化学混凝原理

第九章化学混凝CoagulationandFlocculation第一节概述第一节概述一、混凝的作用废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，即使静置数十个小时也不会自然沉降。混凝所处理的对象，主要是水和废水中的微小悬浮物和胶体杂质。第一节概述二、凝聚、絮凝和混凝凝聚(coagulation)：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(flocculation)：凝聚过程中形成的“小矾花”通过吸附、卷带、架桥等作用，形成颗粒较大絮凝体的过程。混凝：是凝聚、絮凝两各过程的总称。是水中胶体粒子及微小悬浮物的聚集过程。第一节概述三、天然水中的胶体杂质通常是负电荷胶体，如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等。四、混凝的应用给水处理：混凝+沉淀，微絮凝+过滤废水处理：五、混凝的特点优点：设备简单，操作方便；便于间歇运行，效果好。缺点：运行费用高；沉渣量大，处置困难；第二节胶体的特性第二节胶体的特性一、胶体的基本特性(一)光学特性：指胶体在水溶液中能引起光的反射。(二)布朗运动:胶体为常见的分散体系之一。(三)表面特性：分散体系的分散度越大，胶体颗粒的比表面积越大，具有的表面自由能越大，使胶体可以产生特殊的吸附能力和溶解现象。(四)动电现象（电泳现象）：胶体具有带电性，在电场力作用下，胶体微粒向一个电极方向移动的现象。第二节胶体的特性二、胶体的结构胶核胶粒胶团吸附层扩散层第二节胶体的特性三、双电层理论中心称为胶核，其表面选择性地吸附了一层带有同号电荷的离子（可以是胶核的组成物直接电离产生的，也可以是从水中选择吸附的H+或OH-造成的），成为胶体的电位离子。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的异号离子，形成了所谓的“双电层”。胶核第二节胶体的特性这些异号离子，其中紧靠电位离子的部分被牢固的吸引着，当胶核运动时，它也随着一起运动，形成固定的离子层，称为吸附层。而其它的异号离子，距离电位离子较远，受到的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。吸附层与扩散层之间的交界面称为滑动面。胶核滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间有一个电位差，称为胶体的电动电位（ξ电位）。而胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位（φ电位，电位离子和反离子形成的总电位。）第二节胶体的特性胶体在水中受到几个方面的影响：（1）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ξ电位越高，胶体间的静电斥力越大。（2）受水分子热运动的撞击，使胶体在水中做不规则的布朗运动。（3）胶粒之间还存在着相互引力——范德华引力。范德华引力的大小与胶粒间距离的平方成反比，当间距较大时，可忽略不计。第二节胶体的特性一般水中的胶粒，ξ电位较高。其互相间斥力不仅与电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。由于胶粒带电，将极性水分于吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样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。第二节胶体的特性三、双电层理论受胶核电位离子的静电引力和反离子热运动的扩散作用、溶液对反离子的水化作用，反离子的浓度随与胶粒表面距离增加而逐渐减少，分布符合Boltzmann分布。第二节胶体的特性四、胶体的稳定性胶体的稳定性，指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。稳定因素静电斥力布朗运动水化作用不稳定因素范德华引力布朗运动重力作用胶体的稳定性（1）动力学稳定：是指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。粒子越小，动力学稳定性越高。（2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。