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1、Coagulation and Flocculation第 15 章 混 凝水处理工程主要内容主要内容第一节第一节 概概 论论第二节第二节 胶体的性质胶体的性质第三节第三节 混凝机理混凝机理第四节第四节 混凝剂与助凝剂混凝剂与助凝剂第五节第五节 混凝动力学混凝动力学第六节第六节 混凝影响因素混凝影响因素第七节第七节 混凝设备混凝设备第八节第八节 混凝的应用混凝的应用第一节第一节 概论概论本节主要内容n一、混凝的意义n二、混凝对象n三、混凝的概念一、混凝的意义混凝剂使用历史：1637年 我国开始使用明矾净水1884年 西方才开始使用混凝的作用：1.混凝是水处理的三大传统工艺（混凝、沉淀和过滤）之
2、一；2.混凝效果决定后续出水水质以及水处理成本。混凝的特点优点：设备简单，操作方便；便于间歇运行，效果好。缺点：运行费用高； 沉渣量大，处置困难；废水中的大颗粒可以通过重力沉淀法去除，但微小粒径的悬浮物和胶体能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十个小时也不会自然沉降。水体颗粒物在污染物的毒性以及迁移、转化过程中具有极其重要的作用。 混凝所处理的对象，主要是水和废水中的微小悬浮物和胶体杂质（ 粒度范围在1nm0.1m（有时认为在1m）。n 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m）； 细菌（0.2m-80m）n 病毒（10nm-300nm）； 蛋白质（1nm-50nm）二、混凝对象n 混凝是
3、胶体及微小悬浮物的聚集过程，包括凝聚和絮凝两个过程。n（1）凝聚：胶体失去稳定性的过程；n（2）絮凝：脱稳胶体相互聚集的过程。n 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。三、混凝的概念由上可知，混凝过程主要包括以下三个方面：（1）胶体粒子和微小悬浮物的性质； （2）混凝剂的水解聚合形态；（3）胶体粒子、微小悬浮物与混凝剂之间的相互作用。认识混凝过程、混凝机理必须首先从以上三个方面入 手。第二节第二节 胶体的性质胶体的性质本节主要内容一、胶体的稳定性二、双电层理论三、DLVO理论胶体，作为特殊颗粒物，通常具备以下基本特性（了解）(一) 光学特性：指胶体在水溶液中能引起光的反射。(二
4、) 布朗运动: 胶体为常见的分散体系之一。(三) 表面特性：分散体系的分散度越大，胶体颗粒的比表面积越大，具有的表面自由能越大，使胶体可以产生特殊的吸附能力和溶解现象。(四) 动电现象 （电泳现象）：胶体具有带电性，在电场力作用下，胶体微粒向一个电极方向移动的现象。一、胶体的稳定性在水处理过程中，主要关注的是胶体的稳定性。胶体的稳定性，指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。说明：从水处理的角度而言，沉降速度缓慢的胶体粒子或微小悬浮物均认为是稳定的。胶体稳定性可分为： 动力学稳定性：是指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。粒子越小，动力学稳定性越高。 聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性
5、。胶体粒子小，比表面积大，故表面能大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向。但是：（1）粒子表面同性电荷的排斥力作用（憎水胶体）（2）水化膜的的阻碍（亲水胶体）将阻止这种自发聚集发生。 当胶体颗粒表面电荷或者水化膜消除后，胶体便失去聚集稳定性，小颗粒胶体便会聚集成大颗粒。颗粒大失去布朗运动特性，其动力学稳定性也将随之消失。因此， 聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。（1）对于憎水胶体而言，聚集稳定性则主要取决于胶体颗粒表面的动电位电位， 电位越高，同性电荷斥力越大，胶体越稳定。（2） 对于亲水胶体而言，虽然其聚集稳定性主要取决于水化膜作用，但是电位降低或者消除对降低或消除水化膜作用、促
6、进胶体絮凝具有一定的作用。由此可知， 电位的研究对研究胶体的稳定性具有十分重要的意义。二、双电层理论胶粒电位离子反离子滑动面胶团边界吸附层扩散层胶核电位电位中心称为胶核，其表面选择性地吸附了一层带有同号电荷的离子（可以是（1）胶核的组成物直接电离产生的，也可以是（2）从水中选择吸附的H+或OH-造成的），成为胶体的电位离子。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的异号离子（反离子），形成了所谓的“双电层”。涉及的概念：这些异号离子，其中紧靠电位离子的部分被牢固的吸引着，当胶核运动时，它也随着一起运动，形成固定的离子层，称为吸附层。而其它的异号离子，距离电位离子较远，受到的引力较弱，不随胶
7、核一起运动，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。吸附层与扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间有一个电位差，称为胶体的动电位（电位）。而胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位（电位，电位离子和反离子形成的总电位。）n（1）受胶核电位离子的静电引力和反离子热运动的扩散作用、溶液对反离子的水化作用，反离子的浓度随与胶粒表面距离增加而逐渐减少，分布符合Boltzmann分布。n（2）天然水中的胶体通常是指负电荷胶体，如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖酸等。n（3）动电位电位：决定了胶体的聚集稳定性。电位测定方法：电泳法粘土：1540mV；细菌：3070mV；藻类
8、：3070mVn（4）双电层理论是解释胶体颗粒之间的作用过程、部分混凝机理将发挥无可 替代的作用。说 明：三、DLVO理论电位是导致胶体稳定性的直接原因，但是胶体的稳定性和凝聚过程可由两胶粒间的相互作用力和距离来评价。DLVO理论的共同提出：德加根（Derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）DLVO理论从胶体之间相互作用能的角度阐述胶体相互作用机理DLVO理论认为，颗粒之间的力主要取决于下列两方面：（1）静电斥力，Er1/X2 ，电位越高，胶体间的静电斥力越大。（2）范德华引力, Ea1/X6
