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1、第三讲 混 凝,2,主要内容,3.1 混凝机理 （ ） 3.2 混凝剂和助凝剂 3.3 混凝动力学,3,3.1、混凝机理,3.1.1 基本概念 混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。 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。,4,3.1、混凝机理,3.1.2 水中胶体的稳定性 胶体稳定性：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“动力学稳定性”和“聚集稳定性”两种。 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） 在动力学稳定性和聚集
2、稳定两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。,5,3.1、混凝机理,3.1.2 水中胶体的稳定性 胶体带电的原因： 晶格取代 化学基团电离 溶解、电离 吸附某些离子,6,3.1、混凝机理,滑动面上的电位：称为电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当电位降低，水化膜减薄及至消失。,图3-1 胶体双电层结构示意图,胶体电位是导致聚集稳定性的直接原因,滑动面（胶粒）,胶核,7,3.1、混凝机理,3.1.3 DLVO理论 DLVO理论，由德加根（Derjaguin）、兰道（Landon）(苏联) ，伏维（Verwey）、奥贝克(Overbeek）（荷兰）提出。 只适
3、用于憎水性胶体。 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。 排斥势能：ER1/202e-kx 吸引势能：EA=-A/12x 由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见图3-2。当胶体距离xoc时，吸引势能占优势；当oa x oc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Eb1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。,8,3.1、混凝机理,图3-2 相互作用势能与粒间距离关系 (a) 双电层重叠；(b) 势能变化曲线,间距x,排斥势能ER,吸引势能EA,Emax,ER,EA,9,3.1、混凝机理,3.
4、1.4 混凝机理 1电性中和作用机理 电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理。 （1）压缩双电层 加入电解质，形成与反离子同电荷离子，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。 压缩双电层机理适用于叔采哈代法则。凝聚能力离 子价数6次方。 该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象： 混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 与胶粒带同号电荷的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。,10,3.1、混凝机理,（2）吸附-电中和中和 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
5、量过多时，电位可反号。,图3-3 压缩双电层和吸附-电中和作用,11,3.1、混凝机理,2吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子链的一端吸附了某一胶粒， 另一端又吸附另一胶粒,形成“胶粒-高分子-胶粒”絮凝体,高 分子物质起了胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用,故称吸 附架桥作用,架桥模型示意见图3-4。 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，见图3-5；,图3-4 架桥模型示意,图3-5 胶体保护示意,12,3.1、混凝机理,3网捕或卷扫 混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时, 对胶粒会网捕、卷扫导致沉淀分离。这是
6、一种机械作用，所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。,硫酸铝的混凝机理 (总结) 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。 pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用； pH=45 多核羟基络合物起吸附电性中和； pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；,13,3.2、混凝剂和助凝剂,(1) 混凝剂种类,混凝剂类型,无机混凝剂,有机高分子混凝剂,微生物混凝剂,人工合成高分子混凝剂,天然生物高分子混凝剂,阳离子型,阴离子型,两性型,非离子型,3.2.1 混凝剂,14,3.2
7、、混凝剂和助凝剂,表3-1 饮用水常用的混凝剂,15,3.2、混凝剂和助凝剂,(2) 常用混凝剂的优缺点,絮凝剂无毒或低毒、无二次污染 絮凝活性低,天然高分子,与无机混凝剂相比，用量少、絮凝速度快 高聚物的残余单体具有“三致”效应，应用受限,合成高分子,混凝效率高，用量省 腐蚀性比三氯化铁弱,聚合铁,适用的pH值范围宽，絮凝体密实，对低温低浊水处理效果好 腐蚀性较强,三氯化铁,在相同水质下，用量比硫酸铝少，对水的pH变化适应性强,聚合铝,价格便宜,来源广泛,应用经验丰富 低温时，水解困难，形成的絮体松散,硫酸铝,16,3.2、混凝剂和助凝剂,3.2.2 助凝剂 助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用
8、效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类： 酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等； 加大矾花的粒度和结实性类：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; 改变混凝剂化学形态：FeSO4Cl2。,17,3.3、混凝动力学,3.3.1 基本概念 混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。 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；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。 异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。 同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引
9、起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝.,18,3.3、混凝动力学,3.3.2 异向絮凝 颗粒的碰撞速率： (3-1) 式中：DB： 布朗运动扩散系数， ；其中T为温度， 为水的运动粘度，为水的密度，n为颗粒数量； 因此： (3-2) 故颗粒碰撞速率只与颗粒数量浓度和水温有关，而与颗粒粒径无关。 但当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。,19,3.3、混凝动力学,对（3-2）积分：,可计算：当n=n0/2时，需要的时间为,当n0=105时，需要的时间为2x106s,20,3.3、混凝动力学,3.3.3 同向絮凝 1.同向絮凝层流理论,图3-6层流条件下颗粒碰撞示意图,颗粒碰撞速率计算： (3-3),21,3
10、.3、混凝动力学,3.3.3 同向絮凝 1.同向絮凝层流理论,图3-7 速度梯度计算图示,在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体， 。 设在时间 t 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为： (3-4),22,3.3、混凝动力学,转矩J 为： (3-5) 于是单位体积水所耗功率p为： (3-6) 根据牛顿内摩擦定理：=G ,其中：剪应力，G:速度梯度 , :水的动力粘滞系数，故 (3-7) 当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。 当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定： (3-8) （3-8）代入（3-7）得 (3-9),23,3.3、混凝动力学,3混凝控制指标
11、自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。,2说明：同向絮凝理论采用层流假设，与实际絮凝反应池中的紊流状态不符，但是根据同向絮凝理论推导出的速度梯度公式在实际应用中仍有一定的代表性，对混凝过程的设计和控制有着重要的意义，在实践中被广泛应用。,24,3.3、混凝动力学,混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G 700 1000s-1，时间通常在1030s，不超过 2min，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。 絮凝过程 ：在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮凝效果不仅与G有关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以G值和GT值作为控制指标。 平均G2070s-1， GT104105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。,25,3.3、混凝动力学,例题：某水力搅拌絮凝反应池，水力停留时间20min，水头损失0.30m，水温20oC。求该反应池的平均G值和GT值。（水温20oC时，动力黏度=1.002x10-3Pas） 解：,26,谢谢！,
