大学基础化学 混凝澄清法

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1、混凝澄清法 （coagulation-flocculation）,学习内容,.混凝的概述 .混凝机理 .混凝剂与助凝剂 4. 影响混凝的因素 5. 混凝设备,1.混凝的概述,1.混凝澄清法的概念混凝澄清是指在混凝剂的作用下，使废水中的胶体和细微悬浮物凝聚为絮凝体，然后予以分离除去的水处理法。混凝 凝聚coagulation ：胶体失去稳定性的过程称为凝聚絮凝flocculation ：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。,10-10 10-9 10-7 10-4 粒度（m）,真溶液 胶体溶液 悬浮液,混凝法,沉淀法,.2.混凝的去除对象主要对象是废水中的细小悬浮颗粒和胶体微粒，这些颗粒用自然沉降法很难从

2、水中分离出去。,降低废水的浊度和色度，去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质，还能改善污泥的脱水性能。,2. 混凝机理,2.1胶体 2.1.1 水处理中常见胶体粘土颗粒（对于d4m），大部分细菌（0.280nm），病毒（10300nm），蛋白质。2.2.2 胶体的性质(1)稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。,动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。,聚集稳定性包括：胶体带电相斥（憎水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体）,胶体稳定性,胶核,a.胶核-表面有负电荷，可吸附水中的正离子。,电位离子,反离子,b.电位离子-胶核表面的一层带有同号电荷的离子.,C

3、 .反离子-与电位离子电量相等, 符号相反的离子.,反离子吸附层,反离子扩散层,(2)双电层结构及其电位,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,d.滑动面-固定层和扩散层之间的交界面。,e.胶团-胶粒和扩散层一起构成电中性的胶体粒子。,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,电位- 胶核表面上的电位离子和反离子之间形成的电位称为总电位，即电位。 电位-胶体滑动面与溶液主体之间的电位称为移动电位，即电位。,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,q胶体粒子的电动电荷密度，即胶粒表面与溶液主体间的电荷差 扩散层厚度，c

4、m； 水的介电常数，其值随水温升高而减小。,电位随温度，p值及溶液中反离子强度等外部条件而变化 ,2.2.3 胶体的脱稳和凝聚机理,1.基本概念 稳定性（stabilization)-胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性。 脱稳(destabilization)-胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳. 凝聚-脱稳的胶粒相互聚集为微絮粒的过程,称为凝聚. 2. 混凝的机理 混凝可分为压缩双电层、电性中和、吸附架桥、网罗卷带四种机理。,（1）压缩双电层机理 (modification of the electrical double layer),加入电解质，加入的反离子

5、与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。产生压缩双电层作用，使电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。 双电层的厚度与溶液中的反离子的浓度有关。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高时，则扩散层的厚度将减小。 该过程的实质是由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。压缩双电层电位稳定性凝聚,溶液中离子浓度与扩散层厚度的关系,溶液中离子浓度低,溶液中离子浓度高,B,A,溶液中离子浓度低时，扩散层厚度为OA,溶液中离子浓度高时，扩散层厚度减小为OB,（2）电性中和机理 (electrical neutralization),指胶核表面直接吸附

6、带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，胶粒间的排斥力减小，距离减小，吸引力增大，胶粒得以迅速凝聚。使胶体的脱稳和凝聚易于发生。 其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。 电性中和电位电位稳定性凝聚,（3）吸附桥联机理 (polymer bridging of colloids),吸附架桥作用主要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过程。架桥模型示意见图高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；但投加过多，会出现“胶体保护”现象；,高

7、分子聚合物对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图,形成“胶粒高分子胶粒” 的絮凝体,胶体保护：当高分子物质投量过多时，胶粒的吸附面均被被高分子覆盖，两胶粒接近时，就受到高分子之间相互排斥而不聚集。这样就会产生“胶体保护”。,架桥模型,胶体保护示意,（4）网罗卷带机理 (entrapment in the floc structure),沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或带金属的碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕，产生沉淀分离。,以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为

8、主而已。,. 混凝剂及其作用机理,3.1 定 义：为了使胶体颗粒脱稳而聚集所投加的药剂。 凝聚剂压缩双电层和电性中和机理起作用； 絮凝剂吸附桥联机理起作用；3. 2 混凝剂应符合以下要求：混凝效果好；对人体无危害；使用方便；货源充足，价格低廉。,3.3分类:目前混凝剂的种类有不少于200300种，分为无机与有机两大系列,无机,铝系,铁系,硫酸铝; 明矾,硫酸铝钾 KAL(SO4)212H2O; 聚合氯化铝（PAC）;聚合硫酸铝（PAS）,三氯化铁;硫酸亚铁;硫酸铁（国内生产少）; 聚合硫酸铁;聚合氯化铁 ;,有机,人工合成,天然,a.阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物; b.阴离子型：水解聚丙烯

