混凝處理是通過向水中加入某種聚合氯化鋁藥劑，使難以沉淀的微小懸浮物和膠體雜質(zhì)，迅速地聚結(jié)成較大的顆粒。這一過程稱為混凝過程，起混凝作用的藥劑稱為混凝劑聚合氯化鋁。這個過程是由凝聚和絮凝兩個階段構(gòu)成。

凝聚階段通常意義上是指投加化學(xué)藥劑后膠體顆粒的雙電層被壓縮、右電位降低、膠體間的斥力減少、膠體顆粒碰撞后聚集形成較小微聚體(Microfloc)的過程，屬混凝作用的前期過程，一般發(fā)生在水處理的快速混合階段。這一過程所需要的時間很短，一般在10-30s內(nèi)即可完成，zui多不超過2min，也就是瞬間內(nèi)將混凝劑與水快速均勻混合并產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)的過程。

絮凝階段是指已經(jīng)脫穩(wěn)的膠體顆粒，由于橋連作用相互結(jié)成大的顆粒而加速沉降階段，此階段微聚體(Microfloc)進(jìn)一步聚集成絮狀體(Floc)，這一過程需要一定的聚合時間。

需要說明的是，凝聚和絮凝這兩個階段從原理上講是兩個不同的概念，僅僅是為了研究分析膠體顆粒混凝沉降現(xiàn)象而提出來的，在實際的混凝處理過程中，難以截然分開，以后的討論中將不詳加區(qū)分，統(tǒng)稱為聚合氯化鋁混凝過程。

以混凝劑硫酸鋁[Al2(SO4)3·18H2O〕為例，說明混凝原理。

當(dāng)硫酸鋁[Al2(SO4)3·18H2O]投入水中時，發(fā)生一系列化學(xué)變化：

(1)電離：Al2(SO4)3·18H2O→[Al(H2O)6]3+ +SO24-

(2)水化：[Al(H2O)6]3+ +nH2O→Al(H2O)n(n=6-10)

(3)水解：[AI(H2O)5]2+ +H2O→[Al(OH)2(H2O)4]2+ +H3+O

[Al(OH)(H2O)5]2+ +H2O→[Al(OH)2(H2O)4]+ +H3+O

[Al(OH)2(H20)4]+ +H2O→[Al(OH)4(H2O)3]↓+H3+O

當(dāng)pH值較高時：

[Al(OH)3(H2O)3]+H2O3→[Al(OH)3(H2O)3]- +H+ O

(4)聚合：上述反應(yīng)的同時，還會發(fā)生聚合反應(yīng)，生成鋁羥基絡(luò)離子，如聚合成帶正電荷的Al2(OH)24+、Al8(OH)4 20+、Al24(OH)12 60+、Al54(OH)18+ 144等。當(dāng)pH值>8.5時，還可能生成帶負(fù)電荷的Al8(OH)2 26-。

(5)沉淀：水解反應(yīng)生成的Al(OH)3互相聚集。生成沉淀物[Al(OH)3(H2O)3]m：m[Al(OH)3(H2O)]→[Al(OH)3(H2O)3]m

從以上反應(yīng)可以看出，鋁鹽加入水中后，立刻電離成Al3+，但并不是以裸露的簡單離子形式存在于水中，而是以H2O為配位體的水合鋁離子[Al(H2O)6]3+的形式存在，這是一種zui簡單的單核絡(luò)合物。由于水的混合和稀釋作用，pH值上升，水合離子發(fā)生上述水解反應(yīng)。整個水解過程可以看作是水合絡(luò)合離子中的配位體由H2O轉(zhuǎn)化為-OH的置換過程，zui終生成中性的氫氧化鋁難溶沉淀物。

這一過程同時也是一個不斷放出質(zhì)子H+的過程，聚合氯化鋁使水的酸性增強(qiáng)。因此，如果水解產(chǎn)生的H+能及時被水中堿度所中和，會使水解反應(yīng)進(jìn)行得更加迅速和充分。因為這些水合絡(luò)合離子是以一個金屬離子為核心外加配位體的形態(tài)存在，所以叫單核羥基絡(luò)合物。

