华北理工水质工程学Ⅰ课件15混凝

第15章混凝将不易沉淀的胶体和微粒，用混凝剂进行混凝；形成较大的矾花，再进行沉淀处理，使其由水中去除。`15-1混凝机理1、混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。凝聚：水中胶体失去稳定性的过程混凝：（脱稳）。絮凝：脱稳胶体相互聚集的过程。一、水中胶体的稳定性：1、胶体稳定：凡沉降速度十分缓慢的胶体粒子及微小悬浮物，均认为是稳定的。实验：1μm的粘土沉1㎝需2h左右0.1μm沉1cm需86h1nm沉1cm需100年(计算)主要是由于布朗运动对微小粒子沉淀的影响。动力学稳定：颗粒布朗运动对抗重力2、胶体稳定性分类影响的能力。聚集稳定：胶体粒子间因表面同性电荷相斥或水化膜的阻碍作胶体相互聚结的三个不利条件。用大于聚集作用，而使胶粒不能相互聚集的特性。在物理化学中已讲了胶体的带电性。固定层胶粒胶团①双电层理论：呈现电性的是滑动面中的胶粒。天然水中胶体一般带负电。包括：粘土、细菌、病毒、藻类、腐植物等都呈现胶体性质。②由于ζ电位的存在，胶粒不能聚集。粘土ζ=-15～-40mv；细菌ζ=-30～-70mv；藻类ζ=-10～-15mv。检测电位：可用电泳法和激光多普勒电泳法。4DEuVDEu41094u－电泳速度(㎝/s)／s）D—介质的介电常数—介质粘度ρ（泊）E—电场强度（v/cm）静电系电势单位E（ν/㎝）1E（ν/㎝）=300ν故上式×9×104Vζ—电动电势（V）。VDEu41094这就是胶团稳定的原因。③两个胶团的相互作用力与距离的关系：存在的力：范德华引力静电斥力DLVO理论:(Derjagnn)(landon)(Verwey)(Overbeek)认为当双电层发一重叠时ⅰ产生静电斥力与X有关:用排斥势能Er表示,Er随X增大按指数关系减小。ⅱ存在范德华引力X有关:用吸引势能EA表示,EA与X的二次方成反比。ⅲ总势能：E=Er+EA当X=oa～oc间时，斥能占优势;当X=ob时，Emax（斥能能峰）最大;当Xoa时,吸引势能占优势,产生聚集。当Xoc时,不能突破排斥能峰,不产生聚集。布朗动力↗沉淀←聚凝←布朗动力克服Emax←Emax↘DLVO理论与Schulze-Hardy(叔采-哈迪)理论是一致的。ⅳ水化膜作用：某些亲水胶体表面的水化作用是阻止聚集的主要因素。水是极性分子，颗粒表面的极性基团对水分子有强烈的吸附作用，使颗粒周围包裹一层水化膜。水化膜阻碍胶粒相互靠近→使范氏力不能造成颗粒聚集：某些亲水胶体的稳定主要是水化膜作用。二、硫酸铝（铝矾）在水中的化学反应：Al2(SO4)3·18H2O→Al3++0H－→许多种氢氧化铝离子或氢氧化铝分子及水的配合物等。是一个复杂的过程。仅单核的平衡常数。各种产物的多寡与浓度、水温和PH有着直接的关系。CTAl3+=0.1M以〔Al13O4(OH)24〕7+为主PH=5.0CTAl3+=10－5M则〔Al13O4(OH)24〕7+很少。酸性水中PH=4～5时：则以多核羟基配合物为主。〔Al2(OH)2〕4+；〔Al2(OH)2〕5+；〔Al13O4(OH)24〕7+中性水PH=6.5～7.5：以Al(OH)3为主。碱性水PH8.5：以负离子态为主，〔Al(OH)4〕－许多问题还没有搞清！三、混凝机理：电性中和哪一种作用为主，则由混凝剂的种类、投加三种作用吸附架桥量、胶体性质及浓度、PH值等所决定，现阶段卷扫仅是定性解释，正在发展定量解释。（一）电性中和：消减ζ电位，消除能峰Emax。方法：向水中投加电解质，溶解出带正电荷的离子。→带负电的胶粒吸引水中更多的正离（Na+Ca2+Al3+等）使胶粒的双电层得到压缩—压缩双电层理论。使胶体呈现电中性—称为电性中和。1、临界电位ζk—排斥能峰Emax=0时的滑动面电位。2、电性中和后的胶体不再有排斥作用（脱稳）在布朗运动的作用下，相互碰撞形成大颗粒悬浮物。