胶体粒子小，比表面积大，故表面能大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向，但由于粒子表面同性电荷的排斥力作用或水化膜的的阻碍使这种自发聚集不能发生。（ξ电位导致）第二节胶体的特性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聚集稳定性。混凝处理即是要破坏胶体的聚集稳定性，使胶体脱稳、聚集、沉淀析出。第二节胶体的特性第二节胶体的特性五、胶体的类型(一)疏水性胶体（憎水性胶体）吸附层中的离子直接与胶核接触，水分子不能直接接触胶核。如氢氧化铝、二氧化硅在水中形成的胶体。(二)亲水性胶体胶核表面存在某些极性基团和水分子亲和力很大，使水分子直接吸附到胶核表面而形成一层水化膜的胶体。第三节混凝原理根据胶体的特性，在水处理中，采取措施破坏胶体的稳定性。采用的方法：投加电解质投加电荷不同或水化作用不同的胶体或产生此类胶体的电解质投加高分子物质接触凝聚上述投加的物质统称——混凝剂第三节混凝原理化学混凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。（一）双电层压缩机理（二）吸附电中和机理（三）吸附架桥机理（四）沉淀物网捕机理第三节混凝原理一、双电层压缩1、憎水性胶体当两个胶粒相互接近以至双电层发生重叠时，就产生静电斥力。向溶液中投加电解质，溶液中离子浓度增加，扩散层的厚度将从图上的oa减小到ob。加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力将部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。溶液中离子浓度低溶液中离子浓度高反离子浓度第三节混凝原理由于扩散层厚度的减小，ξ电位相应降低，胶粒间的相互排斥力也减少。由于扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引力变大。颗粒间排斥力与吸引力的合力由斥力为主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。两个胶粒能否相互凝聚，取决于二者的总势能。(1)水中离子浓度高最大排斥势能a吸引排斥颗粒间距合力fa-fb吸引(2)水中离子浓度低排斥颗粒间距DLVO理论第三节混凝原理根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相互碰撞聚集，需要降低其排斥势能，即降低或消除胶粒的ξ电位，在水中投加电解质即可达到此目的。对于水中的负电荷胶体，投入的电解质——混凝剂应是正电荷或聚合离子，如Na+、Ca2+、Al3+等，其作用是压缩胶体双电层——为保持胶体电性中和所要求的扩散层厚度。第三节混凝原理根据Schulze—Hardy法则：浓度相同的电解质破坏胶体稳定性的效力随离子价数的增加而加大。（高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低价电解质有效。）重新稳定现象:当混凝剂投量过多时，凝聚效果下降的现象。原因：胶体吸附电解质，表面电荷重新分布。2500~1500:50~20:1::32MMM第三节混凝原理2、亲水性胶体：水化作用是亲水性胶体聚集稳定性的主要原因。亲水性胶体虽然也存在双电层结构，但ξ电位对胶体稳定性的影响远小于水化膜的影响。第三节混凝原理二、吸附电中和机理异号胶粒间相互吸引达到电中和而凝聚；大胶粒吸附许多小胶粒或异号离子，ξ电位降低，吸引力使同号胶粒相互靠近发生凝聚。在水处理中，一般均投加高价电解质或聚合离子。再稳现象：过多投加多核络合离子，胶核的强烈吸附作用，使胶体重新带电（电荷异号），而出现的再稳现象。第三节混凝原理三、吸附架桥机理吸附架桥作用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连的现象。再稳现象→第三节混凝原理三、吸附架桥机理胶体再稳现象：（1）高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生“胶体保护”作用。（2）胶粒较少时，高分子聚合物的缠绕作用；（3）长时间的剧烈搅拌。