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1、Chen Shuixia/Zhongshan University,1,第三章 废水的化学处理法,废水的化学处理是利用化学反应的原理及方法来分离回收废水中的污染物，或是改变它们的性质，使其无害化的一种处理方法 化学法处理的对象主要是废水中可溶解的无机物和难以生物降解的有机物或胶体物质。 主要介绍化学处理法中常用的化学混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法和电化学法。,Chen Shuixia/Zhongshan University,2,一、化学混凝法,化学混凝法简称混凝法。 除了除浊、除色之外，对高分子化合物、动植物纤维物质、部分有机物质、油类物质、微生物、某些表面活性物质、农药，汞、镉、铅
2、等重金属都有一定的清除作用 向水中加入混凝剂破坏微小悬浮物或胶体粒子的稳定性，使其互相接触而聚集在一起，然后形成絮状物并下沉分离。前者称为凝聚，后者称为絮凝，一般将这二个过程通称为混凝。,Chen Shuixia/Zhongshan University,3,一、化学混凝法,Waste,Al(III), Fe(III) salts,mixer,to,Sedimentation,flocculation,rapid mix,Addition and rapid mixing of a chemical coagulant with the wastewater to neutralize sur
3、face charges collapse the surface layer around the particles allow particles to come together and agglomate form flocculent particles which settle faster,Chen Shuixia/Zhongshan University,4,凝聚（coagulation）与絮凝（flocculation）,凝聚（coagulation）是指使胶体脱稳并聚集为微小絮粒的过程 絮凝（flocculation）是使微絮粒通过吸附、卷带和架桥而形成更大的絮体的过程
4、凝聚是瞬时的，只需将化学药剂扩散到全部水中的时间即可。絮凝则与凝聚作用不同， 需要一定的时间让絮体长大，但在一般情况下两者难以截然分开。习惯上将低分子电解质称为凝聚剂，而将高分子药剂称为絮凝剂。当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。,Chen Shuixia/Zhongshan University,5,1.1 凝胶,Particles lying in size between the dissolved state and particles which readily sediment out of solution Much of t
5、he humic matter in natural waters is colloidal Much of the dissolved iron in rivers is colloidal 80% of the oxidizable carbon (COD) in raw domestic sewage is colloidal or larger. Effluent from a biological treatment works is ca 50 mg C / dm3 , ca 50% of which is colloidal.,胶体微粒 憎水胶体（不可逆胶体），粘土及某些无机混凝
6、剂在水中所形成的胶体 亲水胶体 （可逆胶体），如蛋白质，淀粉及胶质等有机物质部属于亲水胶体,Chen Shuixia/Zhongshan University,6,1.1 凝胶胶体微粒的结构,胶核：胶体微粒的中心由数十个到数千个不溶于水的胶体分子聚合成 电位离子：胶核表面的一层带有同号电荷的离子。由胶核表层分子离解产生或吸附水中的H+、Na+、或OH-等阴离子。电位离子决定了胶粒电荷的多少和正负电性，构成了双电层的内层。,胶核周围吸附大量的异性离子，形成反离子层，构成了双电层的外层。 外层内的异性离子又可分为二部分： 紧靠电位离子的异性离子被牢固地吸引着，当胶按运动时，它会随之一起运动组成了吸
7、附层。它和电位离子一起组成胶团的固定层 其它具有向水中扩散的趋势、被松散地吸附着的离子形成扩散层。 在扩散层中都会产生一个分界面，称为滑动面,Chen Shuixia/Zhongshan University,7,1.1 凝胶,胶体微粒的结构（续） 电动电位(电位）：当胶粒运动时，由于滑动面以外的异性离子脱离了胶粒向液相主体扩散，使胶粒产生剩余电荷，因此，在胶粒与扩散层之间存在着一电位差叫做胶体的电动电位。 总电位（电位）：胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位称为总电位或热力学电位。总电位一定时，扩散层愈厚电位愈高。 胶粒的特点 同一物质的胶粒都带有相同电荷 由于电位引起的静电斥力阻止了胶粒
8、互相接近，因而不能结成较大的颗粒下沉 电位愈高或是胶粒间距离愈近，则静电斥力愈大而胶粒则愈稳定 对亲水胶体面言，使其保持稳定性的主要原因是胶体的水化作用。带电胶粒可吸引极性水分子形成一层水化膜，从而阻止了胶粒间的相互接触而保持其稳定性。,Chen Shuixia/Zhongshan University,8,Chen Shuixia/Zhongshan University,9,1.2 化学混凝法的原理,混凝的原理 废水中的胶粒具有一定的稳定性，混凝的作用是向废水中投加混凝剂，破坏胶体颗粒稳定性，它们凝聚成大的颗粒下沉 混凝是混和、反应、凝聚、絮凝等几种过程综合作用的结果，其机理至今末完全弄清
