第四章混凝动力学
水质工程学 第四章凝聚与絮凝
水质工程学1 XX大学 环境工程学院XX教研室水质工程学1第四章 凝聚与絮凝混凝机理02混凝剂的配置与投加06混凝动力学04胶体结构01影响因素05混凝剂与助凝剂03教学内容及要求1)理解胶体的结构及稳定性；2)掌握混凝机理以及混凝效果影响因素；3)掌握混凝剂种类及其选用原则；4)掌握混凝动力学原理；5)掌握混凝过程的特征及要求；6)理解混凝设施的类型及特点，掌握其设计计算方法。
7)了解混凝设施的运行与管理。
对象：水和废水中常常不能用自然沉降法除去的悬浮微粒和胶体污染物。
办法：1、首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体；2、再用重力沉降法予以分离。
混凝的定义：包括凝聚和絮凝两个步骤，凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，而絮凝则指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。
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。
水处理中主要杂质：◆粘土（50nm-4 μm）◆细菌（0.2μm-80μm）◆病毒（10nm-300nm）◆蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸4.1胶体的稳定性和胶体结构A:胶体的稳定性B:胶体的双电层结构C:DLVO理论4.1胶体的稳定性和胶体结构 A:胶体的稳定性（1）胶体在水中作布朗运动在水分子热运动的撞击下作不规则运动，即布朗运动。
这是胶体在水中保持稳定的因素之一。
（2）运动中的胶体带电荷电泳现象可以说明胶体微粒是带电的。
带正电的微粒：氢氧化铁、氢氧化铝等；带负电的微粒：碱性条件下的氢氧化铝和蛋白质等。
同种胶体微粒带同号电荷，静电斥力相互作用，不易凝聚。
4.1胶体的稳定性和胶体结构胶体稳定性分：“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。
1）动力学稳定性：是指胶体粒子的布朗运动对抗重力影响的能力。
胶体粒子的布朗运动足以抵抗重力影响，故而长悬，称动力学稳定。
为什么不聚集下沉呢？2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。
第四节、混凝动力学
第四节、混凝动力学影响混凝效果的因素中，水力条件是个重要因素，要达到最佳的混凝效果，应该创造良好的水力条件，即设计合理的混合池和絮凝池，而混凝动力学正是其设计的基础。
一、基本概念1、异向絮凝（perikinetic flocculation ）异向絮凝指脱稳胶体由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象。
异向絮凝主要对微小颗粒d ＜1m μ起作用。
2、同向絮凝（orthokinetic flocculation ）同向絮凝指借助于水力或机械搅拌使胶体颗粒相碰撞而凝聚的现象。
同向絮凝主要对大颗粒d ＞1m μ起作用。
说明：（1）在混合和絮凝初期，主要表现为异向絮凝，形成微絮凝体；（2）在絮凝初期以后，则主要表现为同向絮凝，形成粗大絮凝体；（3）两者在时间上没有严格区分，在任何阶段都可能同时存在，只是程度不同。
3、碰撞速率碰撞速率指单位时间、单位体积内颗粒的碰撞次数。
4、絮凝速率絮凝速率指单位时间、单位体积内颗粒总数量浓度的减少速率。
[絮凝速率]＝－1/2[碰撞速率]因为：（1）在计算颗粒i 和颗粒j 碰撞次数时，是将两个颗粒相互碰撞数计算了两次，即i 向j 碰撞一次，j 又向i 碰撞一次。
而实际上两个颗粒一次相碰就相互凝聚成一个大的颗粒，故絮凝速率为总计算碰撞数的1/2。
（2）负号表示颗粒总数量随絮凝时间而减少，这是小颗粒相互结成大颗粒的结果。
二、异向絮凝布朗运动为一种无规则的热运动，将导致水中颗粒相互碰撞。
假设：①水中胶体颗粒已完全脱稳；②颗粒每次碰撞都是有效碰撞，都会导致颗粒相互聚集，使小颗粒变成大颗粒；③颗粒为均匀球体。
根据费克扩散定律，可导出颗粒碰撞速率为：28n dD N B P π= （2－7） 式中，N P —— 单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率（1/cm 3·s ）； D B —— 布朗运动扩散系数（cm 2/s ）；d —— 颗粒直径（cm ）；n —— 颗粒数量浓度（个/cm 3）。
混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义
混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义余承烈（山西铝厂山西河津043300）Guide meaning of coagulation dynamics to coagulatingtechnology practicalityYu chenglie(Shanxi aluminium plant Hejin Shanxi 043300) 内容摘要：分析了混凝动力学几个公式，就公式中的每个因子展开讨论，认为：混凝动力学公式对混凝工艺实践有定性的指导意义，举例说明了目前几种经实践证明了的高效混凝技术与混凝动力学的相关性。
关键词: 混凝动力学公式探讨混凝工艺高效混凝技术指导意义1．混凝动力学公式的探讨一般认为，混凝包括絮凝和凝聚两个过程，凝聚和絮凝都是使胶体或悬浮物中微细粒固体聚集而使颗粒尺寸变大的过程[8]。
混凝动力学也应该包括絮凝动力学和凝聚动力学，目前就笔者掌握的资料，提法不统一，有的只提到凝聚动力学，如文献（8）。