9、酰胺（HPAM）; c.非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）; d.两性型,a.淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等; b.微生物絮凝剂,铁铝聚合盐质量衡量标准:盐基度 盐基度-产品分子中OH与金属原子的当量百分比,可用下式表示:B=OHn/xRm 100% 式中:B-盐基度,%;N-单体分子中OH的个数;Rm-单体分子中Fe或Al的原子个数;X -Fe和Al的化合价. 盐基度决定了产品的化学组成,混凝效果等重要性质.,混凝剂的凝聚能力表示:凝聚值 凝聚值-使胶体开始脱稳凝聚所需要的最低混凝剂剂量. 讨论: 混凝剂所产生的反离子价数越高,凝聚值就越小. 例如,使负电荷胶体凝聚所需的Na

10、+,Ca2+,Al3+的数量大体呈1:10-2:10-3的比例减少.,实际上，在pH 4时，随着溶液中的OH-浓度的提高，水解产物之间还发生羟基架桥聚合反应，生成不同聚合度的高电荷络离子：,与此同时，生成的多核聚合物还会继续水解,所以水解与缩聚两种反应交错进行，最终结果产生聚合度极大的中性氢氧化铝。当其数量超过其溶解度时，即析出氢氧化铝沉淀物。,A1(OH)(H2O)52+,A12(OH)2(H2O)84+,A1n(OH)2n-2(H2O)2n+4(n+2)+,无机絮凝剂作用机理 （1）铝盐的水解过程在pH 4时，Al3+以Al(H2O)6 3+的形式存在当pH，发生配位水分子离解，生成各种羟

11、基合铝离子，最终生成氢氧化铝沉淀物。,3.混凝剂的作用机理,（2）铝盐和铁盐在混凝中的作用 由于上述聚合和水解反应交错进行，因而其产物必然是多种形态的聚合铝络离子在一定条件下的混合平衡。略去配位H2O分子以后的具体形态可能有： A16(OH)153+、A17(OH)174+、A18(OH)20 4+及A113(OH)345+等。 一般地， 低pH值下的主要形态是低聚合度的高电荷络离子-（压缩双电层和电荷中和作用 ） 高pH值下的主要形态是高聚合度的低电荷络离子-（吸附桥联作用） pH值在78时，聚合度极大的中性A1(OH)3(H2O)3n占绝对优势-（沉淀的网捕作用 ） pH8.5时，则重新溶

12、解为A1(OH)4 -、A16(OH)202-等负离子-（吸附桥联作用） 由上述情况可见，从投加混凝剂开始到反应结束，必然是从简单到复杂的各种产物相继出现并交叉发挥作用的过程 。,2. 有机高分子絮凝剂作用机理-吸附桥联 ?/为什么离子型的絮凝效果更有效? （1）如为离子型，而且其电号与微粒电性相反，就能起降低电位和吸附桥联的双重作用。,（2）离子型絮凝剂所带的同电号基团间的静电斥力能使线性分于由卷曲形变为伸展形，捕捉范围增大，活性基团也得到充分暴露，从而使絮凝剂分子与微粒之间发生吸附桥联的机率增大。,1.定义:凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加

13、混凝。 2. 分类： pH调整剂：调整水的pH，常用的pH调整剂有H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。 絮体结构改良剂：加大矾花的粒径，密度和机械强度，如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂； 氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等,例如当用FeSO4作混凝剂时，则常用O2和Cl2将Fe2+氧化为Fe3+，以提高混凝效果。,3.助凝剂,4.影响混凝的因素,1.废水水质的影响 2.混凝剂的影响 3.水力条件的影响,1.废水水质的影响,（1）浊度(turbidity) 浊度过高或过低都不利于混凝，浊度不同，所需的混凝剂用量也不同。 （2

14、）pH值 在混凝过程中，都有一个相对最佳pH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。不同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。 （3）水温(temperature) 水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。 （4）共存杂质(impurities) 有些杂质的存在能促进混凝过程。而有些物质则不利于混凝的进行。,2.混凝剂的影响,（1）混凝剂种类(kinds of coagulants) 混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。 如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚;如絮体细小，还需投加高分子

15、混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。 很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。,2.混凝剂的影响,（2）混凝剂投加量(dosage) 投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。 对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。 （3）混凝剂投加顺序(sequence) 当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。 但当处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。,3.水力条件的影响,水力条件对混凝效果有重要影响。两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。 混合阶段：要求混凝剂与废水迅速均匀混合，为此要求速度梯度G在5001000s1，搅拌时间t应在1030s。 反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在2070s-1和1530min。,