第二章 文獻回顧
2.1 混凝過程
原水來源相當多樣化，其內含微生物、礦物質、有機物及懸浮微粒 等等的雜質；在處理原水的前段作業當中，首先便是將濁度值降低至 標準範圍，以利後續的過濾及消毒等程序，而降低濁度即意味著去除 造成濁度的懸浮微粒，方式為藉由加入混凝劑使其與懸浮微粒產生一 連串的物理化學作用而凝聚成較大的顆粒，能因不同的機制藉重力沉 降並去除之。
混凝大致可分成三個階段；首先快混加藥後，混凝劑會先水解形成 有作用性的混凝作用基，接著再與水中呈現穩定狀態的微粒結合，並 使較大的膠體顆粒去穩定，此時混凝劑的金屬離子會藉由電性中和，
跟濁度顆粒結合產生微膠羽，而微膠羽就是混凝作用的第一個產物。
在快混過程中，微膠羽會在已經去穩定的膠體與微粒之間進行有效 碰撞，形成粒徑較大的聚合體，也就是膠羽(Floc)沉降，以利在後續 沉澱與過濾單元中去除之。
2.1.1 顆粒的去穩定
在水中的膠體粒子，表面通常帶負電荷，當兩個帶有相同電性之表 面電荷的膠體粒子逐漸靠近，至兩膠體的電雙層開始重疊時，此時的 作用力除了原本的凡得瓦爾吸引力之外，還會新增兩電雙層之間的斥 力。引力與斥力結合時會形成兩膠體粒子間凝聚的勢能障礙，如果兩 膠體顆粒之間互相吸引的動能無法超越此能量障礙，則懸浮溶液會呈 現穩定狀態，也就是說膠體粒子之間不會發生聚集；簡言之，因表面 之負電性使顆粒之間產生斥力，無法自然凝聚，會懸浮於溶液之中，
這就是顆粒之間的穩定狀態，所以為了讓顆粒間產生凝聚，必須先去 除它們之間的穩定性，此過程即為”去穩定” (Reynolds and Richards, 1995)。 不同的化學混凝劑去除膠體穩定性的方式有所不同，也就是說和混 凝劑的成分、去穩定機制及使用的狀況有關；有些物質能作為混凝 劑，也可作為助凝劑，但大部份混凝劑藉由兩種以上的機制來達到膠 體之去穩定(陳， 2002)。
巨觀來說，整個懸浮溶液應該要保持電中性，因此接近顆粒表面的 水中電荷，必須要與顆粒的表面電荷等量而電性相反。靜電引力會誘 使主體溶液中的正電荷向顆粒表面移動，移動之結果會造成溶液中顆 粒之外的正電荷產生濃度差，發生 thermal motion，使其再向主體溶 液擴散，兩者平衡後累積在顆粒表面附近的平衡電荷便形成了電荷的
擴散層。部分正電荷會緊密地附著在顆粒表面，形成一層固定層，稱 為Stern layer(或 fixed layer)；隨著離膠體表面的距離遞增，其餘正電 荷的濃度會遞減，稱為Gouy layer 或 diffuse layer (擴散層)；Stern layer 及Gouy layer 合稱”電雙層”，在其剪力面上所具有的電位即稱界達電 位(zeta potential, ZP or ζ) (Sawyer et al., 1994)。
界達電位值可約略表現出膠體顆粒的穩定性；ζ值為負，且其絕對 值高表示顆粒表面帶有強烈的負電荷，代表顆粒之間的分離力強，較 不容易聚集，整個懸浮液的狀態較為穩定；反之則表示顆粒的表面負 電荷微弱，容易被陽離子或帶正電荷的物質吸附並使表面電荷趨於電 中性，此時膠體顆粒容易碰撞聚集，則系統較不穩定(Billica and Gertig, 2006)。
2.1.2 顆粒去穩定的機制
膠體顆粒主要可藉由以下四種機制來進行去穩定(Amirtharagjah and O’Melia,
1990)，簡述如下：
1.DLVO理論(壓縮電雙層)
加入混凝劑增加溶液中的反離子濃度後，膠體表面上的電雙層厚度會 隨著電解質濃度之增加而減少，顆粒之間的斥力會降低，膠體粒子因 此可相互接近，克服能量障礙而凝聚在一起。
2.吸附-電性中和作用
混凝劑產生的水解產物多為帶正電的粒子或物質，會吸附帶負電的膠 體，降低顆粒的界達電位及穩定性。當達到最佳劑量後，若持續增加 劑量，膠體則會因超量吸附正電荷而達到新的穩定狀態，造成顆粒電 性逆轉而形成再穩定(re-destabilization)現象，此時混凝效果反而降低。
3.沉澱掃除
加入較多的混凝劑，使顆粒超量吸附正電荷形成再穩定，若持續加 入，混凝劑中的高價金屬離子可水解成氫氧化物的固體，此種物質大 多以聚合物的形式存在，比重較重，會自行沉降，並在過程中跟原本 無法自行沉降的顆粒結合，形成絮凝物沉降，減少懸浮的膠體粒子。
4.架橋作用
高分子聚合物的結構含有能與顆粒表面某一位置發生吸附作用的官
能基，其鍊狀結構相當長，可利用來同時吸附眾多的膠體顆粒，形成 型態為”顆粒-高分子-顆粒”的複合物；在此高分子聚合物的作用就如 同橋樑一樣，使顆粒與聚合物產生鍵結而沉降，所以稱為架橋作用。