第3章-混凝和絮凝

2020/6/181《水质工程学》WaterQualityEngineering第2篇物理、化学及物理化学处理工艺原理2020/6/182第3章凝聚和絮凝主要内容3.1胶体的稳定性3.2混凝机理3.3混凝剂3.4混凝动力学3.5混凝过程3.6混凝设施3.7混凝试验《水质工程学》2020/6/183概述混凝的起源最早广泛应用于选矿和污水处理。混凝的意义水中的胶体和悬浮颗粒是使水产生浑浊的主要原因，而且它们还是水中各种细菌、病毒、污染物的载体。下面以不同粒径微粒所需要的沉淀时间来看，混凝处理的必要性。2020/6/184概述杂质类型粒径沉降1m所需的时间悬浮物10mm砾砂1s1mm粗砂10s0.1mm细砂2.1min0.01mm泥1.83h1μm细菌183h胶体0.1μm765d0.01μm20a1nm200a1nm~1μm2020/6/185概述混凝的对象/作用水中的大颗粒可以通过重力沉淀法去除，但微小粒径的悬浮物和胶体能在水中长期保持分散悬浮状态，即使长期静置也不会自然沉降。混凝所处理的对象，主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。（天然水中胶体杂质通常是负电荷的，如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等）2020/6/186概述凝聚、絮凝和混凝混凝：是凝聚、絮凝两个过程的总称，是水中胶体粒子及微小悬浮物的聚集过程。凝聚：投加混凝剂后水中的胶体失去稳定性，胶体颗粒互相凝聚，结果形成众多的“小矾花”。絮凝：凝聚过程中形成的“小矾花”聚结成大的絮凝体的过程。凝聚与絮凝与水中胶体颗粒的性质、所投加的化学药剂的特性和胶体颗粒与化学药剂之间的相互作用有关。2020/6/187概述凝聚、絮凝和混凝混凝法：向水中投加混凝剂，使水中的微小悬浮物和胶体聚集成沉速较大的颗粒而沉淀去除的方法。2020/6/1883.1胶体的稳定性3.1.1胶体的双电层结构3.1.2胶体之间的相互作用3.1.3胶体的稳定性2020/6/1893.1胶体的稳定性分散相与分散体系（溶液）定义把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。其中：被分散的物质称为分散相（dispersedphase）；另一种物质称为分散介质（dispersingmedium）。如：盐水、糖水、溶液等。2020/6/18103.1胶体的稳定性分散相与分散体系（溶液）分散体系的分类按分散相离子的大小分类：分子分散体系胶体分散体系粗分散体系2020/6/18113.1胶体的稳定性均相分散体系（分子分散体系）分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半径大小在1nm以下。通常把这种体系称为真溶液，如CuSO4溶液。胶体分散体系（溶胶）分散相粒子的半径在1nm~100nm之间的体系。目测是均匀的，但实际是多相不均匀体系。也有的将1nm~1000nm之间的粒子归入胶体范畴。粗分散体系（悬浮液）当分散相离子大于100nm，目测是混浊不均匀体系，放置后会沉淀或分层，如黄河水。2020/6/18123.1胶体的稳定性根据胶体的化学性质，胶体分散体系还可分为：（1）亲液溶胶：分散相和分散介质之间有很好的亲和力、很强的溶剂化作用、固液间没有明显的相界面的胶体分散体系，如蛋白质、淀粉的水溶液。（2）憎液溶胶：分散相和分散介质之间亲和力较弱、固液间有明显的相界面的胶体分散体系，如粘土类胶体等2020/6/18133.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性胶体为什么带电？结晶中的晶格取代粘土颗粒由硅氧四面体和铝氧八面体交联而成。如果硅氧四面体中某个硅（四价）的位置被铝（三价）或者钙（二价）所代替，则胶体颗粒表面就产生了一个或两个负电荷。胶体表面的电荷符号和数量由胶体颗粒晶格中相互置换的原子种类和数量所决定。2020/6/18143.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性胶体为什么带电？表面化学基团在水中电离通常易解离的基团包括：羧基、磺酸基、羟基、胺基等。特殊情况—两性物质，如蛋白质既有羧基也有胺基，在酸性条件下胶体带正电，在碱性条件下胶体带负电。