11混凝

混凝混凝机理混凝剂和助凝剂混凝动力学影响因素混凝过程混凝设备混凝的历史及其地位沉淀池絮凝池混合池过滤池原水投药消毒后出水传统工艺处理流程Cl2Cl2DBPsDBPs混凝技术大概起源于古埃及。最初使用混凝剂的人们并没有混凝的概念，但已付诸实践。混凝剂：一些天然的成分，包括天然的矿物盐和植物提取物。在公元前十六世纪，就有用甜扁桃汁作混凝剂的记载。埃及人、罗马人、希腊人已经知道明矾的混凝性能。在中国，春秋战国时期就使用明矾净水。1827年第一次试验使用硫酸铝作混凝剂进行净水试验标志着混凝方法成为水处理技术。1884年美国人Hyatt取得滤池处理水以硫酸铝预处理的专利权。1880～1890年在水处理的实践中系统地采用硫酸铝和硫酸铁；并进行了混凝工艺可行性研究。在十九世纪中期乃至晚期，生物源导致的极性水致疾病在美国依然盛行。到1870年后，仿效欧洲的经验，Massachusetts引进了慢速砂滤，改善了水质的感观。1890年后，Louisville一家供水公司，Louisville，Ky.，把混凝和快速砂滤联合使用，显著降低了水中的浊度和细菌数。此类研究更新了水处理过程的认识，显示了预处理在水处理中的重要性,标志着现代典型给水处理工艺的形成。混凝过程的研究贯穿于胶体与界面科学、水质科学的历史发展进程之中。对于胶体稳定与解稳的研究构成胶体科学领域的一个重要内容，连同胶体自身性质的研究一起成为胶体科学发展的两大支柱。近几十年来，混凝技术领域研究在各方面均取得了较大的成果，呈现出十分活跃的发展趋势，并面临着突破性进展。其主要研究内容可以粗略地归纳为三个方面，即混凝化学原水水质化学、混凝剂化学、混凝过程化学混凝物理混凝动力学与形态学混凝工艺学包括混凝反应器与混凝过程监控技术。混凝化学混凝化学研究所取得的成果使人们得以从分子水平探讨混凝过程及混凝剂自身化学形态（包括溶液化学、颗粒与表面形态）的分布与转化规律，推动了混凝剂的分子设计、科学选择及混凝工艺方案的优化设计。混凝剂经历了矿物盐混凝剂、无机高分子混凝剂、有机高分子混凝剂等阶段。混凝物理混凝物理的研究使人们对不同碰撞聚集作用机制下如布朗运动、流体剪切、差速沉降等颗粒物之间的动力学反应过程有了更为深刻的认识，提供了混凝反应器及最优（优化）与强化混凝工艺设计基础。混凝工艺学各种监测技术的发明与应用，使得混凝过程得到有效的监控并趋向自动化发展。在此基础上，对投药监控的研究提出了若干定量计算模式并应用于工程实践，推动着混凝理论研究的发展。混凝机理混凝凝聚、絮凝、混凝水中胶体的稳定性硫酸铝在水中的化学反应混凝机理胶粒的形状聚苯乙烯胶乳(球形)V2O5溶胶(带状)Fe(OH)3溶胶(丝状)胶体的特性1、光学性质：在水溶液中能引起光的反射和折射2、力学性质：布朗运动。3、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由能,胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。4、动电现象：包括电泳和电渗，二者都是由于外加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相与液相间产生的相对移动。5、胶体的稳定性电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向移动的现象。也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性固体的现象称为电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的,在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电。电泳与电渗水中胶体的稳定性胶体胶体稳定性指分散粒径在Inm－100nm之间的多相体系动力学稳定性聚集稳定性布朗运动悬浮在液体或气体中的微粒进行的永不停歇的无规则的折线运动分子热运动的必然结果胶体体系动力不稳定的因素之一布朗运动使粒子趋于均匀分布，阻止粒子因重力作用而下降胶体体系动力稳定的因素之一使胶粒互相碰撞，促使它们聚结变大聚集稳定性胶体粒子之间不能相互聚集的特性胶体性质决定其有相互聚集的倾向（粒子小、比表面大、表面能大）但由于表面带有同性电荷及水化膜阻碍聚集发生。可通过中和表面电荷或消除水化膜等方式，解除胶体的聚集稳定性，使之聚集长大，从而破坏其动力学稳定性，发生沉淀。对于憎水胶体，聚集稳定性主要决定于胶体表面的动电位即ζ电位。ζ电位胶体滑动面上的电位。参考胶体结构胶团的结构胶团胶粒扩散层胶核紧密层胶团的结构表达式·xK+胶粒（带负电）胶团（电中性）例1：AgNO3+KI（KI过量稳定剂）胶核滑动面扩散层紧密层KNO3+AgI↓(AgI)mnI–·(n-x)K+[]x–胶粒表面带电的原因：①电离②吸附质点总是优先吸附与组成质点的化学元素相同的离子法扬斯规则扩散双电层理论平板型模型Helmholz1879年扩散双电层模型(Gouy1910年Chapman1913年)电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Ψ电位胶体的结构rrEmaxEa0c(a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x图3-2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①整个胶团呈电中性，(n－x)＋x＝n②胶粒为运动单位，胶粒荷电符号与胶核表面荷电符号相同③x-为滑动面所包围的带电体所荷之电量，x值决定ζ电势的大小c(电解质)↑(n－x)↑x↓ζ↓当x=0时ζ=0等电点状态④特性吸附或超载吸附吸附层中出现过多的异电粒子ζ电势将改变符号胶体的脱稳与凝聚基本概念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。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。