给水处理混凝12节

给水处理天津大学环境工程系常规给水处理工艺——澄清、消毒浊度：悬浮物——较大悬浮物去除：上浮或下沉微小悬浮物沉速小例：d=1um颗粒沉速：20h/10cm胶体粒子——因胶体稳定性而长期悬浮水中。地表水混凝沉淀过滤5～15NTU消毒＜1NTU用户？第十五章混凝工艺：投药、凝聚、絮凝（混合、反应）研究内容（三个方面）：1)水中胶体粒子的性质2)混凝剂在水中的水解物种3)胶体粒子与混凝剂之间的相互作用混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。（投药——大絮凝体）第一节混凝机理一、胶体的稳定性胶体的稳定性：胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力；胶体颗粒之间不能相互聚集的特性。静电斥力和水化膜是其发生的主要因素。沉降稳定性：聚集稳定性：一、水中胶体稳定性1.微粒的布朗运动G。。。。。。布朗运动是胶体稳定的一个因素布朗运动又是胶体不稳定的因素。。。。H2SiO32H++SiO32--胶体双电层结构示意图3+++++++++-++++---++-+-+--+++++-+-++-SiOSiO2++--+++--+-++HSiO++-+--++++++--+++-+++++++3+-+-++-+++++--+-+-+-+-Co-溶液中离子浓度-++--+++-+--+-+-+=++++++++++++++++++++++2.静电斥力①胶体的带电性反离子双电层特点：1）反离子浓度不均2）反离子吸附强度不同一.水中胶体稳定性-胶体双电层结构示意图自由反离子3+++++++滑动面吸附层++-++++---++-+-δd+--+++++-+--++扩散层-SiOSiO2胶核胶粒++--+++--+-++HSiO++-+--++++++--+++-+++++++=3+-+-++-+++++--+胶团-+-+-+-束缚反离子Co-溶液中离子浓度1.微粒布朗运动胶粒-+-++++++总电位-ξ电位电泳：υ电泳∝ξ-胶体双电层电位曲线自由反离子3+++++++滑动面吸附层++-++++---++-+-ξδφd+--+++++-+--++扩散层-SiOSiO2胶核胶粒++--+++--+-++HSiO++-+--++++++--+++-+++++++=3+-+-++-+++++--+胶团-+-+-+-束缚反离子总电位-电动电位1）总电位φ—胶核表面带电2）ξ电位—电动电位胶粒间的静电斥力结论：1）胶核带电愈多，总电位φ愈大。2）ξ电位表示颗粒间静电斥力的大小。d愈大,ξ愈大，F愈大。F（静电斥力）F的大小与ξ电位有关，ξ电位愈大，F愈大；ξ电位的大小与扩散层厚度有关，d愈大,ξ愈大。-胶体双电层结构示意图自由反离子3+++++++滑动面吸附层++-++++---++-+-δd+--+++++-+--++扩散层-SiOSiO2胶核胶粒++--+++--+-++HSiO++-+--++++++--+++-+++++++=3+-+-++-+++++--+胶团-+-+-+-束缚反离子Co-溶液中离子浓度2.DLVO理论斥力：F∝1/X2ER∝K1e-K2x德加根（Derjaguin)、兰道（Landon)、伏维（Verwey)和奥贝克（Overbeek)各自从胶粒之间相互作用能的角度阐明胶粒相互作用理论，简称DLVO理论。引力：EA∝1/X2布朗：Eb=1.5KT假若:EbEmax凝聚实际：Eb《Emax分散间距X0相互作用势能与颗粒间关系排斥势能ERER间距X0吸引势能相互作用势能与颗粒间关系排斥势能EREAEREA间距Xb0吸引势能相互作用势能与颗粒间关系排斥势能acEmax,EREAERE势能EA能峰K:波尔兹曼常数T:绝对温标DLVO理论布朗运动范德华力颗粒接近扩散层重叠分散稳定Eb+EAER静电斥力分离浑浊-++++++++---+-+-+--++--+-++--++-+-+++--++++-++-+++++-+++-++++--+-+--+--+--+-+-++++++++++++-+---+++--+-+----+++-++---+-++-+++--+-+亲水胶体水化膜++-++--+++--+++-++-+--+-++++-++---+++-+-++-+-++++--+++-++-+--++---+-+-+--+++++-+--+--+++-+-++-+--++-+-++++++++-3.