第三节混凝原理四、沉淀物网捕机理当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作混凝剂时，当投加量很大形成大量的金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3或带金属碳酸盐(CaCO3)沉淀时，可以网捕、卷扫水中的胶粒，水中的胶粒以这些沉淀为核心产生沉淀。这基本上是一种机械作用。混凝剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，胶粒越多，金属混凝剂投加量越少。第三节混凝原理在混凝过程中，上述现象常不是单独存在的，往往同时存在，只是在一定情况下以某种现象为主。第三节混凝原理对于混凝剂而言，在废水处理时：（带负电胶体）（1）普通电解质只有压缩双电层和吸附电中和作用；（2）高分子物质A、阳离子型（带正电荷）聚合电解质，具有电中和作用和吸附架桥功能。B、非离子型（不带电荷）或阴离子型（带负电荷）聚合电解质，只能起吸附架桥作用。第四节混凝剂与助凝剂第四节混凝剂与助凝剂(一)混凝剂的分类第四节混凝剂与助凝剂(二)无机混凝剂传统无机混凝剂和无机高分子混凝剂。①铝盐硫酸铝（Al2(SO4)3•18H2O）明矾（K2SO4•Al2(SO4)3•24H2O）由于铝的比重小，在水温低的情况下，絮粒较轻而疏松，处理效果较差。pH有效范围较窄，在5.5-8之间。投加量大。第四节混凝剂与助凝剂(二)无机混凝剂以铝盐为例，介绍混凝的过程：在水中，Al3+以Al(OH)63+的形态存在，发生水解：[Al(H2O)6]3+==[Al(OH)(H2O)5]2++H+[Al(OH)(H2O)5]2+==[Al(OH)2(H2O)4]++H+[Al(OH)2(H2O)4]+==[Al(OH)3(H2O)3]↓+H+（1）pH≤4时，水中以[Al(H2O)6]3+为主；（2）pH4～5时，以[Al(OH)(H2O)5]2+、[Al(OH)2(H2O)4]+及少量的[Al(OH)3(H2O)3]；（3）pH7～8时，水中以[Al(OH)3(H2O)3]为主。（4）pH9时，水中产生Al(OH)3沉淀。水解过程第四节混凝剂与助凝剂单核络合物通OH-桥键缩聚成单核羟基络合物：[Al(H2O)6]3++[Al(OH)(H2O)5]2++≒[Al2(OH)(H2O)10]5++H2O两个单羟基络合物可缩合成双羟基双核络合物：OH2[Al(OH)(H2O)5]2+=[(H2O)4AlAl(H2O)4]4++2H2OOH生成物[Al2(OH)2(OH)8]4+还可进一步缩合成[Al3(OH)4(H2O)10]5+缩合产物同时也会发生水解反应：[Al3(OH)4(H2O)10]5+≒[Al3(OH)5(H2O)9]4++H+水解与缩聚两种反应交替进行，最终生成聚合度极大的中性氢氧化铝，浓度超过其溶解度时析出氢氧化铝沉淀。铝离子在水中化学反应的全过程第四节混凝剂与助凝剂Al3+在水中的存在状态和pH有关：在pH较低时，高电荷低聚合度的络合物占多数；在pH较高时，低电荷高聚合度的络合物占多数。其中：对于高电荷低聚合度的水解聚合物，主要起到压缩双电层和吸附架桥作用；对于低电荷高聚合度的水解聚合物，主要起到吸附架桥作用和沉淀网捕作用；对于高聚合度的水解沉淀物，以吸附、网捕、卷带作用为主。第四节混凝剂与助凝剂②铁盐三氯化铁（FeCl3•6H2O）硫酸亚铁（FeSO4•7H2O）生成的絮粒在水中的沉淀速度较快；处理浊度高、水温较低的废水，效果比较显著；FeCl3容易吸水潮解，故不易保管；腐蚀性强，对混凝土也产生腐蚀作用；生成Fe(OH)2它的溶解度很大，残留水中的Fe2+会使处理后的水带色，第四节混凝剂与助凝剂③无机高分子混凝剂聚合氯化铝(碱式氯化铝，简称PAC)化学通式为[Al2(OH)nCl6-n]m,式中n≤5，m≤10。制备：以铝灰或含铝矿物作原料，采用酸溶法或碱溶法加工制成的。[参考书：《碱式氯化铝》李润生]A对水质适应性较强，适用pH范围广，5-9之间；B絮凝体形成快，比重大，沉降性好；C投药量低。D碱化度较高，对设备的腐蚀性小，处理后的水pH和碱度下降较小。第四节混凝剂与助凝剂聚合硫酸铁(碱式硫酸铁)(简写PFS)化学通式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m式中n2,m10。A适用范围广：pH4-11；低水温，混凝效果稳定；B用量小，絮凝体沉降性能好；CCOD去除率和脱色效果好