清华水处理工程课件第2章 混凝
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混凝剂在水中的水解与形态 胶体与混凝剂的相互作用
混凝工艺的位置
原水
加药 混合
混凝
反应
混凝池
澄清
沉淀
过滤
消毒
2.2 胶体的性质
一、胶体的稳定性 动力学稳定性：布朗运动对抗重力。 聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）
水化膜的阻碍（亲水性胶体） 两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。
电位离子
第2章 混凝
2.1 混凝的去除对象
混凝可去除颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。 范围在：1nm~0.1m（有时认为在1m） 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m）
细菌（0.2m-80m） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸 1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方才开始使用 混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质
2.3 水的混凝机理与过程
一、铝盐在水中的化学反应
羟铝比(OH)/Al—每摩尔 铝结合的羟基摩尔数
铝盐最有代表的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O，溶于水后，立即离解铝离 子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在。在水中，会发生下列过程。
1．水解过程
Al 3 H 2O [ Al(OH )]2 H
反离子
胶核
胶粒
胶体的结构 Ψ电位
动电位电位：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
三、DLVO理论 胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的 相互作用和距离来评价。由下列两方面 的力决定：
静电斥力：ER－1/d2 范德华引力：EA－1/d6（有些 认为是1/d2或1/d3） 由此可画出两者的综合作用图。
效果： 高价、高分子量效果好
因为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。
3、吸附架桥机理
吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力等作用下， 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。高分子 聚合物，具有线形结构，可被胶粒所强烈吸附。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。
因此，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
各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。
二、混凝机理 水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。 凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ） 混凝：包括两者
效果： 高价离子优于低价离子 [M+]：[M2+]：[M3+]＝1： (1/2)6：(1/3)6
子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。
4、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凝聚剂时， 当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物〔如Al(OH)3， Fe(OH)3)或带金属碳酸盐(如CaCO3)时,水中的胶粒和细微悬浮 物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。水中胶 粒本身可作为这些沉淀所形成的核心时，凝聚剂最佳投加量与 被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越
13 Al 3 28 H 2O [ Al13O4 (OH )24 ]7 32 H
吸附电中和作用 (4.5-6.0)
Al(OH )3 (无定形） Al 3 3OH
其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)3沉淀
压缩双电层 (<3.0)
2．缩聚反应 －OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物） …….. 其结果是：电荷升高，聚合度增大 同时多核羟基络合物还会继续水解。
作用，使得粒子周围包裹较厚的水化膜，阻碍粒子靠近。 有机胶体和高分子化合物
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。
配位水分子发生水解：
Al 3 2H 2O [ Al(OH )2 ] 2H
Al3 3H2O Al(OH)3 3H
Al 3 4H 2O [ Al(OH )4 ] 4H
吸附架桥作用 (7.0-7.5)
2 Al 3 2H 2O [ Al(OH )2 ]4 2H 3Al 3 4H 2O [ Al(OH )4 ]5 4H
胶粒
高分子
胶体保护示意图
胶粒
高分子
✓ 本机理能解释当废水浊度胶很粒低时有些排混斥凝剂效果不好的现象排斥.
