土樣品。結(jié)果顯示一個單峰的粒徑分布（圖2，上圖），峰值是547nm，多分散指數(shù)是16.2%。Zeta電位是-34.2mV表明膠體懸浮液穩(wěn)定。

圖2 沒有添加劑的膨潤土：粒徑（上圖）和zeta電位分布（下圖）

       加入0.01ppm的明礬后，粒徑分布顯示兩個不同的峰，向更大粒徑偏移和多分散指數(shù)增加（圖3上圖）。然而，加入明礬沒有影響懸浮液的zeta電位，與未添加的膨潤土保持一致（圖2、3的下圖）。

圖3 加入0.01ppm明礬的膨潤土：粒徑（上圖）和zeta電位（下圖）分布

       實驗繼續(xù)在膨潤土中加入更大量的明礬。如圖4所示，當明礬添加到10ppm時粒徑緩慢增加到1000nm。然而，直到明礬增加到10ppm添加對懸浮液的zeta電位沒有指示性作用仍然穩(wěn)定（-30mV左右）。這表明膠體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，與我們對樣品可見的觀察一致。

圖4  添加明礬到0.1%膨潤土的zeta電位（紅色）和粒徑（灰色）測試。

結(jié)果用三次連續(xù)測試平均值±標準偏差表示。

       然而，當100ppm明礬加入到膨潤土時，觀察到樣品行為重大的改變（圖4）。當zeta電位值開始變小，粒徑飆升至3000nm，清楚表明膠體穩(wěn)定性下降和絮凝過程開始。在明礬加入到200ppm時，zeta電位值接近于0，表明達到等電點（圖4和圖5）。有意思的是，明礬從100ppm增加到200ppm，粒徑?jīng)]有繼續(xù)增加仍然是3000nm，表明明礬100ppm時絮凝已經(jīng)完成。

圖5 加入200ppm明礬的膨潤土：粒徑（上圖）和zeta電位（下圖）分布

       值得注意的是，連續(xù)測量的透光率數(shù)值確認了100ppm和200ppm膨潤土樣品（圖6紫線和藍線）中大團聚的形成。事實上，對于這些樣品，我們觀察到在重復系列**和第三次之間，透光率數(shù)值劇烈的增加。這清楚表明在測試過程中團聚沉淀于歐米伽樣品池，導致激光路徑上樣品渾濁度的逐漸降低。這與膨潤土中添加明礬到10ppm所做的透光率測試形成強烈對比，透光率數(shù)值在重復系列過程中保持穩(wěn)定-正如一個穩(wěn)定膠體懸浮液的預期（圖6，灰色、紅色和綠色線）。

       有趣的是，雖然明礬從100ppm增加到200ppm粒徑?jīng)]有進一步增大，三次運行測試后添加200ppm明礬的膨潤土透光率大于100ppm添加的膨潤土（75%對28%）。這表明前者樣品沉淀快于后者，這是工廠通過沉淀進行廢水處理的重要性指標。

圖6 DLS重復系列記錄的透光率數(shù)值，純膨潤土（灰色）、添加1ppm明礬（紅色），10ppm（綠色），100ppm（紫色）和200ppm（藍色）。時間間隔：**次到第二次：380秒；第二次到第三次：200秒。

結(jié)論

       使用安東帕Litesizer? 500監(jiān)測zeta電位和粒徑，我們能夠確定需要什么凝結(jié)劑濃度讓0.1%膨潤土膠體懸浮液不穩(wěn)定。我們觀察到需要100ppm的明礬凝結(jié)劑來實現(xiàn)絮凝，正如zeta電位值的下降同時粒徑急劇增大驗證。雖然增加明礬到200ppm不會進一步增大粒徑峰值，透光率測試表明樣品比100ppm明礬沉淀更快-對廢水處理去除顆粒物有重要意義。

       通過建立濃度系列，安東帕Litesizer? 500使用者能夠輕松調(diào)整給定顆粒濃度廢水的凝結(jié)劑劑量。凝結(jié)劑Z佳劑量可以同時由zeta電位和粒徑測試確定。而且，同時記錄的透光率能夠給出額外的樣品行為有用信息