水解反應(yīng)的結(jié)果，使水合絡(luò)合離子的電荷數(shù)逐漸降低，有利于產(chǎn)生以羥基為中間體，并把各個單核絡(luò)合物中的金屬離子結(jié)合起來的雙核雙羥基絡(luò)合物，這一反應(yīng)也稱高分子縮聚反應(yīng)，是由于初步水解產(chǎn)物中的羥基OH-具有橋鍵性質(zhì)引起的。如果繼續(xù)進(jìn)行還可生成三核、四核等多核絡(luò)合物。這些多核絡(luò)合物認(rèn)為是Al2(OH)24+、Al8(OH)4 20+、Al24(OH)12 60+、A154(OH)18 144+等，水中實際存在的配位絡(luò)合物可能還要復(fù)雜得多。

這種以羥基架橋聯(lián)結(jié)的過程稱為羥基橋聯(lián)。在經(jīng)基橋聯(lián)生成多核絡(luò)合物的過程中，生成物的配位水減少了，但生成物的電荷量增加了。這就增加了絡(luò)合離子之間的斥力，阻礙進(jìn)一步橋聯(lián)，促使發(fā)生水解反應(yīng)，又使這些多核絡(luò)合離子的電荷降低，羥基數(shù)目增多，向有利于橋聯(lián)方向轉(zhuǎn)移。因此，水解反應(yīng)和羥基橋聯(lián)反應(yīng)實際是不同配位體轉(zhuǎn)換的絡(luò)合反應(yīng)。

上述水解反應(yīng)雖然可在一個很短的時間內(nèi)完成，但羥基橋聯(lián)和水解反應(yīng)的交錯進(jìn)行卻需要一個過程才能完成，這樣水中就有各種形態(tài)和不同電荷的可溶性絡(luò)合離子同時存在。

一般來講：在低pH值下，高電荷低聚合度的多核羥基絡(luò)合離子占主要地位；在高pH值下，低電荷高聚合度的高聚離子占主要地位，當(dāng)pH7-8時，聚合度很大的中性氫氧化鋁沉淀物[Al(OH)3(H2O)3]m占..大多數(shù)。當(dāng)pH>8.5時，氫氧化鋁沉淀物又重新溶解為帶負(fù)電的陰離子[Al(OH)4(H2O)3]-。

上述反應(yīng)產(chǎn)物對膠體和聚合氯化鋁懸浮物有如下脫穩(wěn)作用：

(1)降低膠體ξ電位jueduizhi?；炷齽┥傻膸д姾呻x子進(jìn)入膠體的雙電層，使其厚度減薄，也可以說是所生成的帶正電荷離子與帶負(fù)電荷的膠體發(fā)生了電中和，使膠體顆粒的ξ電位jueduizhi下降，從而削弱了膠體因帶電而存在的靜電斥力。

(2)吸附架橋作用。沉淀物[Al(OH)3(H2O)]m鋁羥基絡(luò)離子尤其是帶正電的鋁羥基絡(luò)離子，類似高分子絮凝劑，具有較長分子鏈。這些分子鏈能吸附水中懸浮物顆粒，而且同一條分子鏈上可以吸附多個懸浮物顆拉，同一個懸浮物顆粒又可以吸附在多個分子鏈上，這樣原來處于分散的許多細(xì)小懸浮物顆粒被分子鏈拉扯在一起不能分開，形成絮狀沉淀物。細(xì)小的絮狀沉淀物進(jìn)一步互相黏合，越長越大，zuihou生成粒徑達(dá)幾毫米的粗大絮凝體。

從絮凝體的組成上看，它實際上是混凝劑與懸浮物的混合物。在絮凝體中，分子鏈連接在懸浮物顆粒間，像橋梁一般，有時將有吸附能力的分子鏈稱為架橋物質(zhì)。由于投入水中的混凝劑聚合氯化鋁所含鋁與懸浮物一起生成絮凝體，故在正常情況下清水中并不因為投入鋁鹽而使鋁離子含量增加。

(3)網(wǎng)捕作用。[Al(OH)3(H2O)3]m沉淀物以及生成的絮狀物，是一種網(wǎng)狀絮凝體，在下沉的過程中，像一個張開的網(wǎng)，卷掃水中懸浮物共同沉淀。絮凝體進(jìn)一步長大必須同時具備兩個條件：①膠體具有良好的絮凝性能，即膠體必須完全脫穩(wěn)；②反應(yīng)池的攪拌強(qiáng)度既可以提供給微絮粒足夠的碰撞頻率，又應(yīng)盡量避免打碎絮凝體。