3所谓压缩双电层：就是水中增加的带正电荷的离子由于胶体的电性吸引和离子的扩散作用，使胶体的扩散层和吸附层的电位得到了“压缩”,应该说是“降低”。问题：压缩双电层理论：认为是由电性吸引和离子扩散的作用，其最多达到电中性。这是与事实相矛盾的。电性中和理论：认为主要由范氏力、氢键、共价键，吸引和吸附相反电荷使胶体呈现电中性，如果加药过多，可使胶体达到电性反号。4、不同价数电解质的功效：Shoulze-Hardy（叔采——哈迪）法则：与胶体电号相反的离子之价数，对胶体稳定性起主要作用。某种胶体的絮凝电解质其临界絮凝浓度，主要决定于反粒子的价数。所以，高价电解质压缩双电层的效果远比低价电解质有效。“脱稳”所需正离子的浓度比：663231:21:1::MMM（1）加电解质，吸附模式。（2）吸附使ζ电位降低。ζk示意图。（3）吸附过量，使ζ电位降低成反号。5、电解质投量过多的效果：→胶体重新稳定并带相反电荷。由于胶粒对正离子的过多吸引（吸引包括静电力、范氏力、氢键、共价键等）使胶粒带正电重新稳定。滑动面内正离子带电量大于胶粒所带负电荷。胶粒带正电。问题：仅〔Al(H2O)6〕3+能压缩双电层，当PH3时，才出现〔Al(H2O)6〕3水处理中常是在PH3下运行。还有其它作用。6、吸附作用（理论）：分子量越大→吸附作用越强水处理PH3吸附能力〔Al13O4(OH)24〕7+〔Al3(OH)4〕5+〔Al2(OH)2〕4+原因：电价高，但主要是分子量大。所以我们称：“吸附——电性中和”。（二）吸附架桥：（絮凝）是高分子混凝剂。主要是由链状高分子的吸附作用。（1）当投量适量时，高分子与多个胶体吸附形成大颗粒的悬浮物。（2）当高分子投量过多时，胶粒周围均被高分子吸附形成高分子覆盖层，这个覆盖层阻碍胶粒碰撞凝聚。电性斥力（带电高分子）使胶粒具有斥力水化膜（3）最佳投量：既把胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的胶粒不易脱落。吸附理论认为胶粒表面由高分子覆盖1/2时絮凝效果最好。但现无测定。由试验确定。（4）高分子混凝剂：要求具有相当大数目（高分子尺寸）及形成链状。铝盐水解产物：〔Al(OH)3〕n(水中性的产物)有可能起架桥作用（目前有争议）。有机高分子絮凝剂：聚丙稀酰胺等，（以后讲）（三）网捕或卷扫混凝剂投量很大时，形成大量的氢氧化物（铝、铁）沉淀，这些沉淀物有机械的网捕、卷扫作用，去除水中的颗粒。如铝盐的投量与水的剩余浊度的关系复稳的颗粒剩余浊度稳定的颗粒失稳的颗粒矾花扫除区lg铝矾剂量最佳铝矾剂量(1)在低浊水处理中，常用网捕卷扫区。(2)高浊水处理应用最佳铝矾投配量。(3)网捕特点：混凝剂用量多，易控制。（四）分析:1铝矾:（1）由PH值决定各种络合离子所占的比例不同。PH值离子态作用备注PH3〔Al2(HO)6〕3+压缩双电层给水处理中少见简单水合铝离子PH=4.5～6.0〔Al13O4(OH)24〕7+电性矾花较〔Al(OH)4〕5+中和密实多核羟基配合物PH=7～7.5〔Al(OH)3〕n吸附架桥作用电中性羟基配合物电性中和（2）、铝矾投量的区别：对天然水而言PH=6.5～7.8投量作用现象少电性中和高浊水胶体聚沉略有增加电性中和高浊水胶体聚沉吸附架桥加大量胶体电荷变号再稳（复稳）无聚沉投量大网捕、扫除Al(OH)3沉淀去除胶体颗粒在一定PH下，几种作用都可能出现，但程度不同。2、高分子絮凝剂：（1）阳离子型高分子混凝剂作用：对负电荷胶体，电性中和，吸附架桥，絮体较密实。（2）非离子型、阴离子型混凝剂作用：对负电荷胶体，吸附架桥作用。（3）投量过多：使胶体“复稳”。15-2混凝剂和助凝剂一、混凝剂：1、基本要求：混凝效果好；对人身体健康无害；使用方便，货源充足，价格低廉。2、分类：铝盐无机铁盐天然：藻酸钠、骨胶、明胶有机（使用极少）人工合成：聚丙烯酰胺(PAM）聚氧化乙烯（PEO）（一）无机混凝剂：1、铝系：（聚合铝）（1）聚合氧化铝（PAC）又叫碱式氯化铝、羟基氯化铝〔Al2(OH)nCl6-n〕m（2）聚合硫酸铝（PAS）一般：n=1～5m≤10作用：电性中和，吸附架桥在投入水中之前的制备阶段，已发生水解聚合。