文献(5)就只提出絮凝动力学，还明确指出：研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒浓度随时间的减少过程称为絮凝动力学。
按照这个定义，絮凝动力学的研究范围虽然可以包括许多不同的絮凝过程，但一般絮凝动力学研究的只是憎水胶体经电解质脱稳后的容积絮凝过程。
笔者认为，絮凝动力学比较符合规律，但是在没有统一以前，目前还是提混凝动力学为宜。
混凝动力学的研究自1943年Camp和Stein提出动力学的公式后至今，许多学者提出了很多类似的公式，本文列出目前常见的几个公式，并就公式所包含的意义展开讨论。
1．1混凝动力学公式的认可文献[9]介绍的列维奇（Levich）利用扩散方程计算通过球形控制面单位时间的颗粒的时平均总数，即颗粒的碰撞数：Nt==12Πβ(ε/γ)½R³n²（1）式中ε——球形控制体周围单位体积水的能耗；γ——水的动力粘滞系数；R——球形控制体半径；n——控制体周围的颗粒时平均浓度（单位体积颗粒时平均总数）β——实验系数。
混凝的原理
混凝的原理什么是混凝混凝，也称凝聚剂，是一种常见的建筑材料，被广泛用于混凝土、砂浆和其他建筑材料中。
混凝的主要作用是使液体混合物在适当条件下发生凝结，形成坚固的结构。
混凝的应用领域非常广泛，在建筑、道路、桥梁等工程中起到至关重要的作用。
混凝的原理混凝的原理主要涉及凝聚剂与液体材料之间的相互作用。
凝聚剂一般由粘合剂和添加剂组成，它们与液体材料中的颗粒发生化学反应或物理吸附，从而促进材料颗粒之间的结合。
物理作用物理作用是混凝的主要原理之一。
在液体材料中，颗粒会靠着分子间的引力相互靠拢。
凝聚剂中的添加剂会通过在颗粒表面形成吸附层的方式，使颗粒之间的距离进一步缩小，从而形成较为紧密的结构。
此外，物理作用还包括颗粒之间的电荷作用力、表面张力等。
化学作用化学作用是混凝的另一个重要原理。
凝聚剂中的粘合剂会与液体材料中的颗粒发生化学反应，形成新的物质，从而使颗粒之间的结合更加牢固。
例如，在混凝土中，粘合剂水泥与骨料中的矿物质发生水化反应，生成水化硬固体，从而使混凝土具有一定的强度和耐久性。
混凝的施工过程混凝的施工过程包括准备工作、配合比设计、材料拌和、浇注成型和养护等环节。
准备工作在进行混凝材料的施工之前，需要进行一系列的准备工作。
这包括确定混凝材料的种类和性能要求、施工场地的布置和清理、检查施工设备和工具的完好性等。
配合比设计配合比设计是混凝材料施工的关键环节之一。
通过根据材料的种类及其比例来确定混凝材料的配合比，以确保混凝材料具有所需的强度、可塑性等性能。
材料拌和在混凝材料施工过程中，不同的材料需要按照一定的比例进行拌和。
一般来说，先将颗粒状材料与粘结剂充分混合，再根据需要逐步加入水或其他添加剂进行搅拌。
搅拌的时间和速度也需要根据具体的材料类型和施工要求进行调整。
浇注成型材料拌和后，需要将其迅速浇注到预定的模具或施工区域中。
浇注的过程需要保证材料的均匀性和密实性，避免产生空洞或裂缝等缺陷。
养护材料浇注后，需要进行一定的养护，以确保混凝材料能够发生正常的凝固和硬化过程。
环境工程学-第04章 混凝
第一
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： 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。
河北师范大学资源与环境科学学院
第二
胶体的特性
第四 混凝剂与助凝剂
有机高分子混凝剂使用时须注意的问题： 与其他混凝剂共同使用时的投加顺序： 当废水低浊度时，宜先投其他混凝剂；当废水 浊度高时，应先投加PAM。 高分子混凝剂最佳投加量的确定。 在高分子混凝剂使用时，应尽量采用较低的浓 度。
河北师范大学资源与环境科学学院
第四 混凝剂与助凝剂
三、研究发展
(三) 吸附架桥机理
(四) 沉淀物网捕机理
河北师范大学资源与环境科学学院
第三
混凝原理
一、双电层压缩
1、憎水性胶体 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。
反 离 子 浓 度
溶液中离子浓度高
溶液中离子浓度低
河北师范大学资源与环境科学学院
第三
混凝原理
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。 扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引 力变大。 相互碰撞时，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。
Al3+在水中的存在状态和pH有关 pH较低，高电荷低聚合度的络合物占多数；
pH较高，低电荷高聚合度的络合物占多数。
不同产物的作用 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。
混凝的基本原理和应用
混凝的基本原理和应用1. 混凝的定义和概述混凝作为一种常见的处理污水和废水的方法，采用化学凝结剂将悬浮物和溶解物转变为固体，从而达到净化水质的目的。
该方法广泛应用于各种工业和生活污水处理系统中。
2. 混凝的基本原理混凝的基本原理是利用化学凝结剂与水中的悬浮物和溶解物产生反应，形成较大的固体颗粒。
这些固体颗粒能够沉降到底部或被过滤器拦截，从而实现水中杂质的去除。
混凝过程中，化学凝结剂与水中的污染物发生四个关键步骤的反应：•聚合：凝结剂与水中的微粒接触并吸附在其表面。
•中和：凝结剂中的化学物质和水中的离子产生反应，中和电荷。
•凝胶形成：吸附在微粒表面的凝结剂形成胶状或溶胶，使微粒聚集。
•凝胶聚集：凝胶不断聚集使其变得足够大而能够沉降或过滤。
3. 混凝的化学凝结剂混凝过程中使用的化学凝结剂可以分为无机凝结剂和有机凝结剂两大类。
3.1 无机凝结剂•氯化铁：常用于工业废水和污水处理中，具有良好的凝胶形成能力和脱色能力。
•氯化铝：被广泛应用于城市污水处理系统，能够高效凝固和去除水中的悬浮物和溶解物。