9、 根据所用混凝剂的不同，有以下几种解释： 压缩双电层作用 吸附电中和作用 吸附架桥作用 沉淀物网捕作用,Colloidal particles (0.001 - 1 m),floc (1 - 100 m),Chen Shuixia/Zhongshan University,10,1.2 化学混凝法的原理,压缩双电层作用 由胶体粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面处最大，并沿着胶粒表面向外 的距离呈递减分布，最终与溶液中离子浓度相等（见图）。当向溶液中投加电解质，使溶液 中离子浓度增高，则扩散层的厚度将从图上的oa减小 至ob。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反 离子之间的静电斥力
10、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。,Chen Shuixia/Zhongshan University,11,1.2 化学混凝法的原理,由于扩散层厚度的减小， 电位相应降低，因此胶 粒间的相互排斥力也减少。另一方面，由于扩散层减 薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互间的吸引力 相应变大。从而其排斥力与吸引力的合力由斥力为主 变成以引力为主(排斥势能消失了），胶粒得以迅速 凝聚。 根据这个机埋，当溶液中外加电解质浓度无论多高，也不会有更多超额的反离子进入扩 散层，不可能出现胶粒改变符号而使胶粒重新稳定的情况。这与实际情况不符。例如，以三 价铝盐或铁盐作混凝利，当其投量过多时
11、，凝聚效果反而下降，甚至重新稳定。 压缩双电层作用（例） 带电离子的中和作用：当向废水投入电解质如硫酸铝时，硫酸铝在水中离解，生成带电荷Al3+和SO42-， Al3+是高价离子，它使废水中阳离子浓度增加，并被废水中带负电的胶体颗粒(如粘土、细菌、病毒等都是带负电的胶体）所吸附，使Al3+ 进入扩散层甚至吸附层，而使胶体的电位降低，带电的胶体微粒趋向电中和。当大量正离子进入吸附层致使扩散层完全消失时， 电位为零，胶体间的静电斥力消失，相互碰撞时则全凝聚为较大的颗粒沉淀。（凝聚）,Chen Shuixia/Zhongshan University,12,1.2 化学混凝法的原理,吸附电中和作用：
12、 胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用。 由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，使胶体的脱隐和凝聚易于发生。 例：当向废水投入电解质如硫酸铝时， Al3+分步水解，形成Al(OH)3胶体，当pH8.2时，A1(OH)3胶体带正电荷，它与废水中带负电荷的胶体微粒互相吸引，中和其电荷，凝结成较大颗粒而沉淀下来。,Chen Shuixia/Zhongshan University,13,1.2 化学混凝法的原理,吸附架桥作用 ： 当向废水中投入高分子聚合物之后，它即被吸附在胶体微粒的表面。高聚物分子的链节占据微粒表面的一个或数个吸
13、附位，而分子的其余部分伸展到溶液中，伸展出的分子链节又结合到另一微粒的空白吸附位上，形成颗粒间的化学架桥，使颗粒逐渐结大，形成可见的粗大凝聚体称之为絮凝。 投入聚合物的量必须适当，当投入最过大时，废水中含有大量的聚合物，反而会把胶体微粒包围，使它们失去了彼此之间架桥的可能，胶体颗粒仍处于稳定状态。,所以，在废水处理中，对高分子絮凝剂投加量及搅拌时间和强度都应严格控制，如投加量过大 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。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
14、成再稳定状态 。,Chen Shuixia/Zhongshan University,14,1.2 化学混凝法的原理,沉淀物网捕作用 ： 当向废水中投入较大量的金属氧化物或氢氧化物时，这些金属粒子可以迅速形成金属氢氧化物或碳酸盐沉淀，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。水中胶粒本身可作为这些沉淀所形 成的核心时，凝聚剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加 量越少。,Chen Shuixia/Zhongshan University,15,1.3 混凝剂,无毒、价廉；中性条件下不溶，以免残留金属离子 无机混凝剂 硫酸铝、硫酸（亚）铁、氯
15、化锌；碳酸钠、氧化钙、氢氧化铁、氢氧化铝；高岭土、膨润土等 有机混凝剂 月桂酸钠、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠（阴离子型）、十二烷胺醋酸、十八烷胺醋酸（阳离子型） 高分子混凝剂 羧甲基纤维素钠（阴） 苯胺树脂盐酸盐（阳） 淀粉（非） 动物胶（两性） 聚二丙烯季铵盐 聚丙烯酰胺,Concentration,Chen Shuixia/Zhongshan University,16,1.3 混凝剂,三氯化铁： 黑褐色的结晶体、有强烈吸水性、极易溶于水，其溶解度随温度上升而增加。形成的矾花、沉淀性好，处理低温水或低浊水效果比铝盐的好(适宜的pH值范围较宽，伹处理后的水的色度 比铝盐的高)。三氯化铁液体、晶
16、体物或受潮的无水物腐蚀性极大，调制和加药设备必须考虑 用耐腐蚀材料。 硫酸亚铁： 易溶千水，在水温20时溶解度为21%，硫酸亚铁离解出的Fe2+只能生成最简单的单核络合物。因此不如三价铁盐那样有良好的混凝 效果。残留在水中的Fe2+会使处理后的水带色。 Fe2+与水中的某些有色物质作用后，会生成 颜色更深的溶解物。因此，使用硫酸亚铁时应将二价铁先氧比为三价铁，然后再起混凝作用。,Chen Shuixia/Zhongshan University,17,1.3 混凝剂,硫酸铝 硫酸铝是世界上水和废水处理中使用最多的混凝剂。常用的硫酸铝含18个结晶水。硫酸铝使用便利，混凝效果较好，不会给处理后的水质带来不良影响。当水温低时硫酸铝水解困难形成的絮体较松散。 聚合氯化铝：作为一种高分子混凝剂于60年代在日本首先进入使用阶段。其比学式可写为(Al2(OH)nCl6-n)m ，聚合氯化铝与其他混凝剂相比。具有下列优点（1）使用范围广，对各种废水都可以达到好的混凝效果。（2）易快速形成大的矾花，沉淀性能好，投药量一般比硫酸铝低，过量投
