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顆粒世界的舞蹈：絮凝與凝聚的神秘過程到底有何不同？
在膠體化學中，絮凝是一種使膠體顆粒從懸浮液中沉澱出來，形成絮狀物或片狀物的過程。這一過程可以自發發生，也可以通過添加澄清劑來促進。與此不同的是，在絮凝之前，膠體只是懸浮在穩定的分散液中，內部相（固體）通過機械攪拌分散於外部相（液體），而不是完全溶解在溶液中。凝聚和絮凝是發酵和水處理中重要的過程，其中凝聚主要通過化學作用使顆粒不穩定並聚合，而絮凝則促使不穩定顆粒聚合成絮，進而沉降。
絮凝的定義
根據IUPAC的定義，絮凝是一種接觸與粘附的過程，通過該過程，分散體的顆粒形成較大尺寸的聚集體。
絮凝與聚集和凝聚/合併同義。基本上，凝聚是添加凝聚劑以使帶電顆粒不穩定的過程，而絮凝則是一種促進聚集並協助顆粒沉降的技術。通常使用的凝聚劑是明礬 (Al2(SO4)3·14H2O)。相關的化學反應為：
Al2(SO4)3 · 14 H2O → 2 Al(OH)3(s) + 6 H+ + 3 SO2−4 + 8 H2O
在絮凝過程中，輕柔的攪拌加速了顆粒碰撞的速率，並進一步使不穩定的顆粒聚集並交織成較大的沉澱物。絮凝受多種參數的影響，包括攪拌剪切強度、時間和pH值。攪拌強度和時間的乘積被用來描述絮凝過程。
罐試驗
選擇凝聚劑的劑量和種類的過程稱為罐試驗。罐試驗的設備由一個或多個配備攪拌器的燒杯組成。在添加凝聚劑後，首先進行快速攪拌，隨後是慢速攪拌，最後進入沉降過程。然後可以從每個燒杯中的水相中取樣。
應用範疇
表面化學
在膠體化學中，絮凝是使細小顆粒群聚成絮的過程。這些絮可以上浮到液體上層（浮心），沉降到液體底部（沉降），或容易從液體中過濾出去。土壤膠體的絮凝行為與淡水質量密切相關。土壤膠體的高度分散性不僅直接造成周圍水的濁度，還因吸附河流和湖泊中的營養物質而導致富營養化，甚至影響海底船隻。
物理化學
對於乳液，絮凝描述的是單個分散液滴的聚集，這些液滴不失去其身份。絮凝是導致乳液進一步老化（液滴合併和最終相分離）的初步步驟。絮凝也用於礦物加工，還可以用於設計食品和藥品的物理性質。
醫學診斷
在醫學實驗室中，絮凝是許多診斷測試的核心原理，例如快速血漿反應性試驗。
土木工程/地球科學
在土木工程和地球科學中，絮凝是一種條件，其中黏土、高分子或其他小帶電顆粒附著並形成脆弱結構，即絮。在分散黏土漿液中，當機械攪拌停止後，因為負電荷面和正電荷邊緣之間的吸引，分散的黏土薄片自發地形成絮。
生物學
絮凝在生物技術應用中，結合微濾來提高生物餵養的效率。向生物反應器中添加合成絮凝劑可以增加平均顆粒大小，使微濾更有效。當未添加絮凝劑時，會形成並積累餅狀物，導致細胞活性下降。由於細胞通常帶有負電荷，陽離子絮凝劑的效果通常優於陰離子絮凝劑。
乳製品行業
在乳酪製作的初始階段，絮凝被廣泛用來測量凝乳的進展，以確定凝乳的靜置時間。涉及凍結微胞的反應由Smoluchowski動力學建模。在牛奶的凝結過程中，微胞可以彼此靠近並進行絮凝，這一過程涉及分子和大肽的水解。絮凝也用於乳製品廢水處理。
釀造
在釀造行業中，絮凝有著不同的含義。這是一個重要的發酵過程，在啤酒生產中，細胞形成宏觀絮。這些絮使得酵母在發酵結束時沉降或上浮到發酵槽的上層（淺啤酒發酵）或底層（拉格發酵），隨後可以從發酵器的頂部或底部收集（採摘）酵母以再利用於下一次發酵。酵母絮凝的部分決定因素是鈣的濃度，通常在50-100ppm範圍內。
水處理過程
絮凝和沉降廣泛應用於飲用水的淨化以及污水處理、雨水處理和工業廢水流的處理。對於飲用水，典型的處理過程包括篩網、凝聚、絮凝、沉降、顆粒過濾和消毒。
凝聚和絮凝步驟相似，導致顆粒聚集並從溶液中沉降，但可能使用不同的化學劑或水的物理運動。可以根據水化學調整pH並添加多種鹽類作為澄清劑，這些包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、明礬、鋁氧化物、硫酸鐵、氯化鐵等。
多種陽離子、陰離子和非離子聚合物也被使用，通常其分子量低於500,000。常見的選擇包括聚二甲基二烯丙基氯化銨（polyDADMAC）和epiDMA（環氧氯乙烯和二甲胺的共聚物）。
生物聚合物，特別是幾丁質，越來越受到歡迎，因為它們是環保型絮凝劑。幾丁質不僅可生物降解，還能有效地結合多種污染物，包括重金屬和有機污染物，從而在水源中將它們去除。
絮凝在去除細顆粒和處理交通建設項目的雨水徑流方面提供了良好的結果，但這並未被美國的大多數州交通部所使用。這也可能是由於法規限制或缺乏對於土壤取樣要求的指導。在必須達到數值濁度限制的州，更傾向於使用絮凝劑以確保適當的處理水平。
去絮凝
去絮凝是絮凝的反面，有時稱為脫藥化。硅酸鈉（Na2SiO3）是典型的例子。通常在較高的pH範圍內，並且在溶液中低離子強度和單價金屬陽離子主導的情況下，膠體顆粒可以被分散。防止膠體形成絮的添加劑稱為去絮劑。根據《聚合物百科全書》，去絮凝是「固體在液體中的分散狀態或條件，其中每個固體顆粒保持獨立並與相鄰顆粒無關聯（類似於乳化劑）。去絮凝的懸浮液顯示零或非常低的屈服值。」去絮凝在污水處理廠中可能是一個問題，因為它常導致污泥沉降問題和出水質量的惡化。
結論
無論是在水處理、食品生產還是日常生活中，絮凝和凝聚的過程都隱藏著特別的奧秘。這些過程不僅關乎物質的轉變，更影響著我們生活的種種面向。隨著科技的進步，我們是否能更深入地理解這些自然界中的絮凝和凝聚現象，並有效地應用於我們的生活中呢？
