混凝搅拌实验
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[CaO]=3[a]-[x]+[] [CaO]：纯石灰投加量, mmol/L [a]：混凝剂投量，mmol/L； [x]：原水碱度, mmol/L []：保证反应顺利进行的剩余碱度，
一般取0.25-0.5mmol/L
缩聚反应 ： 两个相邻－OH－发生架桥，产生高价聚合离子
2[Al(OH)(H2O)5]2+
荷兰（1941年）：伏维（Verwey）
（Overbeek）
奥贝克
DLVO理论
只适用于憎水性胶体
胶体的凝聚：
降低静 电位 势垒 脱 凝
电斥力
稳聚
加入电解质 只适用于憎水性胶体
第3节 水的混凝机理与过程
一、硫酸铝在水中的化学反应
硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具 有代表性。
硫酸铝 Al2(SO4)318H2O
三、DLVO理论
静电斥力：ER－1/x2
ER
范德华引力：EA－1/x6 （有些认为是1/x2或1/x3）
E
Emax（势垒）
布朗运动能量 Eb＝1.5kT<Emax
EA
x>oa 稳定
x>oc 二次凝聚
x<oa 一次凝聚
苏 联 （ 1938 年 ） ： 德 加 根 （Derjaguin）
兰 道 （ Landon ）
凝聚（Coagulation）：胶体脱稳、凝聚 絮凝（Flocculatio）n ：脱稳胶体变大 混凝：包括两者
在水与废水中 体系复杂
（大小、成份）
胶体化学 单一体系
1．压缩双电层理论
根据DLVO理论
电解质（混凝剂）加入 与反离子同电荷离子 压缩双电层 电位 稳定性 凝聚
理论上电位＝0，等电状态效果最好 实际只需电位 k Emax 0
•尺寸范围：1nm~0.1m（有时认为在1m）
•水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m）
80m）
细 菌 （ 0.2m-
300nm)
病毒
(10nm-
蛋白质（1nm-
混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚 生长成大矾花,以便在后续沉淀工艺中去除。
以地面水为水源的给水处理工艺： 原水 混凝 沉淀 过滤 消毒 饮用水
废水深度处理：
二级生物 处理出水
混凝沉淀
过滤
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：
1.胶体性
质
3.胶体与混凝
剂的相互作用
2.混凝剂在水中 溶解与形态
第2节 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）
[Al(H2O)6]3+
6个配位水分子 (八面体)
水解过程 （配位水分子）：
[Al(H2O)6]3+[Al(OH)(H2O)5]2++ H+ …价数，pH ，最终产生Al(OH)3沉淀。
水解需要的碱度： H+ + OH- H2O H+ + HCO3- CO2+ H2O
水中碱度不足时，投加石灰。
CaO + H2O Ca(OH)2 石灰投加量：
1 微米的颗粒沉淀10 厘米需要20小时。
憎水胶体 ：吸附层中离子直接与胶核接 触，水分子不直接接触胶核的胶体。 亲水胶体 ：胶体微粒直接吸附水分子。
极性集团：－OH，－COOH，－NH2
吸附层
扩散层
二、胶体双电层结构
电位形成离子 异号电荷 动电位
粘土=-15~-40mV 细菌=-30~-70mV
[(H2O)4Al
OH OH
Al(H2O)4]4++ 2H2O
…电荷升高，聚合度增大
H2O
Biblioteka Baidu
H2O
H2O
OH
H2O
H2O
OH
Al
Al H2O
H2O
H2O
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、水的混凝机理
吸附电中和与吸附架桥协同作用
铝聚合物形态对混凝的影响？
•“六元环”结构模型（最稳定结构）：6个6配位八面 体的铝原子的结构—— Al6(OH)12(H2O)126+
•“Al13”结构模型：12个6配位八面体的铝原子围绕1个 4配位的铝原子。一般认为Al13是PAC中最佳的凝聚－ 絮凝成份，其含量反映了产品的品质。
第二章 混凝搅拌
实验
(Coagulation and Flocculation)
第1节 混凝的去除对象 第2节 胶体的性质 第3节 水的混凝机理与过程 第4节 混凝剂与助凝剂 第5节 混凝动力学 第6节 混凝影响因素 第7节 混凝设备 第8节 混凝的应用
第1节 混凝的去除对象
•混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物
第4节 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂(Coagulant) 无机混凝剂
铁盐形成的絮体比 铝盐絮体密实，但 腐蚀性强，有颜色。
聚合氯化铝 PAC：[Al2(OH)nCl6-n]m
m：聚合度，10 B （碱化度）＝[OH]/3[Al] ×100%（50-80%） •事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。 •对pH变化适应性强。 机理：