水化膜⑴憎水胶体⑵亲水胶体稳定亲合性ξ愈大，水化膜作用越大ξ水化膜稳定-憎水胶体水化膜+++++++++-++---+-+-+--++--+-++--++--+-++++-+-+++++-++-+++++++-+++-++++--+-+--+--++--+-+-++++++++++++++++++++++---+--+--+++++--++-+--+--++++--+++---+--++---憎水胶体水化膜+++++++++-++---+-+-+--++--+-++--++--+-++++-+-+++++-++-+++++++-+++-++++--+-+--+--++--+-+-++++++++++++++++++++++---+--+--+++++--++-+--+--++++--+++---+--++--极性基团胶体的稳定性结论①胶体状态取决于静电斥力、布朗运动、范德华引力的相对大小；②静电斥力稳定③颗粒凝聚ξ减小水化膜间距Xb0吸引势能相互作用势能与颗粒间关系排斥势能acEmax,EREAERE势能EA布朗：Eb=1.5KT二、硫酸铝在水中的化学反应AL2(SO4)·18H2O水合铝离子羟基铝离子水解反应：[AL(H2O)6]3++H2O[AL(OH)(H2O)5]2++H3O+[AL(OH)(H2O)5]2++H2O[AL(OH)2(H2O)4]++H3O+[AL(OH)2(H2O)4]++H2O[AL(OH)3(H2O)3]+H3O+[AL(H2O)6]3+二、硫酸铝在水中的化学反应聚合反应：2[AL(OH)(H2O)5]2+[(H2O)4─ALAL─(H2O)4]4++2H2OOHOHn[AL(OH)(H2O)5]2+[─AL─(H2O)4─AL─]2n++nH2OOHOHOHOH[AL(OH)3(H2O)3]n水解羟基架桥铝离子水解产物及含量pH3AL3+4pH5[AL13(OH)32]7+[AL(OH)2]+[AL2(OH)2]4+（一般投量）[AL3(OH)4]5+（一般投量）6.5pH7.5[AL(OH)3]n↓pH8.5[AL(OH)4]-pH、投药量、水温影响水解生成物铝水解产物[ALX(OH)y](3x-y)+相对含量铝总浓度0.1mol/L,水温25OC铝总浓度10-5mol/L,水温25OC三、混凝机理1、电性中和①压缩双电层投电解质临界电位：ξk=ξEmax=0等电状态：ξ=0C扩C吸ξ脱稳-胶体双电层结构示意图自由反离子3+++++++滑动面吸附层++-++++---++-+-δd+--+++++-+--++扩散层-SiOSiO2胶核胶粒++--+++--+-++HSiO++-+--++++++--+++-+++++++=3+-+-++-+++++--+胶团-+-+-+-束缚反离子Co-溶液中离子浓度浓度扩散异性相吸间距Xb0吸引势能相互作用势能与颗粒间关系排斥势能acEmax,EREAERE势能EA-+++++++++胶体等电状态++-ξφ+-++++++++++++---+-++++++SiO2++++++++-+-++-++δCoξ原扩散层边界CO↑临界电位间距Xb0吸引势能相互作用势能与颗粒间距关系未投加混凝剂时的势能曲线投加混凝剂后的势能曲线排斥势能acEmax,EREAEREREA临界电位：ξk=ξEmax=0三、混凝机理1、电性中和①压缩双电层投电解质CO临界电位：ξk:ξEmax=0等电状态：ξ=0C扩C吸ξ胶体脱稳-胶体双电层结构示意图自由反离子3+++++++滑动面吸附层++-++++