•硫酸铝：适用于处理含有高浓度悬浮物的废水，其凝胶能力强，可以有效去除重金属。
3.2 有机凝结剂•聚合氯化铝：是一种高效的有机凝结剂，对低浊度的水处理效果特别好。
•聚丙烯酰胺：常用于富含胶体物质的废水处理，具有良好的凝胶性能和沉淀效果。
•聚合氯化铁：具有较好的脱色能力和凝固效果，广泛应用于工业废水处理中。
4. 混凝的应用领域混凝作为一种常见的水处理技术应用广泛，主要包括以下几个领域：4.1 生活污水处理生活污水中含有大量的有机物和悬浮物，通过混凝可以有效地去除这些杂质并提高水质。
混凝后的水可以进一步经过沉淀、过滤等处理步骤，使其符合排放标准。
4.2 工业废水处理工业废水中通常含有大量的重金属、有机物和悬浮物，经过混凝处理可以将这些污染物凝固成固体物质，便于后续处理或排放。
4.3 水源处理在一些地区，水源中存在着浑浊物质和悬浮物，混凝技术可以有效去除这些杂质，提高水源的可用性。
第四节混凝动力学
第四节、混凝动力学影响混凝效果的因素中，水力条件是个重要因素，要达到最佳的混凝效果，应该创造良好的水力条件，即设计合理的混合池和絮凝池，而混凝动力学正是其设计的基础。
一、基本概念1、异向絮凝（perikinetic flocculation ）异向絮凝指脱稳胶体由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象。
异向絮凝主要对微小颗粒d ＜1m μ起作用。
2、同向絮凝（orthokinetic flocculation ）同向絮凝指借助于水力或机械搅拌使胶体颗粒相碰撞而凝聚的现象。
同向絮凝主要对大颗粒d ＞1m μ起作用。
说明：（1）在混合和絮凝初期，主要表现为异向絮凝，形成微絮凝体；（2）在絮凝初期以后，则主要表现为同向絮凝，形成粗大絮凝体；（3）两者在时间上没有严格区分，在任何阶段都可能同时存在，只是程度不同。
3、碰撞速率碰撞速率指单位时间、单位体积内颗粒的碰撞次数。
4、絮凝速率絮凝速率指单位时间、单位体积内颗粒总数量浓度的减少速率。
[絮凝速率]＝－1/2[碰撞速率]因为：（1）在计算颗粒i 和颗粒j 碰撞次数时，是将两个颗粒相互碰撞数计算了两次，即i 向j 碰撞一次，j 又向i 碰撞一次。
而实际上两个颗粒一次相碰就相互凝聚成一个大的颗粒，故絮凝速率为总计算碰撞数的1/2。
（2）负号表示颗粒总数量随絮凝时间而减少，这是小颗粒相互结成大颗粒的结果。
二、异向絮凝布朗运动为一种无规则的热运动，将导致水中颗粒相互碰撞。
假设：①水中胶体颗粒已完全脱稳；②颗粒每次碰撞都是有效碰撞，都会导致颗粒相互聚集，使小颗粒变成大颗粒；③颗粒为均匀球体。
根据费克扩散定律，可导出颗粒碰撞速率为：28n dD N B P π= （2－7） 式中，N P —— 单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率（1/cm 3·s ）； D B —— 布朗运动扩散系数（cm 2/s ）；d —— 颗粒直径（cm ）；n —— 颗粒数量浓度（个/cm 3）。
混凝动力学PPT
3.4 混凝动力学研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒之间相互碰撞，浓度随时间减少的过程。
颗粒之间相互碰撞的动力颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。
由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。
由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称为同向絮凝3.4.1 异向絮凝动力学由布朗运动造成的颗粒碰撞聚集。
由于布朗运动方向的不规律性，对某一个胶体来说，它可能受到来自各个方向的颗粒的碰撞，故称为“异向”。
其碰撞速率与水温成正比，与颗粒数量的平方成正比，而与颗粒尺寸无关。
但当颗粒的粒径大于1 µm时布朗运动消失。
3.4.2 同向絮凝动力学由外加能量或消耗自身势能产生流体运动而造成的颗粒碰撞聚集的过程当在同一方向上运动的两个颗粒间存在速度差，两个颗粒在垂直运动方向上的球心距离小于它们的半径之和时，速度快的将赶上速度慢的颗粒，从而相碰接触产生絮凝现象3.4.4 混凝控制指标自混凝剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。
由混合和絮凝过程构成。
GT 值：速度梯度与水流在混凝设备中的停留时间T 的乘积。
反映在T 时间内颗粒碰撞的总次数。
GTC V 值: 考虑到浓度的影响后的混凝控制指标G 值：速度梯度混合设备和絮凝设备的水力条件1)混合阶段：对水流进行剧烈搅拌，使药剂快速均匀分散于水中以利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。
平均G＝700~1000s-1，时间通常在10～30s，一般<2min。
此阶段，絮体颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。
2)絮凝阶段：主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。
同向絮凝效果不仅与G 有关，还与时间有关。
通常以G值和GT值作为控制指标。
平均G＝20－70s-1，GT＝104-105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。
3.4.5 影响混凝效果的主要因素水温：水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。
混凝动力学方程的蒙特卡罗模拟
行 随机抽样 ， 模拟颗粒 的凝 聚过程 ， 同时记录特征量的模拟结果 以得到 问题 的解 ．蒙 特卡罗计 算方法则 是利
