第15章 混凝(1)

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1、1, 对象：水和废水中常常不能用自然沉降法除去的悬浮微粒和胶体污染物。 办法： 1、首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体， 2、再用重力沉降法予以分离。,第15章 混凝,2,凝聚（coagulation） 带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和电位脱稳凝聚，生长成约d=10 特点：剧烈搅拌，瞬间完成 在混合设备中完成,絮凝（flocculation） 高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒生长成大矾花d=0.6-1.2mm 特点：需要一定时间，搅拌从强弱 在絮凝设备中完成,3,第15章 混凝 15.1 混凝机理,混凝：就是水中胶体粒子以

2、及微小悬浮物的聚集过程。包括凝聚和絮凝两个过程。 凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。,水处理中主要杂质： 粘土（50nm-4 m） 细菌（0.2m-80m） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸,4,15.1.1 水中胶体稳定性 胶体稳定性：系指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。 胶体稳定性分“动力学稳定”和“聚集稳定”两种。 动力学稳定系指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。 聚集稳定性系指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。 其中聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。,5,胶体的结构： 粒子的中心，是由数百以至数千个分散相团

3、体物质分子组成的胶核。 在胶核表面，有一层带同号电荷的离子，称为电位离子层。 为了平衡电位离子所带的表面电荷，液相一侧必然存在众多电荷数与表面电荷相等而电性与电位离子相反的离子，称为反离子。,胶核荷电示意图,6, 双电层结构：电位离子层与反离子层构成了胶体粒子的双电层结构。 电位离子层构成了双电层的内层，其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，其电性和电荷量决定了双电层总电位的符号和大小。 反离子层构成了双电层的外层,7, 按其与胶核的紧密程度，反离子层又分为吸附层和扩散层 反离子吸附层：紧靠电位离子，并随胶核一起运动，和电位离子层一起构成了胶体粒子的固定层。 反离子扩散层：固定层以外的那部分反离子

4、。它由于受电位离子的引力较小，因而不随胶核一起运动，并趋于向溶液主体扩散，直至与溶液中的平均浓度相等。 滑动面：吸附层与扩散层的交界面在胶体化学上称为滑动面。,8, 胶体的电动电位（电位）：当胶体粒子运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电荷数值，符号与电位离子相同），使胶粒与扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶体的电动电位，常称为电位。,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,吸附层,胶核,电位,10,4.DLVO理论 胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥力与范德华引力产生。,11,当胶

5、体距离xoc时，吸引势能占优势；当oaxoc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。 胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。这就是DLVO理论。 该理论只适用于憎水性胶体，由德加根（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）。,12,0,斥力,引力,中心距d,势能峰,胶体的动能：1.5kT,布朗运动,势能峰：数百至数千kT,13,15.1.2 硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝Al2（SO4）18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以Al(H2O)63+

6、存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。,14,15.1.3 混凝机理, 水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。 凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ） 混凝：包括两者,不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。 使胶体脱稳的机理可归结为以下四种。 (1)压缩双电层 (2)吸附电中和作用 (3)吸附架桥作用 (4)网捕作用,15,（1）压缩双电层, 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 电解质加入与反离子同电荷

7、离子压缩双电层电位稳定性凝聚,向水中投加电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了。这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低电位，并使扩散层厚度缩小。这种作用称为压缩双电层。,定义：,16, 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，此时的电位称为临界电位。, 示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。,17,该理论不能解释： 混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。, 这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范德华力、氢

8、键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。,18,(2)吸附电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。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，来降低电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。,19,（2）吸附桥架：当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒高分子胶粒”的絮凝体。,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。,20,（3）网捕或卷扫：当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，可以网捕、卷扫水中胶粒以致产生沉淀分离。,21,15.2 混凝剂和助凝剂,我国目前仅工业用水和城市给水处理年需

9、混凝剂40万吨，另外每年排水需40万吨，加上其他方面，每年需要100万吨。,混凝的历史沿革 1637年我国开始使用明矾净水 1884年西方才开始使用,22,15.2.1 混凝剂,混凝剂的要求： 混凝效果好； 对人体健康无害； 使用方便； 贷源充足，价格低廉。,分类：种类200300种 无机混凝剂和有机混凝剂,23,常用的混凝剂,24,无机混凝剂 硫酸铝,目前世界各地自来水厂用混凝剂中，硫酸铝占90%以上。,明矾是硫酸铝及硫酸钾的复盐，起混凝作用的是硫酸铝成分。,硫酸铝使用方便，但水温低时，硫酸铝水解比较困难，形成的絮凝体比较松散，效果不如铁盐混凝剂。,25,铝盐的水解过程,实际上，由于H2O是