因为废水中胶粒少，当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
能起架桥作高用分子，从而达不到混凝的效果。
✓ 在废水图处6-理5 中架，桥模对型高示分意子絮凝剂投加量图及搅6-拌6 胶时体间保和护强示度意都 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
另一方面，胶体的布朗运动能
量Eb＝1.5kT k：波兹曼常数，T：温度 Eb<Emax（势垒）
胶体距离x<oa, 凝聚（一次凝聚） x>oa， 稳定（二次凝
聚除外）
胶体的凝聚： 1.降低静电斥力――电位――势垒――脱稳――凝聚 办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体 2.典型亲水胶体：由于粒子表面极性基对水分子的强烈吸附
1．压缩双电层 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――电位
――稳定性――凝聚
2．吸附-电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。 指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子
物质、胶粒等，来降低电位。这一点与第1条机理不 同。
在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要 起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生 的单纯的压缩双电层作用甚微。
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
面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长
时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回
原所在胶粒表面，造成再稳定状态。
✓ 显然，在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直
接接触。这个机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分
混凝工艺的位置
原水
加药 混合
混凝
反应
混凝池
澄清
沉淀
过滤
消毒
2.2 胶体的性质
一、胶体的稳定性 动力学稳定性：布朗运动对抗重力。 聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）
水化膜的阻碍（亲水性胶体） 两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。
电位离子
第2章 混凝
2.1 混凝的去除对象
混凝可去除颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。 范围在：1nm~0.1m（有时认为在1m） 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m）
细菌（0.2m-80m） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸 1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方才开始使用 混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质
2.3 水的混凝机理与过程
一、铝盐在水中的化学反应
羟铝比(OH)/Al—每摩尔 铝结合的羟基摩尔数
铝盐最有代表的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O，溶于水后，立即离解铝离 子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在。在水中，会发生下列过程。
1．水解过程
Al 3 H 2O [ Al(OH )]2 H
反离子
胶核
胶粒
胶体的结构 Ψ电位
动电位电位：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
三、DLVO理论 胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的 相互作用和距离来评价。由下列两方面 的力决定：
静电斥力：ER－1/d2 范德华引力：EA－1/d6（有些 认为是1/d2或1/d3） 由此可画出两者的综合作用图。
效果： 高价、高分子量效果好
因为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。
3、吸附架桥机理
吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力等作用下， 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。高分子 聚合物，具有线形结构，可被胶粒所强烈吸附。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。
因此，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
各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。
二、混凝机理 水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。 凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ） 混凝：包括两者
效果： 高价离子优于低价离子 [M+]：[M2+]：[M3+]＝1： (1/2)6：(1/3)6
子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。
4、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凝聚剂时， 当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物〔如Al(OH)3， Fe(OH)3)或带金属碳酸盐(如CaCO3)时,水中的胶粒和细微悬浮 物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。水中胶 粒本身可作为这些沉淀所形成的核心时，凝聚剂最佳投加量与 被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越
13 Al 3 28 H 2O [ Al13O4 (OH )24 ]7 32 H
吸附电中和作用 (4.5-6.0)
Al(OH )3 (无定形） Al 3 3OH
其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)3沉淀
压缩双电层 (<3.0)
2．缩聚反应 －OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物） …….. 其结果是：电荷升高，聚合度增大 同时多核羟基络合物还会继续水解。
作用，使得粒子周围包裹较厚的水化膜，阻碍粒子靠近。 有机胶体和高分子化合物
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。
配位水分子发生水解：
Al 3 2H 2O [ Al(OH )2 ] 2H
Al3 3H2O Al(OH)3 3H
Al 3 4H 2O [ Al(OH )4 ] 4H
吸附架桥作用 (7.0-7.5)
2 Al 3 2H 2O [ Al(OH )2 ]4 2H 3Al 3 4H 2O [ Al(OH )4 ]5 4H
胶粒
高分子
胶体保护示意图
胶粒
高分子
✓ 本机理能解释当废水浊度胶很粒低时有些排混斥凝剂效果不好的现象排斥.
因为废水中胶粒少，当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
能起架桥作高用分子，从而达不到混凝的效果。
✓ 在废水图处6-理5 中架，桥模对型高示分意子絮凝剂投加量图及搅6-拌6 胶时体间保和护强示度意都 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
另一方面，胶体的布朗运动能
量Eb＝1.5kT k：波兹曼常数，T：温度 Eb<Emax（势垒）
胶体距离x<oa, 凝聚（一次凝聚） x>oa， 稳定（二次凝
聚除外）
胶体的凝聚： 1.降低静电斥力――电位――势垒――脱稳――凝聚 办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体 2.典型亲水胶体：由于粒子表面极性基对水分子的强烈吸附
1．压缩双电层 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――电位
――稳定性――凝聚
2．吸附-电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。 指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子
物质、胶粒等，来降低电位。这一点与第1条机理不 同。
在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要 起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生 的单纯的压缩双电层作用甚微。
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
面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长
时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回
原所在胶粒表面，造成再稳定状态。
✓ 显然，在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直
接接触。这个机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分