用计算 机模 拟离子碰 撞情形 ， 克服 了有限差分法在体积分数较小 时的上述 弊端 ， 节省 了大 量运算过程 和繁 并
关键词 ： 凝 ； 混 动力学方程求解 ； 蒙特卡罗方法 ； 分形
中图 分 类 号 ： ０ ． Ｘ７ ３５ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６７３ （Ｏ ８ Ｏ—９ 一５ １０ —９ ０ ２ Ｏ ） ３３ ８Ｏ
１１ 年 ， ９ ７ 波兰物理学者冯 ・ 斯莫 卢霍夫斯基 （ ｒ ｎＶ ｎＳ ｏｕｈ ｗ ｋ） Ｍａｉ ｏ ｍ ｌ ｏ ｓｉ ａ ｃ 基于扩散理论， 出了描 提 述离散分布颗粒凝聚过程中的动力学方程 ：
具有随机性［ ， ］因此在进行模拟实验时所采用的方法多为蒙特卡罗方法＿．然而， ＿ ７ ］ 由于混凝过程中颗
粒碰 撞 的随机性 ， 形成 的 絮凝 体形 状 也 具 有 不 规则 性 ．大 量 的 研究 结 果 表 明 ， 凝 体具 有分 形 构 造 特 絮
收 稿 日期 ：０ ７１—９ ２ ０—２２
修 改稿 日期 ：０ ８０—０ ２ ０ —５３
基金项 目： 国家 自 然科学基金资助项 目（ ０４ ０ １５ ７ ８ ８ ）陕西省教育厅专项科研基金 资助项 目（ ５Ｋ ３ ） 高等学 校博 士学科 ２ ５ ７０ ，０ ０ ０ ８ ； ＯＪ ２３ ； 点 专项科研基金 （０ ４ ７ ３ ０ ） ２００００６ 作者简介： 金鹏康 （９ ４） 男， 西兴平人 ， １ ７ 一。 陕 博士 。 副教授， 主要从事水和废水的物理化学处理技术研究．
混凝土的动力学性能原理及其应用
混凝土的动力学性能原理及其应用一、前言混凝土是建筑工程中最常见的建筑材料之一，其良好的力学性能使其成为建筑物的重要组成部分。
本文将重点介绍混凝土的动力学性能原理及其应用。
二、混凝土的动力学性能原理1. 混凝土的力学性质混凝土的力学性质是指混凝土在外力作用下的变形和破坏特性。
混凝土的力学性质与混凝土中的水泥石、骨料、细集料、外加剂等因素有关。
水泥石是混凝土的主要成份，对混凝土的力学性质起着决定性的作用。
2. 混凝土的动力学性能混凝土在受到瞬间外力作用时，其应力、应变关系呈现出动态响应特性，即混凝土的动力学性能。
混凝土的动力学性能与混凝土的静态性能有所不同，其主要体现在以下几个方面。
（1）弹性模量：混凝土的弹性模量随着外力频率的增加而减小，即混凝土的动态弹性模量小于静态弹性模量。
（2）泊松比：混凝土的泊松比随着外力频率的增加而增大，即混凝土的动态泊松比大于静态泊松比。
（3）抗拉强度：混凝土的抗拉强度随着外力频率的增加而减小，即混凝土的动态抗拉强度小于静态抗拉强度。
（4）动态强度：混凝土的动态强度是指在动态加载下混凝土的承载能力。
混凝土的动态强度随着外力频率的增加而减小，即混凝土的动态强度小于静态强度。
三、混凝土的应用1. 地震工程混凝土的动力学性能使其成为地震工程中重要的建筑材料。
混凝土能够吸收地震作用下的能量，在地震中保护建筑的安全。
此外，混凝土与钢筋的组合构件能够提高建筑的抗震能力。
2. 道路工程混凝土在道路工程中的应用主要包括混凝土路面、桥梁和隧道等。
混凝土路面是道路工程中最常见的应用，其具有平整、耐磨、防滑等特点。
混凝土桥梁和隧道具有优异的抗压和抗拉性能，能够承受大量的交通荷载。
3. 水利工程混凝土在水利工程中的应用主要包括水坝、水电站、渠道等。
混凝土水坝具有良好的抗震、抗滑、防渗等特点，能够有效地保护水资源和人民生命财产安全。
混凝土水电站具有高效、环保等特点，能够有效地满足人民对能源的需求。
第四节、混凝动力学知识交流
第四节、混凝动力学影响混凝效果的因素中，水力条件是个重要因素，要达到最佳的混凝效果，应该创造良好的水力条件，即设计合理的混合池和絮凝池，而混凝动力学正是其设计的基础。
一、基本概念1、异向絮凝（perikinetic flocculation ）异向絮凝指脱稳胶体由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象。
异向絮凝主要对微小颗粒d ＜1m μ起作用。
2、同向絮凝（orthokinetic flocculation ）同向絮凝指借助于水力或机械搅拌使胶体颗粒相碰撞而凝聚的现象。
同向絮凝主要对大颗粒d ＞1m μ起作用。
说明：（1）在混合和絮凝初期，主要表现为异向絮凝，形成微絮凝体；（2）在絮凝初期以后，则主要表现为同向絮凝，形成粗大絮凝体；（3）两者在时间上没有严格区分，在任何阶段都可能同时存在，只是程度不同。
3、碰撞速率碰撞速率指单位时间、单位体积内颗粒的碰撞次数。
4、絮凝速率絮凝速率指单位时间、单位体积内颗粒总数量浓度的减少速率。
[絮凝速率]＝－1/2[碰撞速率]因为：（1）在计算颗粒i 和颗粒j 碰撞次数时，是将两个颗粒相互碰撞数计算了两次，即i 向j 碰撞一次，j 又向i 碰撞一次。
而实际上两个颗粒一次相碰就相互凝聚成一个大的颗粒，故絮凝速率为总计算碰撞数的1/2。
（2）负号表示颗粒总数量随絮凝时间而减少，这是小颗粒相互结成大颗粒的结果。
二、异向絮凝布朗运动为一种无规则的热运动，将导致水中颗粒相互碰撞。
假设：①水中胶体颗粒已完全脱稳；②颗粒每次碰撞都是有效碰撞，都会导致颗粒相互聚集，使小颗粒变成大颗粒；③颗粒为均匀球体。
根据费克扩散定律，可导出颗粒碰撞速率为：28n dD N B P π= （2－7） 式中，N P —— 单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率（1/cm 3·s ）； D B —— 布朗运动扩散系数（cm 2/s ）；d —— 颗粒直径（cm ）；n —— 颗粒数量浓度（个/cm 3）。
混凝土的动力学性能原理及其应用
混凝土的动力学性能原理及其应用一、前言混凝土是一种常用的建筑材料，具有广泛的应用领域。