胶体表面的电荷符号和数量依赖于水相特性，特别是水的pH值。+-223-NH+HONH+OH-+-COOHCOO+H2020/6/18153.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性胶体为什么带电？表面与水作用后溶解并电离某些胶体颗粒表面与水分子发生反应后进一步电离产生阴离子，释放出阳离子到水中，而使胶体颗粒带上负电荷。以硅酸盐为例：2223SiO+HOHSiO+2-233HSiO2H+SiO2020/6/18163.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性胶体为什么带电？对水中某些离子的吸附由于胶粒粒度小，具有巨大的表面能，因此有吸附分散介质中的离子，以降低其表面能的趋势。FajansRule：具有与胶粒化学组成相同的离子优先被吸附。例：若AgNO3过量，则AgI胶粒吸附Ag+而带正电：若KI过量，则AgI胶粒吸附I-而带负电。注：通常阳离子的水化能力比阴离子大得多，因此水中胶粒容易吸附阴离子而带负电。33AgNO+KIAgI+KNO水化能力：又称水合能力，物质与水发生化合的能力，离子一般均以水化离子的形式存在2020/6/18173.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性表面阴阳离子如何排列？—胶体结构胶核由大量的分散相物质的分子或原子组成一个具有晶体结构的聚结体，称为胶核。胶粒胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电性的胶粒；胶团胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。2020/6/18183.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性表面阴阳离子如何排列？—胶体结构胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电。2020/6/18193.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性表面阴阳离子如何排列？—胶体结构几个离子电位形成离子：胶粒表面电荷的来源，其浓度直接影响胶体表面电势。束缚反离子：靠近胶体颗粒表面的反离子，能够通过静电作用与胶粒紧密吸附在一起并随胶粒移动。自由反离子：束缚反离子以外的反离子由于热运动和溶剂化作用有向溶液中扩散，而不随胶粒移动。2020/6/18203.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性表面阴阳离子如何排列？—胶体结构胶团的结构，例：以过量的KI作为稳定剂。33AgNO+KIAgI+KNOx--++m[AgI]nI(n-x)KxK滑动面胶核电位形成离子束缚反离子吸附层胶粒胶团双电层内层双电层外层扩散层自由反离子思考题：如果以过量的AgNO3作为稳定剂呢？2020/6/18213.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性表面阴阳离子如何排列？—胶体结构胶团的结构，例：以过量的AgNO3作为稳定剂。33AgNO+KIAgI+KNOx-+--m33[AgI]nAg(n-x)NOxNO滑动面胶核电位形成离子束缚反离子吸附层胶粒胶团双电层内层双电层外层扩散层自由反离子2020/6/18223.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性离子排列分布模型霍尔姆霍茨（Helmholtz）平板电容器模型1879年提出，简单地将胶体颗粒表面电荷排列成双电层的一层，而胶体颗粒通过静电吸引的反离子与之平行排列形成双电层的另一层，两层距离约等于离子半径。缺陷：不全面，很多现象和问题不能解释。2020/6/18233.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性离子排列分布模型古依-查普曼（Gouy-Chapman）模型考虑到溶液中的反离子受到静电引力和热扩散力两个相互对抗的力作用，不可能束缚在胶体颗粒表面附近排成一排，而是扩散地分布在胶体颗粒周围的介质中。