return溶胶的聚沉憎液溶胶中分散相粒子相互聚结，颗粒变大，聚沉进而发生沉淀的现象电解质的聚沉作用①电解质中起聚沉作用的主要是与胶粒电荷相反的反号离子，反号离子价数越高，聚沉能力越大。──叔采－哈迪规则注：同电性离子的价数越高，电解质聚沉能力越低聚沉值使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大电解质的最小浓度。聚沉能力聚沉值的倒数高分子化合物保护和聚沉作用②保护作用敏化作用溶胶间的聚沉③强化电解质聚沉能力±混凝＝混和＋凝聚＋絮凝吸附混和电中和凝聚絮凝絮体、絮团投药分离颗粒物混凝剂絮凝剂n－+++++++++n－n－n－n－n－n－n+±±±+++混凝原理示意图铝的水化学反应特征硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝Al2（SO4）·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。32AlHO2()AlOHH1g5lK32717AlHO4717()17AlOHHg48.8lK321334AlHO51334()34AlOHHg97.4lK3()()SAlOH33AlOHg33solK324AlHO4()4AlOHHg23slK3222AlHO422()2AlOHHg6.3slK平衡表达式：Kxy==AlOHHAlxyxyyx33fffxyHyxHOyAl323(3)2()xyxyxAlyHOAlOHyH铝盐的水解pH4，水合铝络离子将发生一系列的逐级水解，释放氢离子导致水溶液pH降低硫酸铝的水解如：6AlAlAlAlOHOHOHOHOHOH硫酸铝的混凝不同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=4~5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；pH8以铝酸阴离子Al(OH)4-为主随着pH值的升高，可以形成一系列多核羟基配和物，也可以称为无机高分子聚合物。如：Al2(OH)24+,Al6(OH)153+,Al7(OH)124+,Al8(OH)204+,Al13(OH)325+等等。以上这些反应物可以看作是Al(Ⅲ)离子在水中经水解转化为氢氧化铝沉淀过程中出现的一系列动力学中间产物。聚合氯化铝(Al13)晶格AlO4Al12(OH)24(H2O)127+DiameternmAl132-3nmAggregates40-400nmSKLEAC这一过程可以看作是水解和聚合两个反应交替进行而构成的。水解反应的结果可降低水解形态的电荷，增多其羟基，因而为进一步聚合创造条件，而聚合的结果，使离子电荷增大，静电斥力阻碍进一步聚合，因而有待于发生进一步水解，如此交替进行，最后可达到难溶的氢氧化铝沉淀。铝水解缩聚反应及其生成物的组成取决于多种环境因素，其中最主要的是溶液pH和OH/Al比值。混凝机理压缩双电层电性中和吸附架桥卷扫作用混凝剂种类投加量胶体性质含量水质条件反离子的浓度在胶粒表面处大，并沿着胶粒表面向外呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等.当向溶液中投加电解质，溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度减小。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。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(排斥势能消失或减弱)，胶粒得以迅速凝聚。1、压缩双电层机理混凝机理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，减少厂静电斥力，降低下ξ电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时静电引力常是这些作用的主要方面。上面提到的三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以认为是胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象或称为复稳。2、吸附电中和电性中和---压缩双电层降低及消除排斥能峰，使胶粒通过布朗运动碰撞聚集分析吸引势能与电荷无关，主要取决于胶体物质种类、尺寸及密度。对一定水质，胶粒的这些特性不变。排斥势能峰的降低就是降低或消除胶粒的ζ电位。手段投加电解质压缩双电层等电状态ζ=0临界电位ζ=ζk电解质中起聚沉作用的主要是与胶粒电荷相反的反号离子，反号离子价数越高，聚沉能力越大。──叔采－哈迪规则同电性离子的价数越高，电解质聚沉能力越低吸附-电中和胶体粒子对异种电荷的吸附作用力静电力/范德华力等复稳现象压缩双电层---吸附电中和二者的关系共同起作用，不可截然分开吸附架桥吸附架桥胶体保护保护机制压缩变形引起的排斥势能电性排斥水膜保护阳离子、阴离子和中性高分子作用的区别吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥联的过程。当三价铝盐或铁盐及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解、缩聚反应形成高分子聚合物，具有线形结构;这类高分子可被胶粒强烈吸附。聚合物在胶粒表面的吸附来源于各种物理化学作用，如范德华引力、静电引力、氢键．配位键等，取决于聚合物同胶粒表面二者化学结构的特点。因其线形长度较大，当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐变大，形成粗大絮凝体。3、吸附架桥机理能解释当原水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象.当原水中胶粒少，聚合物伸展部分一端吸附一个胶较后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。在水处理中，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