混凝土的力学性能是其能否承受外部荷载并保持稳定的关键因素。
然而，混凝土在受到外力作用时会发生变形和破坏，因此需要了解混凝土的动力学性能，以便更好地应用于实际工程中。
本文将深入探讨混凝土的动力学性能原理及其应用。
二、混凝土的力学性质1. 弹性模量弹性模量是指在弹性阶段，单位应变下应力的比值。
混凝土的弹性模量受到多种因素的影响，如水胶比、骨料种类和大小、龄期等。
通常情况下，混凝土的弹性模量约为剪切模量的10倍。
2. 抗拉强度混凝土的抗拉强度相对较低，通常只有其抗压强度的10%左右。
这是因为混凝土在受到拉应力时会出现微裂纹，导致强度降低。
因此，在实际工程中，需要采取一些措施来增强混凝土的抗拉强度，如添加钢筋等。
3. 抗压强度混凝土的抗压强度是指在试验条件下，单位面积的混凝土能够承受的最大压应力。
混凝土的抗压强度受到多种因素的影响，如水胶比、骨料种类和大小、龄期等。
通常情况下，混凝土的28天抗压强度为20~50 MPa。
4. 压缩变形混凝土在受到压应力时会发生压缩变形，即体积缩小。
混凝土的压缩变形受到多种因素的影响，如水胶比、骨料种类和大小、龄期等。
通常情况下，混凝土的压缩变形率为0.002~0.003。
三、混凝土的动力学性能1. 动力学力学性能混凝土在受到动态荷载作用时，其力学性能会发生变化。
例如，在地震或爆炸等情况下，混凝土的强度和变形能力会受到影响。
因此，需要研究混凝土的动力学性能，以便更好地应对这些情况。
2. 疲劳性能混凝土在受到反复荷载作用时，会出现疲劳现象，即强度和变形能力逐渐降低。
这是由于混凝土中的微裂纹会逐渐扩展，导致强度降低。
因此，需要对混凝土的疲劳性能进行研究，以便更好地应对这些情况。
3. 冻融性能混凝土在受到冻融循环作用时，会出现开裂现象，导致强度降低。
这是由于混凝土中的水会在冻结时膨胀，导致混凝土受到应力。
第四章混凝动力学精品PPT课件
上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所
处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、
水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等，
另一类是主观因素，即可以通过人为改变的一些
混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件
等。
中国环评网： 收集整理
• 一、水温
• 水温低时 • 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，
•
我们知道，AL2(SO4)3在水解过程中要产
生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2 。
• H+ + HCO3- = CO2 + H2O 这使水中碳酸平衡
发生变化,PH相应地降低.三价铁盐水解反应同样
受PH值的控制，(FeCL36H2O)
•
Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+
•
G——速度梯度 （S-1）
• 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗；
•
PV=gQh…………………………
•
V=QT…………………………… (11)
• 将和(11)代入得：
•
G
gh T
……………..（12）
• g——重力加速度（9.8m/s2)
• h——混凝设备中的水头损失（m)
•
Np=8dDBn2…………………..
•
Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s）
•
n——颗粒数量浓度；（个/ cm3 ）
•
d——颗粒直径；（cm)
•
DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)
中国环评网： 收集整理
混凝
本章小结
简单水合铝离子 主要是多核羟基配合物对带 有负电荷的胶体起电性中和 作用，凝聚体比较密实；
pH<3 pH＝ 7～7.5
[Al(H2O)6 ]3+可起压缩胶体双
电层作用；
pH＝ 4.5～6.0
pH＝ 6.5～7.8
电中性氢氧化铝聚合物 [Al(OH)3]n可起吸附架桥作用， 同时也存在某些羟基聚合物的 电性中和作用。
三、胶粒之间的作用力关系
胶体布朗运动的平均动能Eb=1.5kT （k为波兹曼常数，T为水的热力学 温度）。
排 斥 势 能 ER
r
r
Er E Emax
(a)
0
a
c
间距x
吸 引 势 能 EA
Ea
当胶体距离x<oa或x>oc时，吸引势 能占优势； 当oa <x< oc时，排斥势能占优势； 当x=ob时，排斥势能最大，称为排 斥能峰Emax。 只有x<oa时，即Eb> Emax时，凝聚 才会发生。 胶体的布朗运动能量大于排斥能峰 时，胶体颗粒能发生凝聚。 水中胶粒排斥能峰Emax远远大于Eb， 故胶粒处于稳定状态。上述颗粒间 势能的概念简称DLVO理论。
[Al(OH) (H O) ]+ H O = [Al(OH) (H O) ] + H O
3 2 3 2 4 2 2 3
+
2、羟基桥联 生成两核络合物。PH升高时，溶液会平行交错进行两类反应
：一类是羟基桥联的络合反应，其结果使生成物中Al核数目及
电荷数目都不断增多。
OH
2
O)5]2+ + [Al(OH)(H2O)5]2+
羟基桥联反应。
第4章 混凝
（4）聚合氯化铝 • 无机高分子混凝剂，20世纪60年代在日本首先 进入使用阶段。化学式：Al2(OH)nCl6-n]m，n＝ 1～5，m≤10。 • 优点：(1)应用范围广，对各种废水都可以达到 好的混凝效果。(2)易快速形成大的矾花，沉淀 性能好，投药量一般比硫酸铝低，过量投加时 也不会象硫酸铝那样造成水浑浊。(3)适宜的pH 值范围较宽(在5-9间)，且处理后水的pH值和碱 度下降较小。(4)水温低时，仍可保持稳定的混 凝效果。(5)其碱化度比其他铝盐、铁盐为高， 因此药液对设备的侵蚀作用小。
