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1、,聚丙烯酰胺,第七章 混凝剂,凝聚剂+絮凝剂,絮凝剂投配系统,前言,凝聚作用与絮凝作用两词均源自拉丁语。前者拉丁语“coagulare”意为聚集(together)，即把两个或多个不同的个体拉拢在一起。后者拉丁文“flocculare”意为形成絮体。 就胶体化学而言，凝聚作用意指加入凝聚剂后，在水溶液中的胶体粒子的稳定性遭受破坏，降低了彼此间互相排斥的力量，而形成细小絮体的过程。絮凝作用也指粒子的稳定性遭受破坏后，借聚合物及搅动能量而彼此接触，因而形成较大颗粒絮体的过程。简而言之，凝聚作用可称电性中和，絮凝作用可称架桥反应。 凝聚和絮凝在实际中是很难截然分开的两种过程和作用。,7.1 含于水中
2、杂质的某些性质,一般天然水中游离的水分子是很少的，大约只占0.1%，其存在的形态绝大部分是数个分子的集合如(H2O)n。水分子的两个氢和一个氧结合呈现一个非对称结构，这种非对称结构使水具有双极性，因而它易于附着在水中杂质的表面上形成水合层。少量的水电离成氢离子和氢氧根离子存在于水中。这些离子与水中所含杂质相互作用后，使水的性质产生了一定的差异。,水溶液和水中杂质的形态,含于水中的杂质有混入或溶解于水中的某些气体、液体和固体，其中包括有机物和无机物。 按胶体化学的观点，分散于水中的这些物质，由于其分散的程度不同可分为三种类型：一为悬浮液与悬浊液，其颗粒直径大于0.2m，这种体系属于动力学不稳定的
3、，借重力作用终究能沉淀下来。其次是真溶液，其分散相的颗粒直径小于1nm，是单相、均衡的，属于热力学稳定体系。第三是胶体溶液，其分散相颗粒的大小在1-200nm范围内，它介于真溶液的上限和悬浮液的下限之间，不能用一般过滤方法去除，由于颗粒在水中做布朗运动也不能借重力而下沉，它可以是聚集体，也可以是单一的大分子。,从物理学观点看，不论是悬浮体系、溶解体系或胶态体系，其不同之处仅是颗粒的大小不同而已。其分类是：粒径在0.2m -1mm范围内，属悬浮体系；粒径1nm者，属溶解体系；粒径在1nm-0.2m范围内，属胶态体系。按国际标准化机构的规定，以通过0.45m的滤膜作为划分体系的界限。从工程设计上概
4、括起来说，水中的杂质可简单地分为溶存物与不溶解的悬浮物。,7.2 凝聚的机理,在原水的预处理过程中，向水中投加凝聚剂后其所发生的凝聚作用是非常复杂的反应过程，它涉及水中分散介质的性质、各种凝聚剂的特性、分散介质与各种凝聚剂的相互作用条件及它们彼此间的一系列反应等，因而凝聚是受物理、化学及动力学等各方面的作用力所影响的。 近年来，由于胶体化学的发展和高分子聚合物凝聚剂的应用，对电中和胶体吸附有了进一步的研究。因而在凝聚作用的理论上了较趋向一致的看法，即双电层压缩机理。,7.2.1 双电层压缩的作用机理,水中胶体微粒一般带有负电荷，这可能是由于：它们表面的一些成分溶于水后被水中的一些带正电离子所置
5、换，使胶体表面产生多余的负电荷；胶体微粒有选择地吸附了一些负电荷，因而造成它带负电；有效胶体表面的化学结构的基团离解，当离解后显示电性。 胶体微粒表面带电荷，必然要吸引水中带异电荷的离子。如胶体带正电荷，则吸引了水溶液中许多负离子，它们被吸附在微粒的表面上，因而形成了一个固定层。这种静电吸引作用使其在水溶液中产生一种浓度梯度，在热运动及分散介质(水)的极性作用下，胶体微粒所吸引的这些负离子又有朝向相反方向力图离开向着浓度低的水溶液扩散的趋势。,当吸引和扩散达到平衡时在其外侧就形成了一个所谓的扩散层。固定层的厚度大约是(2-3)10-7mm，不随温度而变化，但扩散层厚度则较大，且随温度和其他因素
