混凝机理知识讲解

3.2混凝机理

3.2.1 胶体的凝聚机理

凝聚主要是指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。

压缩双电层作用

根据DLVO理论，加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层仍然保持电中性，但正离子的数量却减少了，也就是双电层的厚度变薄，胶体颗粒滑动面上的ξ电位降低。

当ξ电位降至0时，称为等电状态，此时排斥势垒完全消失。

ξ电位降至某一数值使胶体颗粒总势能曲线上的势垒Emax=0，胶体颗粒即发生聚集作用，此时的ξ电位称为临界电位ξk。

叔采-哈代法则：起聚沉作用的主要是反离子，反离子的价数越高，其聚沉效率越高。

聚沉值：在指定情形下使一定量的胶体颗粒聚沉所需的电解质的最低浓度，以mmol/dm3为单位。一般情况下，聚沉值与反离子价数的六次方成反比，即符合：

(3.1)

双电层压缩机理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符号而重新稳定的现象，也解释不了与胶体颗粒代相同电荷的聚合物或高分子有机物也有好的聚集效果的现象。

吸附—电性中和

胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶粒间的静电引力，使胶体颗粒更易于聚沉。

驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等。

可以解释水处理中胶体颗粒的再稳定现象。

吸附架桥作用（Bridging）

分散体系中德胶体颗粒通过吸附有机物或无机高分子物质架桥连接，凝集为大的聚集体而脱稳聚沉。

①. 长链高分子架桥

②. 短距离架桥

三种类型：

①. 胶粒与不带电荷的高分子物质发生架桥，涉及范德华力、氢键、配位键等吸附力。

②. 胶粒与带异号电荷的高分子物质发生架桥，除范德华力、氢键、配位键外，还有电中和作用。

③. 胶粒与带同号电荷的高分子物质发生架桥，“静电斑”作用

胶体保护示意图

网捕—卷扫作用

投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成较大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，象筛网一样将水中胶体颗粒和悬浊质颗粒捕获卷扫下来。

网捕—卷扫作用主要是一种机械作用。

3.2.2 絮凝机理

絮凝主要是指脱稳的胶体或微小悬浮物聚集成大的絮凝体的过程。

①. 异向絮凝（Perikinetic flocculation）：由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。

布朗运动随着颗粒粒径增长而逐渐减弱，当粒径增长到一定尺寸，布朗运动不再起作用。

②. 同向絮凝（orthokinetic flocculation）：由外力推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。

胶体颗粒在外力作用下向某一方向运动，由于不同胶粒存在速度差，依此完成颗粒的碰撞聚集。

3.2.3 影响混凝效果的主要因素

客观因素：原水具有的一些特性，如水温、pH值、各种化学成分的含量及性质。

主观因素：如混凝条件等。

水温的影响

最适宜的混凝水温为20~30℃。

水温低时混凝效果差的原因：

1) 无机盐混凝剂的水解是吸热反应，水温低时，混凝剂水解缓慢，影响胶体颗粒脱稳。例如根据范特哈甫近似规则：在常温附近，水温每降低10℃，混凝剂水解反应速度常数将降低约2~4倍。

2) 水温低时，水的黏度变大，胶粒的布朗运动减弱，胶粒运动阻力增大，影响胶粒间的有效碰撞和絮凝。

3) 水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚。

4) 水温与水的pH值有关，水温低时，水的pH值提高，相应的混凝最佳pH值也将提高。

水的pH值的影响

水的pH值对混凝效果的影响视混凝剂的品种而定。

水的pH值主要从两方面来影响混凝效果：

1) 水的pH值直接与水中胶体颗粒的表面电荷和电位有关，影响需要的混凝剂投量。

2) 水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同混凝剂的最佳水解反应所需要的pH值范围不同。

表3-1 混凝剂的最佳pH值范围

混凝剂除浊除色度

硫酸铝 6.5~7.5 4.5~5.5

三价铁盐 6.0~8.4 3.5~5.0

高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值影响较小。

水的碱度的影响

无机盐类水解反应过程中不断产生H+，从而消耗水的碱度。要使pH值保持在最佳范围内，水中应有足够的碱性物质与H+中和。天然水中均含有一定碱度（通常是HCO3ˉ）,它对pH值有缓冲作用：

(3.2)

原水碱度不够时，应投加碱剂，一般是石灰。

(3.3)

应当注意，投加的碱性物质不可过量，否则形成的Al（OH）3会溶解为负离子Al（OH）4ˉ而恶化混凝效果。由反应式可知，每投加1mmol/L的硫酸铝，需投加3mmol/L的CaO，将水中原有的碱度考虑在内，石灰投量按下式估算：

(3.4)

式中：[CaO]——纯石灰CaO投量，mmol/L；

[a]——混凝剂投量，mmol/L；

[x]——原水碱度，按mmol/L CaO计；

[δ]——保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25~0.5 mmol/L（CaO）。

碱剂的投量一般应根据实验确定。

【例题】某地表水的总碱度为0.2 mmol/L。市售精制硫酸铝（含Al2O3约16%）投量28mg/L。试估算石灰（市售品纯度为50%）投量多少mg/L？

【解】投药量折合Al2O3为28mg/L×16%=4.48mg/L

Al2O3分子量为102，故投药量相当于4.48/102=0.044 mmol/L

剩余碱度取0.37 mmol/L，则得：

[CaO]=3×0.044-0.2+0.37=0.3 mmol/L

CaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.3×56/0.5=33 mg/L

水中浊质颗粒浓度的影响

（1）低浊度时，颗粒碰撞速率减小，混凝效果差。采用的措施包括：a. 高分子助凝剂，b.在水中投加矿物颗粒如粘土等，c. 接触过滤；

（2）高浊度时，无机盐直接脱稳困难，采用预沉，或是投加高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺）。

水中有机污染物的影响

水中有机物对胶体有保护稳定作用，水中溶解性的有机物分子吸附在胶体颗粒表面好像形成一有机涂层（organic coating）一样，将胶体颗粒保护起来，阻碍胶粒之间的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝聚作用。

一般可以通过投加与氧化剂如高锰酸钾、臭氧、氯等氧化破坏有机物对胶体的保护作用，改善混凝。

混凝剂种类与投量的影响

应根据原水水质情况优选混凝剂种类。

无机混凝剂，要求：形成能有效压缩双电层或产生强烈电中和作用的形态；

有机高分子混凝剂，要求：有适量的功能团和聚合结构，较大的分子量（未必准确！）

一般考虑经济性、通过实验确定

混凝剂投加方式的影响

干投：把固态混凝剂不经水溶直接投加到要处理的原水中

湿投：将混凝剂先溶解配制成一定浓度的水溶液，然后再投加到要处理的原水中。

核心问题是水解物种的差异。

硫酸铝以稀溶液形式投加较好，三氯化铁以干投或浓溶液形式投加较好。

投加方式、投加次序应根据实验确定。