排 斥 势 能 ER 0 吸 引 势 能 EA a
r Er E Emax c 间距x (a )
r
Ea
相互作用势能与颗粒距离关系 （a)双电层重叠； (b)势能变化曲线
二、混凝机理
1、压缩双电层 加入电解质，形成与反离子同电荷的离子， 产生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶 体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。 港湾处的沉积现象：淡水进入海水时，其中 的盐的含量增加，离子浓度增高，淡水挟带 的胶体颗粒的稳定性降低。所以在海湾处， 粘土和其他胶体颗粒容易沉淀，最终形成三 角洲。
第4章 混凝
混凝机理 混凝剂和助凝剂
混凝动力学
影响混凝效果的主要因素 混凝剂的配制和投加
混合和絮凝设备
几个基本概念
混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过 程。包括凝聚和絮凝两个过程。 凝聚(Coagulation) ：胶体失去稳定性的过程。 絮凝(Flocculation) ：脱稳胶体相互聚集。 凝聚是瞬时的，只需将化学药剂扩散到全部水 中的时间即可；絮凝需要一定的时间让絮体长 大，但在一般情况下两者难以截然分开。
负离子
滑动面
混凝机理ppt课件
①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质 和浓度等；
②投加的凝聚剂种类与数量； ③使用的絮凝设备及其相关水力参数。
4.2水温影响
水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗 粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有： ①无机盐水解吸热； ②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱； ③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍 凝聚； ④水温与水的pH值有关
适宜pH：5~11，但腐蚀 性强
国外开始增多，国内尚 少
人工 合成 有 机
淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等
天然 微生物絮凝剂
2.2 助凝剂 助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果 的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以 参加混凝，也可不参加混凝。广义上可 分为以下几类： ①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸 等； ②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸 （SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂； ③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有 机物。如投加Cl2、O3等。
4.3水的pH和碱度影响
水的pH值对混凝效果的影响程度， 与混凝剂种类有关。 混凝时最佳pH范围与原水水质、去 除对象等密切有关。 当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会 生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱 度不够时需要投加石灰。
胶粒 高分子 胶粒 排斥 胶粒
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架 桥 模 型 示 意
图 6-6 胶 体 保 护 示 意
3．网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的 网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含 量成反比，即当原水胶体含量少时，所需 混凝剂多，反之亦然。
2 混凝剂和助凝剂
2.1 混凝剂 混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对 人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低 廉。 目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为 无机与有机两大系列，见表6-1。 与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适 用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝 体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝； ④但三氯化铁腐蚀性较强。 硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便 将二价铁氧化成三价铁。
惯性效应在混凝中的动力学作用
