1 复合高分子絮凝剂的发展
1.1 水和废水混凝处理，混凝剂与絮凝剂
1.1.1 水和废水的混凝处理
工农业的迅速发展，人口剧增，人类赖以生存的水资源日渐贫乏，水资源危机日趋加剧。目前，水污染以及缺水问题越来越成为制约经济发展的重要因素。为了节约水资源，提高水的利用率，减轻和消除水污染对人类和环境造成的危害，必须加强水处理工作。在水污染控制、给水净化处理、污（废）水深度处理回用以及污泥脱水处理工艺技术中，混凝技术是应用最普遍的处理技术单元。混凝过程的行为和效果决定着后续水和废水处理流程的运行工况、出水水质和成本费用。
混凝过程是指在水处理过程中向水中投加药剂，进行水与药剂的混合，使水中稳定分散的胶体和其他微细的污染物质通过压缩双电层、吸附点中和作用、吸附架桥、网捕或卷扫作用而脱稳并且聚集成便于与水分离的絮体的过程。在水处理中，混凝技术最早主要是用于除浊和脱色，目的是解决水质的观感问题。随着新型高效混凝剂的研发和应用、混凝技术的发展和强化混凝技术的应用，混凝不但可有效去除水体中产生浊度和色度的胶体和其他微细的污染物质，而且对水体中的藻类物质、天然有机物质、纳米污染物、细菌病毒、重金属、染料、油脂及石油等具有良好的去除效果。
强化混凝技术是指在地表水常规处理工艺流程中，加入高效能的混凝剂或在合适的水处理条件下提高原水中有机污染物的去除率。强化混凝有两个目的：第一是提高有机物的去除率；第二是充分去除消毒副产物（DBPs）的前驱物质，使得当用氯气作消毒剂且在配水系统中维持一定的余氯量时，各种DBPs的三卤甲烷类（THMs）的最大含量（MCL）值不超标。
在混凝过程中，人们经常把混凝与絮凝混用。混凝（coagulation）通常指使用的是无机混凝剂（coagulant），而絮凝（flocculation）通常指使用的是有机高分子絮凝剂（flocculant）。一般而言，混凝指的是加入带正电的混凝剂去中和水体中颗粒表面的负电，使颗粒“脱稳”。于是，颗粒间通过碰撞、表面吸附、范德华引力等作用，互相结合变大，以利于从水中分离。混凝过程中采用的混凝剂是分子量低而正电荷密度高的水溶性聚合物，多数为液态，主要是铝盐、铁盐及其聚合物。絮凝则指的是聚合物的高分子链在水体中悬浮的颗粒与颗粒之间发生架桥的过程。“架桥”就是聚合物分子上不同链段吸附在不同颗粒上，促进颗粒与颗粒聚集。絮凝过程中采用的絮凝剂为有机聚合物，多数分子量较高，并有特定的电性（离子性）和电荷密度（离子度）。在实际混凝过程中，混凝机理十分复杂，要明确区分开混凝与絮凝是非常困难的，二者经常混用。在本书中也难免有时加以混用。
1.1.2 混凝剂与絮凝剂
混凝过程中投加的药剂称为混凝剂或絮凝剂，而混凝处理的效果关键取决于混凝剂的品质。表1-1列出了各种混凝剂、絮凝剂的分类及种类。传统的混凝剂通常是指铝盐和铁盐，如硫酸铝、三氯化铝、三氯化铁和硫酸铁等，而絮凝剂通常指的是在传统铝盐和铁盐混凝剂基础上发展起来的聚合铝盐和聚合铁盐等无机高分子药剂，以及天然的或人工合成的水溶性有机高分子聚合物。有机高分子絮凝剂因价格较高或因不能完全消除其合成单体所具有的毒性，而不能完全替代无机混凝剂或无机高分子絮凝剂，往往是作为助凝剂使用。
表1-1 各种混凝剂、絮凝剂的分类及种类
无机高分子絮凝剂（inorganic polymer flocculants，IPFs）是自20世纪60年代研制开发出的产品，如聚合氯化铝（polyaluminum chloride，PAC）、聚合硫酸铁（polyferric sulfate，PFS）、聚合氯化铝铁（polyaluminium ferric chloride，PAFC）、聚硅氯化铝（polyaluminium silicate chloride，PASC）等。无机高分子絮凝剂是Al（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Si（Ⅳ）的羟基多核络合物或者羟基聚合物。一般而言，无机高分子絮凝剂的单元分子量在几千道尔顿，较有机高分子絮凝剂的分子量要低得多。不过无机高分子的结构比较容易排列成有规则微晶型，自组装成为链状和分支状，也可以发挥比传统无机混凝剂更强的吸附架桥作用［1］。
传统无机混凝剂和无机高分子絮凝剂都是Al（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）盐类水解时趋向氢氧化物沉淀的中间产物［2］。它们的根本差异在于：传统无机混凝剂是投入水中后进行自发水解并且在过饱和条件下容易转化为沉淀物；无机高分子絮凝剂则是在人工特定条件下进行强制水解制备的产品，它的形态在水中相对比较稳定，对继续水解呈惰性稳态而保持已有形态，能够发挥最优的凝聚絮凝作用。这对于聚合铝盐的聚十三铝（Al13）形态表现得最为明显［3，4］。
无机高分子絮凝剂的优点在于它比传统絮凝剂效能更优异，比有机高分子絮凝剂价格低廉。但与有机高分子絮凝剂相比，无机高分子絮凝剂的分子量以及絮凝架桥能力相差很大［5］，单独使用具有投加量大和产生的污泥量多等缺点［6］。无机高分子絮凝剂的品种仍在不断发展中且趋向于序列化，无论是形态结构、行为和作用机理方面，还是在制作工艺技术、效果和作用特征等方面，还存在诸多未能阐明的问题，有待于进一步研究和实践。目前在混凝技术领域，研制开发新型高效、无毒、价廉的混凝剂、絮凝剂成为一项迫切的任务。