净水工程第2讲-07级环境讲解学习

第3章 凝聚(nngj)和絮凝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(guchng)3.6 混凝设备第一页，共26页。3.1 胶体胶体(jio t)的稳定性的稳定性3.1.1 基本概念 1）凝聚（coagulation）：胶体失去稳定性的过程。2）絮凝（flocculation）：脱稳胶体相互聚集的过程。凝聚和絮凝两个过程的总和混凝。混凝：使分散体系中颗粒物失稳、聚集生长、分离的过程。混凝剂：引发混凝过程的化学药剂，包括无机、有机、天然、复合型及助凝剂在内的低分子凝聚剂和高分子絮凝剂。混凝对象：胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。范围在：1nm0.1m（有时认为(rnwi)在1m）凝聚设备：混合设备；絮凝设备：絮凝池等第二页，共26页。3.1.2 胶体胶体(jio t)的稳定性的稳定性混凝过程(guchng)涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质（与水之间的关系）表面结构特征（带电、双电层）、比表面积 混凝剂在水中的水解与形态（水解产物、混凝效果的影响）胶体与混凝剂的相互作用（作用机理）第三页，共26页。3.1.2 胶体胶体(jio t)的稳定性的稳定性1.胶体(jio t)的分类：1）憎水溶胶：与水分子间缺乏亲和性的胶体(jio t)（如：粘土、投加混凝剂形成的胶体(jio t)等）。2）亲水溶胶：与水分子间亲和力较强的胶体(jio t)（有机物质、蛋白质、淀粉、胶质等）。2.胶体(jio t)的去除：水体中的胶体(jio t)范围：尺寸在1m1nm之间的浊质、天然有色成分、高分子物质、细菌、藻类等。通过混凝处理，胶体(jio t)是常规水处理工艺主要去除的对象之一。浊度：水质参数（表征水中胶体(jio t)含量）第四页，共26页。3.1.2 胶体胶体(jio t)的稳定性的稳定性胶体稳定性：胶体颗粒在水中长期保存分散状态的特性。3.胶体稳定性的原因：布朗运动、静电斥力、水化膜动力学稳定性：布朗运动（与颗粒大小有关）聚集稳定性：同性电荷的胶粒之间静电斥力或水化膜的作用。胶体的溶剂化作用(zuyng)（水化膜）：胶体与水分子作用(zuyng)，使胶体周围形成一层水化膜，阻碍胶体颗粒靠近。聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用(zuyng)第五页，共26页。3.1.3 胶体胶体(jio t)的聚集稳定性的聚集稳定性憎水溶胶的聚集稳定性由胶体颗粒表面带的电荷决定。1）胶体的双电层结构胶体具有巨大的比表面积，有选择地吸附某些粒子(lz)而形成“双电层”结构。胶核：由数百乃至数千个分散相固体物质分子组成构成。电位离子层：有选择地吸附一层决定电位离子，而带电。决定电位离子所带的电荷表面电荷。第六页，共26页。1）胶体）胶体(jio t)的双电层结构的双电层结构 由于静电引力、范德华力等胶由于静电引力、范德华力等胶核可将溶液中一部分未被吸附核可将溶液中一部分未被吸附(xf)的反离子，紧紧吸附的反离子，紧紧吸附(xf)在决定电位离子的附近，在决定电位离子的附近，这样胶核、决定电势离子和一这样胶核、决定电势离子和一部分反离子构成部分反离子构成胶粒。胶粒。为了保持电中性，胶核还可以为了保持电中性，胶核还可以吸附吸附(xf)一些反离子，直至一些反离子，直至达到电量平衡。这样，胶核、达到电量平衡。这样，胶核、决定电位离子和全部反离子构决定电位离子和全部反离子构成成胶团。胶团。第七页，共26页。1）胶体）胶体(jio t)的双电层结构的双电层结构什么是胶体什么是胶体(jio t)的双的双电层结构呢？电层结构呢？双电层是针对反离子双电层是针对反离子(lz)而言的：而言的：溶液中的反离子溶液中的反离子(lz)只有一部分只有一部分紧密地排在固体表面附近，相距约紧密地排在固体表面附近，相距约一、二个离子一、二个离子(lz)厚度称为吸附厚度称为吸附层；层；另一部分离子按一定的浓度梯度另一部分离子按一定的浓度梯度扩散到本体溶液中，称为扩散到本体溶液中，称为扩散扩散层层。双电层双电层吸附层和扩散层构成。吸附层和扩散层构成。