---++-+-δd+--+++++-+--++扩散层-SiOSiO2胶核胶粒++--+++--+-++HSiO++-+--++++++--+++-+++++++=3+-+-++-+++++--+胶团-+-+-+-束缚反离子Co-溶液中离子浓度浓度扩散异性相吸间距Xb0吸引势能相互作用势能与颗粒间关系排斥势能acEmax,EREAERE势能EA-+++++++++胶体等电状态++-ξφ+-++++++++++++---+-++++++SiO2++++++++-+-++-++δCoξ原扩散层边界压缩双电层示意图++原扩散层边界+++++++-压缩双电层+δφ--++++-++-+++-+++++++-+d+++++-++++-+-+++++++-++-HSiO++++3-+++++++++--++SiO2+++++=3SiO++++++++-+-+++-++++++-+-+--+++++-+-+ξ（降低）Coξ叔采-哈代法则反离子价数越高，混凝剂投量越小[M]+:[M]2+:[M]3+=1:(1/2)6:(1/3)6压缩双电层作用机理解释港湾沉积现象。压缩双电层作用机理不能解释下列混凝现象：①混凝剂投量多，发生胶体变号、再稳；②投非反离子，也有好的混凝效果；③实际ξ0比ξ=0混凝效果更好。（2）吸附-电性中和异号物质：离子、带正电小胶粒、高分子带正电部位吸附作用：静电引力、范德华引力、氢键、共价键ξ胶粒异号物质吸附胶粒脱稳+++++++++++高分子吸附-电性中和中和吸附-电性中和与压缩双电层对比例：钠离子、十二烷基铵离子做脱稳实验Na+C12H25NH3+投量适中脱稳能力弱脱稳能力强投药过量胶体不变号胶体变号，再稳作用机理静电平衡静电、范德华引力、氢键、共价键吸附-电性中和解释胶粒变号、再稳现象高价电解质的吸附脱稳作用吸附强度：羟基铝离子分子量越大,吸附能力越强.[Al13O4(OH)24]7+[Al3(OH)4]5+吸附位多特点：分子量大的羟基铝优先吸附；分子量大的羟基铝置换分子量小者。[Al2(OH)2]4+例硫酸铝4pH5[AL2(OH)2]4+[AL3(OH)4]5+[AL13(OH)32]7+ξ胶粒脱稳吸附中和无机盐类混凝剂最佳投量效果投量最佳投量混凝剂最佳投量：脱稳=再稳：效果不变脱稳＜再稳：效果下降2.吸附架桥高分子特点：链状，线性结构；具有吸附性(共价键、氢键、范德华力）。与电性中和不同点：胶粒不必脱稳；高分子链长颗粒之间距离。注意:投量间距Xb0吸引势能相互作用势能与颗粒间关系排斥势能acEmax,EREAERE势能EA吸附包卷胶体保护高分子混凝剂的混凝作用阳离子型，R-A+（带正电基团）——吸附架桥、吸附-电性中和阴离子型,R-A-（带负电基团）——吸附架桥解释投非反离子压缩双电层作用机理不能解释下列混凝现象：①混凝剂投量多，发生胶体变号、再稳；②投非反离子，也有好的混凝效果；③实际ξ0比ξ=0混凝效果更好。3.沉淀物的卷扫（网捕作用）当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，可以网捕、卷扫水中胶粒以至产生沉淀分离，称卷扫或网捕作用——基本上是一种机械作用。混凝剂量与原水杂质含量成反比，即原水胶体杂质含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。电性中和与吸附架桥作用比较工艺电性中和吸附架桥投药投反离子投高分子混合要求脱稳（快速）不必脱稳絮凝搅拌强度从大变小搅拌强度从大变小[Al13O4(OH)24]7+长度不能架桥破碎再吸附硫酸铝混凝特点投药控制pH：6.5-7.5，假如pH6.5-7.5，加碱校核:原水pH碱度压缩双电层吸附-电性中和吸附架桥，效果好pH3AL3+4pH5[AL2(OH)2]4+[AL3(OH)4]5+6.5pH7.5[AL(OH)3]nHCO3-+H+CO2+H2OAl3++H2O(AlOH)2++H+硫酸铝混凝特点投药快速混合水解微絮粒絮凝体再稳网捕[Al2