9、（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。b 胶体的布朗运动能量，在不足以突破排斥能峰的条件下，胶体保持稳定 。胶体的布朗运动能量Eb1.5kTk：波兹曼常数，T：温度Eb9时，水中以Al(OH )4为主单核络合物通OH-桥键缩聚成双羟基双核络合物：OH2Al (OH)(H2O)52+ = (H2O)4Al Al(H2O)44+ + 2H2OOH生成物Al2(OH)2(OH)84+还可进一步缩合成Al3(OH)4(H2O)105+ 聚合产物同时也会发生水解反应：Al3(OH)4(H2O)105+ Al3(OH)5(H2O)94+ + H+水解与聚合两种反应交替进行，最终生成聚
10、合度极大的中性氢氧化铝，浓度超过其溶解度时析出氢氧化铝沉淀。事实上，铝盐水解聚合过程中由于羟基架 桥作用，还产生许多聚合离子，并且在水处理絮凝 中已经引起重视。液态NMR液态NMR固态NMR混凝的机理十分复杂，至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。（一）压缩双电层机理（二）吸附电中和机理（三）吸附架桥机理（四）网捕卷扫机理 二、 混凝机理（一）压缩双电层n 根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相互碰撞聚集，需要降低其排斥势能，即降低或消除胶粒的电位，在水中投加电解质即可达到此目的。作用过程：电解质加入与反离子同电
11、荷离子压缩双电层电位稳定性凝聚n对于水中的负电荷胶体，投入的电解质混凝剂应是正电荷或聚合离子，如Na+、Ca2+、Al3+等，其作用是压缩胶体双电层为保持或达到胶体电性中和所要求的扩散层厚度。电位0，等电状态，实际上混凝不需要电位0，只 要使Emax=0即可，此时的k电位称为临界电位。根据SchulzeHardy法则（叔采哈代法则）：浓度相同的电解质破坏胶体稳定性的效力随离子价数的增加而加大。凝聚能力离子价数6 （高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低价电解质有效。）思考：河川到海洋的出口处，为什么容易形成三角洲？压缩双电层理论不能解释：混凝剂投加过量，胶体粒子变电性；依该理论，混凝剂投加过量最
12、多会导致电位0，难于出现变电性的现象出现。这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。 答案：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质盐类浓度较高，起到了压缩双电层作用，致使河流淡水中的胶体脱稳凝聚，沉淀，形成三角洲。作用过程：指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，发生电中和，来降低电位。这一点与压缩双电层机理不同。在铝盐混凝的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。（二）吸附电中和机理说明：再稳现象，过多投加多核络合离子，胶核的强
13、烈吸附作用，使胶体重新带电（电荷异号），而出 现的再稳现象。这种机理在水处理中出现的较多。在水处理中，一般均投加高价电解质。吸附架桥作用是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。（三）吸附架桥机理注意：高分子混凝剂投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护”现象。投加最佳量值：包裹50胶体再稳原因（吸附架桥原理解释）： （1）胶粒较少时，高分子聚合物的缠绕作用；因为废水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶较后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。本机理能
14、解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象.（2）高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生“胶体保护”作用；在水处理中，高分子絮凝剂投加量过大时，一开始微粒就被若干高分子链包围，而无空白部位去吸附其他的高分子链，结果造成胶粒表面饱和产生再稳现象。（3）长时间的剧烈搅拌。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表面，造成再稳定状态。在水处理中，对高分子絮凝剂投加量及搅拌时间和强度都应严格控制。 在吸附架桥过程中，胶粒并不一定要脱稳，胶粒间也无需直接接触。主要原因是：（静电引力、范德华力、氢键）吸附因此，吸附架桥机理可解释非离子型或带同
15、号电荷的离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。说明：当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作混凝剂时，当投加量很大形成大量的金属氢氧化物(如 Al(OH)3 、Fe(OH)3或碳酸盐(CaCO3)沉淀时，可以网捕、卷扫水中的胶粒，水中的胶粒以这些沉淀为核心产生沉淀。这基本上是一种机械作用。混凝剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，胶粒越多，金属混凝剂投加量越少。 （四）网捕卷扫机理示例：澄清池中发生的现象根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理：pH10。 A 适用范围广：pH 4-11；低水温，混凝效果稳定； B 用量小，絮凝体沉降性能好；C COD去除率和脱色效
16、果好；D 处理后水中铁残留量低，腐蚀性较小。天然高分子混凝剂主要有动物胶、淀粉、甲壳素等。特点：电荷密度小，分子量较低，且易发生降解而失去活性。 (2) 有机混凝剂人工合成高分子混凝剂 阴离子型：主要含-COOM(M为H+或金属离子)或-SO3H的聚合物，如阴离子聚丙烯酰胺(CPAM)和聚苯乙烯磺酸钠（PSS）等。 阳离子型：主要是含有-NH3+、-NH2+的聚合物，如阳离子聚丙烯酰胺（APAM）等。 非离子型：所含基团未发生反应的聚合物。如非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）和聚氧化乙烯(PEO)等。高分子混凝剂的作用： 靠氢键、静电、范德华力的作用对胶粒强烈的吸附作用。 高聚合度的线型高分子在溶液中保持适当的伸展形状，从而发挥吸附架桥作用，把许多细小颗粒吸附后，缠结在一起。与其他混凝剂共同使用时的注意事项：u 当废水低浊度时，