滑动面滑动面吸附层和扩散层之间的吸附层和扩散层之间的交界面称为滑动面。交界面称为滑动面。第八页，共26页。v胶核决定电位离子，束缚反离子，自由反离子v吸附层v扩散层v胶粒v胶团1）胶体）胶体(jio t)的双电层结构的双电层结构第九页，共26页。2）胶体）胶体(jio t)的的电位电位运动单元胶粒（带电(di din)），所带电(di din)量等于表面电荷(dinh)与吸附层反离子电荷(dinh)差胶团中性胶体的动电位（电位）：当胶体粒子运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩余电荷，使胶粒胶粒与扩散层与扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶体的动电位，即电位。吸附层吸附层扩散层扩散层第十页，共26页。2）胶体）胶体(jio t)的的电位电位电位是描述胶体电学性质的重要指标。电位的大小和符号可衡量胶粒带电程度。电位值能反映扩散层的厚度。电解质的加入(jir)对电势会产生影响。总电位和电位的区别：特定胶体，电位固定不变；电位随温度、pH值、反离子浓度(nngd)变化。第十一页，共26页。2）胶体）胶体(jio t)的的电位电位电位越高，扩散层越厚，胶粒的静电(jngdin)斥力越大，胶粒越稳定，反之亦然。电位：决定了胶体的聚集稳定性 一般粘土电位：-15-40mV 细菌电位：-30-70mV 第十二页，共26页。3.1.4 亲水溶胶亲水溶胶(rngjio)的稳定性的稳定性亲水溶胶：表面存在未饱和键（极性基团）对极性水分子的吸附(xf)，胶体表面包裹了一层水化膜，阻碍了两胶粒之间的相互聚集。所以亲水胶体的稳定性主要决定于水化膜的作用。第十三页，共26页。3.1.5 DLVO 理论理论(lln)胶体(jio t)的稳定性的原因：1）表面的双电层静电斥力使颗粒间不能因相互靠近而结合）表面的双电层静电斥力使颗粒间不能因相互靠近而结合(jih)。2）胶体颗粒稳定性取决于双电层静电斥力和范德华引力两者的）胶体颗粒稳定性取决于双电层静电斥力和范德华引力两者的相对大小。相对大小。3）静电斥力和引力的综合得到相互作用势能。）静电斥力和引力的综合得到相互作用势能。条件：憎水溶胶第十四页，共26页。3.1.5 DLVO 理论理论(lln)胶体(jio t)的稳定性的原因：1）势能）势能(shnng)曲线随粒子曲线随粒子间距离的变化而变化间距离的变化而变化2）总势能曲线上有一）总势能曲线上有一极大值极大值Emax称为斥力势垒。它称为斥力势垒。它是溶胶稳定性的标志。是溶胶稳定性的标志。布朗运动的动能一般小于该势布朗运动的动能一般小于该势垒。溶胶处于稳定状态。垒。溶胶处于稳定状态。条件：憎水溶胶胶体距离：xoa，稳定第十五页，共26页。胶体的凝聚：胶体的凝聚：降降低低(jingd)静静电电斥斥力力电电位位 势势垒垒 脱稳脱稳凝聚凝聚 办法：加入电解质，但只适用于憎水溶胶办法：加入电解质，但只适用于憎水溶胶第十六页，共26页。3.2 混凝机理混凝机理(j l)3.2.1 胶体的凝聚机理混凝剂的种类不同、水质条件不同，混凝机理不同。主要的混凝机理：压缩双电层（DLVO理论）吸附电中和 吸附架桥作用(zuyng)网捕卷扫作用(zuyng)何者占主导，取决于混凝剂种类、投加量、胶粒性质等。第十七页，共26页。1）压缩压缩(y su)双电层双电层若胶体颗粒带负电荷若胶体颗粒带负电荷加入高价位带正电荷的电解加入高价位带正电荷的电解质质置换出低价正离子置换出低价正离子正离子的数量减少正离子的数量减少双双电层变薄了电层变薄了电位电位 稳定性稳定性 凝聚凝聚这种作用这种作用(zuyng)(zuyng)称为压缩称为压缩双电层。双电层。第十八页，共26页。1）压缩压缩(y su)双电层双电层v 电位电位0，等电状态，等电状态.v 只要将只要将 降低降低(jingd)到到=k时，使时，使vEmax=0即可，胶粒便会发生即可，胶粒便会发生v凝聚，此时的凝聚，此时的 电位称为临界电位称为临界电电v位。位。v 叔采叔采哈代规则：哈代规则：v 反离子的价数越高，其聚沉反离子的价数越高，其聚沉效率越高。效率越高。第十九页，共26页。v 实验表明：对同一胶体体系，要获得相同的压缩双电层效果时，用一价离子，浓度需25150mmolL，用二价离子浓度只要(zhyo)0.52mmolL，而用三价离子则浓度可小到0.010.1mmolL。