6、而变化。这种固定层和扩散层总称为“双电层”。当这种颗粒在水中移动、两相之间产生剪切力形成滑动时，滑动面的电位称为电位。一般认为扩散层愈厚则电位越高，胶体微粒的电荷和胶体微粒间的斥力也越大，因而这种胶体溶液的稳定性就大。,电位的高低成为凝聚反应好与坏的一个重要因素。当投加高价电解质能使颗粒表面的电荷减小，同时使扩散层受到压缩，这样电位就降低，促进了凝聚。,对于两个带相同电荷的微粒，在其扩散层未接触前两个微粒并不发生任何关系。当两个微粒接近到其扩散层重叠时，重叠区内离子将同时受到两微粒的作用，使离子产生重新分布的趋势，由于静电力的不平衡，产生微粒间互相排斥而分离。排斥力以排斥势能来表示，它同微粒间
7、的距离以指数规律成反比。另一方面，胶体微粒相互接近时，还受到范德华引力作用。微粒相距愈近，虽吸引大，但由于带同号电荷，斥力也大；当微粒间距离小到粒子间斥力和引力相等时，两颗粒处于平衡。加入电介质，使排斥势能降到一定程度，两微粒就发生凝聚。,7.2.2 水中粘土的离子交换容量,水中悬浮胶体微粒与凝聚剂的反应，是金属离子、凝聚剂水解产生的高价络合离子与胶体微粒表面产生吸附、浓缩，降低胶体微粒表面电荷，从而发生凝聚。这是金属离子或络合离子与胶体微粒的官能团之间的配位结合，属于化学吸附反应，并非物理作用。 利用扩散层压缩等凝聚理论都难以确切地体现出外加电解质的临界浓度与水中悬浊质的量与质的关系。在实践
8、中已证明，同样浊度、pH值和碱度下，在凝聚处理中其所用的凝聚剂量也常有所不同，这主要是悬浊液中的物质性质不同，导致凝聚的效果也不同。如果用阳离子交换容量，则可体现出悬浊质的量与其特性。,由于水中所含的胶体物质不同，交换能力也不同。Langmuir曾用不同交换容量的粘土进行凝聚试验，得出以下结论： (1) 交换容量低时，需要的凝聚剂量也少。但有效凝聚区变窄，这在实际应用中较难控制。 (2) 如交换容量高，则临界凝聚浓度也相应地高； (3) 如欲投药量少且能取得最大凝聚效果，则应使凝聚剂水解后与胶体微粒的交换容量达到适当平衡； (4) 交换容量达到250mol/L 时，才不会有再稳出现，此时控制也
9、容易；,根据河村劝的实验，得出几种不同性质的悬浊质与其交换容量的关系为：高岭土表土胶质粘土硅藻土。 胶质粘土的交换容量为52mmol/100g。从其试验看，胶质粘土的水虽凝聚剂用量大，但使用的有效凝聚范围也大，因而运行时安全。 可见，利用阳离子交换容量可反映出不同性质粘土的水在凝聚过程中其交换容量也不同这样一个量的概念。水中所含粘土的量与性质将直接影响到凝聚效果。如果离子交换容量大，用在异向凝聚的过程中，则可取得较好的凝聚效果。,7.3 铝盐,自1884年美国开发使用硫酸铝(AS)以来，铝盐在水处理工业中占有重要地位。到本世纪60年代，聚合氯化铝(PAC)以其优越的净水性能被广泛应用。迄今为止
10、，铝盐在饮用水处理中使用最广泛，产量最大。据日本水协报道，PAC与AS相比，浓度与投加量相等情况下需碱量后者比前者约多1倍，且PAC除浊、除菌的效果均优于AS。 三价金属铝在水中的存在形态是带有6个结晶水的Al(H2O)63+。当pH值小于4时，这种水合铝离子是水中存在的主要形态。如pH值升高，水合离子就产生结合水的水解过程，生成各种羟基铝离子；如pH值继续升高，则其水解就继续进行，最后生成氢氧化铝沉淀物。,一般pH值约在5左右即会出现氢氧化铝胶体、pH值达到7以上，三价铝就成为存在的主要形态，但pH值达到8附近又重新溶解，水解成带负电荷的阴离子。可见，pH值偏低，则是高电荷低聚合度的多核络合
11、离子占主要地位；pH值升高时，则不断地转化低电荷高聚合度的无机高分子电解质并占主要地位；再进一步提高pH值则又生成中性的而聚合度无限大的难溶氢氧化铝。,7.3.1 常见铝盐凝聚剂,硫酸铝，又名明矾，分子式：Al2(SO4)3.xH2O 性能：外观为灰白色粉末或块状晶体。在空气中长期存放易吸潮结块。由于有少量硫酸亚铁存在而使产品表面发黄。易溶于水，水溶液呈酸性反应，难溶于醇。过饱和溶液在常温下结晶为无色单斜晶体的18水合物，8.8以下结晶为27水合物。 硫酸铝是目前市面上最常见的凝聚剂。当添加于水中时，能迅速被溶解，解析出SO42-。铝离子与水而水解。在原水中，铝离子被6个水分子包围，形成带三价