由于静电引力的作用，胶体颗粒附近的反离子浓度最大，随着离胶体颗粒距离增加，静电引力逐渐减弱。优点：克服了霍尔姆霍茨平板电容器模型的缺点，区分了表面电势与ζ电位；很好地解释了ζ电位对离子浓度与价数十分敏感的实验现象。缺陷：与一些实验现象不符。2020/6/18243.1.1胶体的双电层结构3.1胶体的稳定性离子排列分布模型Stern（斯特恩）模型教材52页2020/6/1825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2020/6/18263.1.2胶体之间的相互作用3.1胶体的稳定性胶体的经典稳定理论—DLVO理论胶粒之间存在范德华吸引力，同时当胶粒相互靠近时，因双电层相互重叠而产生静电排斥力，吸引力和排斥力的相对大小将决定胶体颗粒是聚集沉降还是保持各自稳定分散在介质中。胶粒的带电、溶剂化作用及布朗运动是胶体三个重要的稳定原因。2020/6/18273.1.2胶体之间的相互作用3.1胶体的稳定性胶体的经典稳定理论—DLVO理论1941年由德查金（Drajaguin）和朗道（Landau）以及1948年维韦（Verwey）和奥弗比克（Overbeek）分别提出了带电胶粒的稳定理论，简称DLVO理论。排斥势能：—介电常数；—球形胶粒的半径；—倒数为双电层厚度；—胶团的总电位；—两球形胶粒表面间距；2-kxR1Eεae20εa0xk2020/6/18283.1.2胶体之间的相互作用3.1胶体的稳定性胶体的经典稳定理论—DLVO理论吸引势能：—Hamajer常数，与胶粒的性质有关；—两胶粒表面间距；—球形胶粒的半径。AAaE=-12xAxa2020/6/18293.1.2胶体之间的相互作用3.1胶体的稳定性胶体的经典稳定理论—DLVO理论用总势能对两胶粒表面间距作图，即可得到总势能曲线：总势能变化可能有三种情况：（1）当胶粒距离xoa或xoc时，吸引势能占优势；（2）当oaxoc时，排斥势能占优势；（3）当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。而胶体布朗运动的能量Eb=1.5kt，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒才能发生凝聚。其中k为波兹曼常数，T为温度。2020/6/18303.1.2胶体之间的相互作用3.1胶体的稳定性胶体的经典稳定理论—DLVO理论在常温条件下：（势垒）胶体距离xoa，凝聚；xoa，稳定。bmaxEE2020/6/18313.1.3胶体的稳定性3.1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的状态的特性。胶体稳定的原因动力学稳定性：胶体的粒径很小，布朗运动剧烈，布朗运动抵抗重力作用影响而使胶体长期悬浮于水中；带电稳定性：由于胶粒的带电现象，带相同电荷的胶体产生静电斥力，而且ζ电位越高，胶体间的静电斥力越大。只有当xoa时胶粒才会产生凝聚。溶剂化作用：由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜能阻止胶粒间相互接触。但是，水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。2020/6/18323.1.3胶体的稳定性3.1胶体的稳定性胶体脱稳可见，胶体粒子表面电荷或水化膜消除，便失去聚集稳定性，小颗粒便可相互聚集成大的颗粒，从而动力学稳定性也随之破坏，沉淀就会发生。因此，胶体稳定性关键在于消除胶体的ζ电位—带电稳定性。混凝处理即是要破坏胶体的稳定性，使胶体脱稳、聚集、沉淀析出。胶体的脱稳：胶粒因ζ电位的降低或消除，以致失去稳定性的过程。2020/6/18333.2混凝机理3.2.1胶体的凝聚机理3.2.2絮凝机理3.2.3影响混凝效果的主要因素2020/6/18343.2.1胶体的凝聚机理3.2混凝机理胶体的凝聚机理水中的凝聚现象比较复杂。直径尚未有统一认识。不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。使胶体脱稳的机理可以归结为以下四种：（1）压缩双电层（2）吸附—电性中和作用（3）吸附架桥作用（4）网捕与卷扫作用2020/6/18353.2.1胶体的凝聚机理3.2混凝机理胶体的凝聚机理