v示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。v 压缩双电层理论的局限性v 可很好地解释加入一定量高价反离子电解质后产生凝聚的现象，但不能解释加入过量高价反离子电解质引起胶体颗粒电性改变而重新稳定的现象。1）压缩压缩(y su)双电层双电层第二十页，共26页。2）吸附吸附(xf)-电中和作用电中和作用这种现象在水处理中出现的较多。这种现象在水处理中出现的较多。指指 胶胶 核核 表表 面面 直直 接接 吸吸 附附 带带 异异 号号 电电 荷荷(dinh)的聚合离子、高分子物质、胶粒的聚合离子、高分子物质、胶粒等，从而中和了胶体颗粒本身所带等，从而中和了胶体颗粒本身所带的电荷的电荷(dinh)，使胶体发生凝聚。，使胶体发生凝聚。络合离子能通过胶核外围的反离子络合离子能通过胶核外围的反离子层进入胶核表面，中和电位离子，层进入胶核表面，中和电位离子，使使总总电电荷荷(dinh)降降低低，电电位位降降低低，胶胶体脱稳、凝聚。体脱稳、凝聚。第二十一页，共26页。压缩双电层与电性中和作用的区别：压缩双电层与电性中和作用的区别：压缩：依靠增加溶液中反离子浓度，使压缩：依靠增加溶液中反离子浓度，使电位降低，电位降低，扩散层变薄，胶体脱稳。扩散层变薄，胶体脱稳。中和：异号电荷的聚合离子或高分子直接吸附在胶核中和：异号电荷的聚合离子或高分子直接吸附在胶核表面，中和电位离子所带电荷，使表面，中和电位离子所带电荷，使电位降低。电位降低。压缩由简单的离子，如压缩由简单的离子，如Na+、Ca2+、Al3+等起作用；等起作用；电中和由高分子聚合离子起作用。电中和由高分子聚合离子起作用。如：铝盐混凝剂等，水解的多核羟基络合物主要起吸附如：铝盐混凝剂等，水解的多核羟基络合物主要起吸附电电中中和和作作用用。在在水水处处理理中中由由水水合合(shuh)的的Al3+产产生生的的单单纯的纯的压缩双电层作用甚微。压缩双电层作用甚微。2）吸附吸附(xf)-电性中和电性中和第二十二页，共26页。3）吸附吸附(xf)架桥作用架桥作用如果投加的药剂是具有能如果投加的药剂是具有能吸附胶粒的链状高分子聚吸附胶粒的链状高分子聚合物，或者两个合物，或者两个(lin)同号胶粒吸附在同一同号胶粒吸附在同一个异号胶粒上，胶粒间就个异号胶粒上，胶粒间就能连结，团聚成絮凝体而能连结，团聚成絮凝体而被除去。被除去。胶粒之间不直接(zhji)接触。高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护胶体保护”现象。现象。架桥作用与高分子的尺寸有关。排斥排斥胶粒高分子第二十三页，共26页。3）吸附吸附(xf)架桥作用架桥作用架桥作用分三种：架桥作用分三种：胶粒与不带电的高分子物质发生吸附架桥作用。胶粒与不带电的高分子物质发生吸附架桥作用。主要由吸附力引起，如范德华力、氢键、配位键等主要由吸附力引起，如范德华力、氢键、配位键等 胶粒与带异号电荷的高分子物质发生吸附架桥作用胶粒与带异号电荷的高分子物质发生吸附架桥作用 除了吸附力外，还涉及除了吸附力外，还涉及(shj)到电中和作用机理到电中和作用机理 胶粒与带同号电荷的高分子物质发生吸附架桥作用胶粒与带同号电荷的高分子物质发生吸附架桥作用 胶粒表面存在反离子官能团，可与高分子结合。胶粒表面存在反离子官能团，可与高分子结合。第二十四页，共26页。4）网捕网捕(wn b)与卷扫与卷扫向水中投加铁、铝盐等高价金属盐类作混凝剂，由于金属离子向水中投加铁、铝盐等高价金属盐类作混凝剂，由于金属离子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者者(huzh)在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下来，这称为网捕作用，胶粒而共同沉降下来，这称为网捕作用，金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 小胶粒与大矾花发生接触凝聚小胶粒与大矾花发生接触凝聚澄清池中发生的现象澄清池中发生的现象 第二十五页，共26页。网捕网捕(wn b)与与卷扫作用卷扫作用第二十六页，共26页。