碱化度B（盐基度）：OH与Al的摩尔数之比（OH根实际量与应有量的比）（摩尔浓度比）优质的聚合铝B=50%～80%（2）聚合硫酸铝：〔Al2(OH)n(SO4)3-n/2〕m(SO4)2-的混凝作用：架桥作用，把单铝水解产物桥联起来，促进铝的水解聚合反应。生产上还没有广泛应用。%100][3][AlOHB2、硫酸铝：Al2(SO4)3·18H2O铝矾Al2(SO4)3·14H2O明矾KAl(SO4)3·12H2O钾矾NH4（AlSO4）2·12H2O铵矾（铁系）3、三氯化铁：FeCl3·6H2O腐蚀管道，特点：PH适用范围宽，吸水性强，不易保管。4、硫酸亚铁：FeSO4·7H2O（绿矾）水解出2价铁离子，混凝效果不如三氯化铁。使用时，可将Fe2+氧化成Fe3+氧化剂可用Cl2和O25、聚合铁：（1）聚合硫酸铁（PFS）〔Fe2(OH)n(SO4)3-n/2〕m（2）聚合氯化铁（PFC）〔Fe(OH)nCl6-n〕m（二）有机高分子混凝剂有阳离子型、阴离子型、两性型、非离子型。1、聚丙烯酰胺（PAM）〔-CH2-CH-〕nCONH2聚合度n可达20000～90000靠酰胺基和胶体（氢键）螯和，酰胺由于氢键作用自身也螯和成一体，不利于工作。在碱性溶液中（PH10）进行部分水解生成阴离子型聚合物。水解过程：〔—CH2—CH—〕m+nH2OCONH2⇌〔—CH2—CH—〕n〔—CH2—CH—〕m-n+nNH3COOH(羧基)CONH2羧基电离：—COOH⇌—COO－+H+由于同电相斥，所以可以把絮凝剂申展开。水解度：酰胺基转变成羧基的百分数，称为水解度。生产实践证明：30~40%水解度，絮凝效果好。2、阳离子型（聚丙烯酰胺及其衍生物）带有氨基（－NH3+），亚氨基（－CN2－NH2+－CH2—）等带正电基团。与水中带负电的胶体絮凝，效果较好。特点：价高，使用较少。3、毒性：单体丙烯酰胺有毒性，生活饮用水不适应。有国家规定：单体丙烯酰胺残留量不超0.2%或0.05%。二、助凝剂：辅助提高混凝效果的药剂。（一）作用：（1）改善混凝条件，起调节作用（如PH值）（加Cl2消除有机物干扰）（2）改善絮凝体结构。（二）常用的助凝剂1、PH调节：各种酸：H2SO4、HCl、CO2各种碱：Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3硅酸钠：Na2O·nSiO2·xH2O铝酸钠：NaAlO22、絮体加重剂：膨润土Al2O3·nSiO碳黑C高岭土Al2O3·2SiO2·2H2O酸性白土Al2O3·nSiO2水泥粉末CaO·Al2O3·SiO2粉煤灰Al2O3+SiO23、絮凝体形成助剂：活化硅酸xSiO2海藻酸钠（C5H7O4·CONa）n4、水厂常用的：骨胶、聚丙烯酰胺及水解产物、活化硅酸、海藻酸钠15-3混凝动力学是研究混凝速度，与相关条件关系的学问。1、颗粒凝聚的条件：颗粒相互碰撞（布朗运动和水紊动）颗粒相互吸附（脱稳）2、碰撞动力：（1）布朗运动：异向絮凝（Perikineticflocculation）：由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集。（2）流体运动：同向絮凝（Orthokineticflocculation）：由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集。一、异向絮凝:1、絮凝的过程：使颗粒的数量浓度减少。而颗粒的质量浓度不变。只是许多小颗粒凝聚成少量的大颗粒。`2、颗粒碰撞速率（NP）：可据Fick（费克）定律导出。NP—单位体积中的颗粒在异向絮凝中的碰撞速率，次/cm3·sn—颗粒的数量浓度，个/cm3d—颗粒的直径，cmDB—布朗运动扩散系数，c