10、极性分子，在pH4的条件下，水溶液中的Al 3以六水合铝离子A1(H2O)6 3为主要存在形态。,如pH值升高， A1(H2O)6 3就会发生水解，生成各种羟基合铝离子。随着pH值的升高，水解逐级进行，最终将形成氢氧化铝沉淀。,铝盐的水解过程，将硫酸铝、明矾、聚合氯化铝等铝盐投入水中后，会离解出三价铝离子Al 3+。,26, 当然，实际反应要复杂得多。 当pH4时，羟基合铝离子增加，各离子的羟基之间还可发生架桥连接(羟基架桥)，产生多核羟基配合物(这是一种高分子缩聚反应)，它们还会继续水解。 水解反应与聚合反应交错进行，结果生成聚合度极大的中性氢氧化铝。当其量超过溶解度时，即析出氢氧化铝沉淀。

11、,这个过程反应如下：,27, 因此,在铝盐的水溶液中，存在着Al 3(或A1(H2O)63，下同)、AlOH 2，A1(OH)2、Al(OH)3、A1(OH)4等简单成分以及Al6(OH)14 4，Al7(OH)17 4、A18(OH)20 4，Al13(OH)34 5等聚合成分。 它们在混凝过程中都会发挥作用，其中高价的聚合正价离子对中和粘土胶粒的负电荷，以及压缩其双电层的能力都很大，在水的混凝处理过程中尤为重要。,28,聚合铝 聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。,29,三氯化铁 特点： 适用的pH值范围较宽； 形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实； 处理低温低浊水的效果优于硫

12、酸铝； 但三氯化铁腐蚀性较强，能腐蚀混凝土。 固体易吸潮，不易保管。 出水余铁含量易超标。,30,硫酸亚铁 俗称“绿矾”，适用于处理高浓度碱性废水。 用量大，对设备腐蚀性较强。 溶解性大，离解出Fe2+，只能生成简单的单核配合物，故不具备三价盐良好的混凝性。 硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。,31,聚合铁 鉴于铝对生物体的影响以引起环境医学界的重视，故人们对聚合铁的混凝剂研究更感兴趣。 聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。,32,铝盐和铁盐作为混凝剂在水处理过程中发挥以下三种作用： 1、Al

13、3或Fe3和低聚合度高电荷的多核羟基配合物的脱稳凝聚作用 2、高聚合度羟基配合物的桥连絮凝作用 3、以氢氧化物沉淀形态存在时的网捕絮凝作用。,33, 在pH值偏低、胶体及悬浮微粒浓度高、投药量尚不足的反应初期，以脱稳凝聚作用为主， 在pH值较高、污染物浓度较低、投药量充分时，网捕絮凝作用为主， 而在pH值和投药量适中时，桥连絮凝则成为主要的作用形式。,34,有机高分子混凝剂,高分子絮凝剂一般都是线型高分子聚合物，它们的分子呈链状，并由很多链节组成，每一链节为一化学单体，各单体以共价键结合。聚合物的分子量是各单体的分子量的总和，单体的总数称聚合度。,聚丙烯酰胺(PAM（CH2CHCONH2）n)

14、是一种使用最广的高分子絮凝剂，常作为助凝剂发挥吸附架桥作用，与其它混凝剂一起使用，能产生良好的混凝效果。,35,有机高分子混凝剂特点,有机高分子混凝剂效果优异； 制造过程复杂，价格昂贵； 毒性是人们关注的问题。丙烯酰胺含量在0.0005mg/L以下。,36,15.2.2 助凝剂 助凝剂：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。,助凝剂本身可起凝聚作用，也可以不起凝聚作用，但与混凝剂一起使用时，它能促进水的混凝过程，产生大而结实的矾花。,37,1.作用： pH调整剂：在原水pH值不符合工艺要求，或在投加混凝剂后pH值发生较大变化时，就需要投加酸性或碱性物质予以调整。常用的pH调整剂有

15、H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。,絮体络构改良剂：加大絮体的粒径、密度和机械强度。这类物质有水玻璃、活性硅酸和粉煤灰、粘土等。,38,氧化剂：当原水中的有机物含量较高时，容易形成臭味，不仅使感观性状恶化，絮凝体也不易沉降。此时，应投加Cl2、Ca(ClO)2和NaClO等氧化剂来破坏有机物。,2.常用的助凝剂： 骨胶、聚丙烯酰胺及其水解产物、活性硅胶、海藻酸钠等。,39,问：FeSO47H2O作为混凝剂通常同时投加Cl2，为什么？以FeCl36H2O为混凝剂的自来水厂，有时也投加Cl2，作用是什么？,答：用FeSO47H2O作为混凝剂，同时投加Cl2，是将硫酸亚铁氧化成三价铁，提高硫酸亚铁的混凝作用。,以FeCl36H2O为混凝剂的自来水厂，有时也投加Cl2，是氧化水中的有机物，破坏水中高分子有机化合物对水中胶体的保护作用，提高混凝作用，以便混凝能顺利进行。,40,15.3 混凝动力学,混凝动力学是研究颗粒碰撞速率和混凝速率的科学。,颗粒间的碰撞是混凝的首要条件混凝动力学,颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： 颗粒在水中的布朗运动所造成的颗粒碰撞异向絮凝； 在水力或机械搅拌所造成的流体运动所造成的颗粒碰撞同向絮凝。,41,故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。,