惯性效应在混凝中的动力学作用惯性效应在混凝中的动力学作用（提要）本文首次从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对混凝的动力学问题进行了研究，提出了惯性效应是絮凝的动力学致因；提出了湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素，并建立了絮凝的动力相似准则。
文章指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物理过程，而亚微观扩散的动力学致因是惯性效应，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。
一、絮凝动力学的研究现状絮凝长大过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。
絮凝效果的好坏取决下面两上因素：（1）是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸咐桥的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；（2）是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的。
导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么，人们一直未搞清楚。
水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因，并用下面公式计算速度梯度：（略）式式P为单位水体的能；μ为液体的动力粘滞系数。
由于上面公式是在层流的条件下导出的，它是否适用于流态，一直是人们所关心的湍流的絮凝池。
这个问题一直未有结论。
实际上，上面公式是层流条件下的速度梯度。
对于湍流来说由于湍动涡旋的作用，大大地增加湍流中的动量交换，大大地均化了湍流中的速度分布，所以湍流中的速度梯度远远小于上式计算的数值。
既然如此，上面公式在给水处理的工程界中为什么可以用了半个世纪呢？因为上面公式中P（单位水体能耗）这一项与湍流中的微涡旋有着密切关系，从后面文章内容我们可以看到，正是这些湍流的微结构决定了水中微小颗粒的动力学特性和它们之间的碰撞。
通过几十年的工程实践人们积累了上面公式大量的经验数据，用此来指导工程设计当然不会出现大的问题。
但上述公式对改善现有的絮凝工艺并没有任何价值。
因为提高絮凝效果就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须增加水体的能耗，也就是增加絮凝池的流速。
但是絮凝过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减小。
第4章 混凝
凝聚是瞬时的，所需的时间是将化学药剂扩 散到全部水中的时间。 絮凝则与凝聚作用不同，它需要一定的时间 让絮体长大，但在一般情况下两者难以截然分 开。 混凝剂(coagulant)：一般把能起凝聚与絮凝 作用的药剂统称为混凝剂。 助凝剂(coagulant aids)：当单用混凝剂不能 取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高 混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。
第4章 混 凝 Coagulation
1
主要内容
一、混凝原理和用途 二、废水中胶体颗粒的稳定性及脱稳机理 三、混凝的工艺过程 四、混凝剂与助凝剂 五、投药方法及设备 六、混合与反应 七、影响混凝的因素 八、沉降与澄清 九、混凝方法的优缺点
一、混凝原理和用途
混凝法是废水处理中常采用的方法。 •混凝是通过向废水中投加混凝剂(coagulant)，破坏 胶体的稳定性，使细小悬浮颗粒和胶体微粒聚集 (aggregation)成较粗大的颗粒而沉降与水分离，使 废水得到净化。
1.混凝剂
铝系 无 机 铁系 硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 适宜pH：5.5~8
适宜pH：5~11，但 腐蚀性强
阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物
人工 合成 有 机 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM） 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙 烯（PEO） 两性型： 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 天然 微生物絮凝剂
（1）压缩双电层机理 (modification of the electrical double layer)
•双电层的厚度与溶液中的反离子的浓度有关。 当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增 高时，则扩散层的厚度将减小。 •该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反 离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到 吸附层中，从而使扩散层厚度减小。 •由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中国环评网： 收集整理
• 一、水温
• 水温低时 • 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重 量和强度，提高沉速。
中国环评网： 收集整理
• 扩散系数DB可用斯笃克斯—曼因斯坦公式表示： •
KT ………………………………. DB 8d