12、正电荷，以Al(H2O)63+八面体存在。在pH值大于3时，水合分子逐步被OH-所取代。当水解时，将有各种不同的水化分子进行聚合反应。在适当的pH值之下，在水处理过程中(如原水净化及冷石灰软化法)，水解作用及聚合反应将迅速发生，形成各种不同的单核子和多核子络合物。,硫酸铝是目前市面上最常见的凝聚剂。当添加于水中时，能迅速被溶解，解析出SO42-。铝离子与水而水解。在原水中，铝离子被6个水分子包围，形成带三价正电荷，以Al(H2O)63+八面体存在。在pH值大于3时，水合分子逐步被OH-所取代。当水解时，将有各种不同的水化分子进行聚合反应。在适当的pH值之下，在水处理过程中(如原水净化及冷石灰软
13、化法)，水解作用及聚合反应将迅速发生，形成各种不同的单核子和多核子络合物。,硫酸铝铵 又名铵明矾 分子式：(NH4)2SO4.Al2(SO4)3.24H2O 性能：白色透明结晶硬块硫酸铝铵(十二水合物)，为无色透明的正八面体结晶。 硫酸铝铵主要用作净化污水的混凝剂。在用作处理污水的混凝剂时，为了提高絮凝效果，应通过实验确定絮凝条件(如pH值范围、投加量等)。,碱式氯化铝 又名多羟基聚合氯化铝、聚氯化铝 分子式：Al2(OH) nCl6-nm 性能：纯品为褐色透明液体。是高效水处理剂和凝聚沉降剂。用于各类水厂生活用水净化，也可用于废水处理。在原水浊度为50-1000mg/L时按6-15mg/L的
14、剂量投加。,碱式氯化铝是由铝灰为主要原料生产的无机高分子净水剂。因铝灰中的铝分子是金属状态的，比矿石状态的铝分子活跃，所以混凝效果非常明显。其净水效果大大优于一般的净水品。特别是对工业污水、造纸、印染等污水有独特的功效。,7.3.2 铝盐凝聚剂对出水残留铝的影响,由于铝盐水解产物的絮凝作用，各种铝盐作为净水剂被广泛应用于饮用水工艺中。近10年的研究表明，铝经各种渠道进入人体后，通过蓄积和参与许多生物化学反应，能将体内必需的营养元素和微量元素置换流失或沉积，干扰破坏各部位的生理功能，导致人体出现诸如铝性脑病、铝性骨病、铝性贫血等中毒病症。 世界卫生组织对水中残留铝含量的限制标准为0.2mg/L，
15、美国定为0.05 mg/L。我国也在2000年暂行水质目标中，增加了铝的标准值为0.2mg/L。我国部分水厂的自来水铝含量的平均值约为0.29mg/L ，其偏高的原因可能与药剂的质量及絮凝过程不完善有关，导致部分铝以氢氧化铝微粒存于水中。,可采用如下方法降低自来水中铝的含量： (1)开发和采用能减少铝投加量的复合铝盐，例如使用复合聚氯化铝，可在同等药耗条件下减少铝投加量； (2)通过添加无毒的高分子絮凝剂； (3)以新型的无铝絮凝剂代替单铝盐、复铝盐或聚铝盐。铁盐比铝盐的凝聚沉降速度快，沉渣量少，pH值适用范围广。如果能解决铁盐腐蚀较强和造色的问题，以铁盐代替铝盐是可行的。优质聚合硅酸铁被认为
16、是有应用前景的药剂； (4)改进凝聚沉淀技术。应根据实际情况，改进凝聚的工艺和技术，尤其要注意选择适宜的药剂和合理的搅拌速度和时间，促进絮体长大，通过强化凝聚来降低出水中残留铝的含量。,7.4 铁盐,铁盐形成的矾花密度和强度较大，净水效果显著，受水温影响小，pH值适用范围广，价格便宜，对某些原水(硬水)有较好的处理效果。但铁盐腐蚀性强对设备要求高，且铁盐絮凝剂中Fe2+与水中腐殖质等有机物可形成水溶性污物，造成自来水带色，故而南方水厂一般不直接使用。 聚合硫酸铁(PFS)是一种性能优越的无机高分子絮凝剂，它是在硫酸铁分子簇的网络结构中引入了羟基，以OH-架桥形成核络离子。PFS具有一些突出特点：如优良的凝聚性能，絮体沉降速度快，有较强的去除水中BOD、COD及重金属的能力，能降低亚硝氮和铁的含量。,新近研究成功的聚氯硫酸铁(PFCS)以硫酸-盐酸混酸溶解废钢渣的溶出液为原料制成，其成本低，与聚合氯化铝(PAC)相比，相同水质的处理成本可降低30%左右。 近10年来，我国以煤矸石、铁矿石等为原料制取聚合氯化铝铁(PAFC)，它兼有铁盐和铝盐的特性，反应速度快
