第二章 混凝作用机理

第二章混凝的作用机理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。混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。2.1水中胶体的稳定性胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。与水和废水泥凝处理有关的胶体粒子的主要性质，就是它的稳定性。在一般情况下，由胶粒和水组成的胶体分散体系能长时间保持稳定。即使是粉径大干胶粒的细小物质(粒径在1-10um)，也不会在水和废水处理工艺允许的时间范围内自动沉淀下来。由Stokes方程可知，粒子的沉降速度与其粒径平方成正比，因而粒径愈小，沉降速度越慢。如果假定水中胶体粒子为球形质点，则其自然沉降速度可以用Stokes方程描述：2PtP118ugd胶体粒子的平均粒径—般为0．1um-1um，每小时自然沉降距离仅为10-2cm到l0-4cm。考虑到胶体分散系统本身所受到的不可避免的扰动，这样的沉降速度实际上不能使胶粒沉降下来。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”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：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。2.1.1胶体的双电层结构胶体颗粒表面带有电荷的过程或途径：1.胶体颗粒结晶中的晶格取代使胶体表面产生电荷。2.胶体颗粒表面某些化学集团在水中电离使胶体带电。3.胶体颗粒表面与水作用后溶解并电离使胶体带电。4.胶体颗粒对水中某些离子的吸附使胶体带电。1.胶体粒子的结构AgIK+I－碘化银胶团示意图（KI过量）以AgI的水溶胶为例。固体粒子AgI称为“胶核”。若稳定剂是KI，则胶核吸附I－带负电，反号离子K+一部分进入紧密层，另一部分在扩散层。胶核与紧密层的反号离子构成“胶粒”。溶胶中的独立运动单位是胶粒，胶粒与扩散层离子构成“胶团”。可用下式表示：胶团胶粒胶核KK)(I)AgI(xxnnxm紧密层扩散层（1）整个胶团是电中性的。（2）胶粒电荷的符号取决于被吸附离子的符号，胶粒带电的多少由被吸附离子与紧密层反号离子电荷之差（n-x）来决定。2.胶体粒子的双电层结构粒子的相反电荷离子是由紧密层和扩散层两部分组成。紧密层中的反号离子被束缚在胶体粒子周围，扩散层中的反号离子虽受胶体粒子的静电引力的影响，但可脱离胶体粒子而移动。（设粒子荷负电）+++++++++++++紧密层扩散层电势双电层示意图0：固体表面和液体内部的总的电位差+++++++++++++紧密层扩散层电势0动电位（电势）:紧密层的外界面与本体溶液之间的电势差。电势决定着胶体粒子在电场中的运动速度。dd´0bb'电解质对电势的影响当电解质浓度增加到一定程度时，扩散厚度变零，电势也变为零。这就是胶体电泳的速度会随着电解质浓度的加大而变小，甚至变为零的原因。电势对其它离子十分敏感，外加电解质的变化会引起电势的显著变化。因为外加电解质浓度加大时，会使进入紧密层的反号离子增加，使得粒子外界面与溶液本体的电势差减小，即电势下降，从而使双电层变薄。图6-2相互作用势能与颗粒距离关系（a)双电层重叠；(b)势能变化曲线rrEmaxEa0c(a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x2.1.2胶粒之间的相互作用-DLVO理论从总势能图上可以看出，吸附势能只是在两个胶体颗粒距离很短时起作用，排斥势能则作用稍远些。两个胶体颗粒处于不同距离时，总势能可能有以下几种情况：当两胶体颗粒间距很小趋近于0时，EA趋近于∞，ER增加接近于一个常数，此时EA大于ER，ET未负值，表现为两个胶体颗粒吸引聚集；当两个胶体颗粒间距很远时，EA和ER均趋近于0，ET趋近于0，此时胶体颗粒仅受热运动和溶剂化的作用影响；当两胶体颗粒的间距与双电层的厚度在同一个数量级时，ER可能会大于EA，ET为正值，总势能曲线上出现一极大值，即为势垒，若势垒总够高胶体颗粒的热运动无法克服势垒的阻碍，则交替颗粒保持稳定，不能聚沉。2.2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，见图6-4。（1）压缩双电层加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使ξ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，即：凝聚能力离子价数6。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：①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②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。滑动面负离子原有正离子投加的正离子（1）距离距离（2）滑动面电位ΦΦ（-）δδⅠⅡⅢⅠδΦ（-）电位Φ滑动面距离ⅡⅢδδ（3）图6-4压缩双电层和吸附-电中和作用（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。2．吸附架桥吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图6-5。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图6-6；3．网捕或卷扫金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。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。胶粒高分子胶粒高分子排斥排斥胶粒高分子图6-5架桥模型示意图6-6胶体保护示意