• K——波兹曼常数,(1.3810-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将式代入式
中国环评网： 收集整理
• 三、混凝控制指标
• 在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度 快速剧烈，通常在1030 S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速 度梯度计，一般G=7001000 S-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。 在絮拧阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。 通常以G值和GT作为控制指标。G=2070 S-1 范围内，GT=1×104 1×105 范围内。
•第四章 混凝动力学
中国环评网： 收集整理
• 4.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
收集整理
• ：
• 所谓的速度梯度，就是指两相邻水层的水流速度差和它们之 间的距离之比，以G表示。
•
u G Z
单位体积水流所耗功率P为
P G
中国环评网： 收集整理
• 根据牛顿内摩擦定律：=G代入式 • …………………………….. p
中国环评网： 收集整理
4.2影响混凝的因素
• 影响混凝效果的因素较多也很复杂，但总体 上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所 处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、 水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等， 另一类是主观因素，即可以通过人为改变的一些 混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件 等。
•
•
• •
有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以 CVGT 或 aCVGT 值作为控制指标。
CV——水中颗粒体积浓度。 a——颗粒有效碰撞系数。 如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。 从理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但 具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继 续研究的目标。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
•
• • • •
Np=8dDBn2…………………..
Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n——颗粒数量浓度；（个/ cm3 ） d——颗粒直径；（cm) DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)
中国环评网： 收集整理
• 二、水的pH值和碱度
• 水的PH对混凝效果影响很大，对一般的浑 浊水，投硫酸铝的最佳PH范围为6.57.5。 • 我们知道，AL2(SO4)3在水解过程中要产 生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2 。 • H+ + HCO3- = CO2 + H2O 这使水中碳酸平衡 发生变化,PH相应地降低.三价铁盐水解反应同样 受PH值的控制，(FeCL36H2O) • Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+
•
8 NP KTn 2 3
…………………………….
• 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大 于1m，布朗运动消失。
• 二、同向絮凝
• 同向絮凝简称须凝,它在整个混凝过程中占有十分重要的地位.
中国环评网： 收集整理
•
如图所示,当水流处于层流状态下的 流速分布, i和j颗粒均跟随水流前进.由 于 I颗粒当前进速度大于j颗粒，则在某 一 时刻，i与j必将碰撞。设水中颗粒为 均 匀球体，di=dj=d ,则再以j颗粒中心 为 圆心，Rij为半径的范围内的所有i和 j 颗粒均会发生碰撞。 • 碰撞速率N0为： • 4 N 0 n 2 d 3G • ………………………….. 3 • . U G • ……………………………. Z • G——速度梯度(S-1) • u和u——分别为流速和相邻两流层的流速增量(cm/s) • z——垂直与水流方向的两流层之间距离(cm) • n和d为原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在混凝设备中， 往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。 • • • • • • •
——水的动力黏度 （pas) p——单位体积流体所耗功率 （w/m3) G——速度梯度 （S-1） 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗； PV=gQh………………………… V=QT…………………………… (11) 将和(11)代入得： gh G T ……………..（12） g——重力加速度（9.8m/s2) h——混凝设备中的水头损失（m) ——水的运动黏度（m2/s） T——水流在混凝设备中的停留时间（s)