胶体电位――胶体脱稳――脱稳胶体凝聚 ――生长成d=10m的小矾花（Floc）
特点：剧烈搅拌，使混凝剂快速分散 在混合设备中完成
2. 絮凝（flocculation）
高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒 生长成大矾花(Floc)
（可以通过沉淀去除）d=0.6-1.2mm
特点：需要一定时间使矾花长大，搅拌从强弱 在絮凝设备中完成
临界电位
•很好地解释港湾处的沉积现象。 •叔采－哈代（Schulze-Hardy）法则:
凝聚能力离子价数6 该理论不能解释：
1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝 效果好。
2.吸附-电性中和作用机理
异号聚合离子 范德华力、氢键 + + 高分子 及共价键力
＋
铝盐可能的混凝机理
pH<3 pH=4－5 pH=6.5-7.5
简单水合铝离子压缩双电层 多核羟基络合物吸附电中和 多核羟基络合物吸附电中和 氢氧化铝起吸附架桥、网捕
天然水体一般pH=6.5-7.8
三、混凝过程 1. 凝聚（coagulation）
带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或 吸附电中和
＋
＋
＋
＋ ＋
胶粒
＋ ＋ ＋
3．吸附架桥机理（链状高分子聚合物）
使小胶体变大 （絮凝）
“胶体保护” 再稳现 象
4.网捕或卷扫机理
金属氢氧化物沉淀物在形成过 程中对胶粒的网捕。 小胶粒与大矾花发生接触凝聚
―――澄清池中发生的现象
在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。 目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。
一般取0.25-0.5mmol/L
缩聚反应 ： 两个相邻－OH－发生架桥，产生高价聚合离子
2[Al(OH)(H2O)5]2+
荷兰（1941年）：伏维（Verwey）
（Overbeek）
奥贝克
DLVO理论
只适用于憎水性胶体
胶体的凝聚：
降低静 电位 势垒 脱 凝
电斥力
稳聚
加入电解质 只适用于憎水性胶体
第3节 水的混凝机理与过程
一、硫酸铝在水中的化学反应
硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具 有代表性。
硫酸铝 Al2(SO4)318H2O
三、DLVO理论
静电斥力：ER－1/x2
ER
范德华引力：EA－1/x6 （有些认为是1/x2或1/x3）
E
Emax（势垒）
布朗运动能量 Eb＝1.5kT<Emax
EA
x>oa 稳定
x>oc 二次凝聚
x<oa 一次凝聚
苏 联 （ 1938 年 ） ： 德 加 根 （Derjaguin）
兰 道 （ Landon ）
凝聚（Coagulation）：胶体脱稳、凝聚 絮凝（Flocculatio）n ：脱稳胶体变大 混凝：包括两者
在水与废水中 体系复杂
（大小、成份）
胶体化学 单一体系
1．压缩双电层理论
根据DLVO理论
电解质（混凝剂）加入 与反离子同电荷离子 压缩双电层 电位 稳定性 凝聚
理论上电位＝0，等电状态效果最好 实际只需电位 k Emax 0
•尺寸范围：1nm~0.1m（有时认为在1m）
•水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m）
80m）
细 菌 （ 0.2m-
300nm)
病毒
(10nm-
蛋白质（1nm-
混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚 生长成大矾花,以便在后续沉淀工艺中去除。
以地面水为水源的给水处理工艺： 原水 混凝 沉淀 过滤 消毒 饮用水
废水深度处理：
二级生物 处理出水
混凝沉淀
过滤
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：
1.胶体性
质
3.胶体与混凝
剂的相互作用
2.混凝剂在水中 溶解与形态
第2节 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）
[Al(H2O)6]3+
6个配位水分子 (八面体)
水解过程 （配位水分子）：
[Al(H2O)6]3+[Al(OH)(H2O)5]2++ H+ …价数，pH ，最终产生Al(OH)3沉淀。
水解需要的碱度： H+ + OH- H2O H+ + HCO3- CO2+ H2O
水中碱度不足时，投加石灰。
CaO + H2O Ca(OH)2 石灰投加量：
1 微米的颗粒沉淀10 厘米需要20小时。
憎水胶体 ：吸附层中离子直接与胶核接 触，水分子不直接接触胶核的胶体。 亲水胶体 ：胶体微粒直接吸附水分子。
极性集团：－OH，－COOH，－NH2
吸附层
扩散层
二、胶体双电层结构
电位形成离子 异号电荷 动电位
粘土=-15~-40mV 细菌=-30~-70mV
[(H2O)4Al
OH OH
Al(H2O)4]4++ 2H2O
…电荷升高，聚合度增大
H2O
Biblioteka Baidu
H2O
H2O
OH
H2O
H2O
OH
Al
Al H2O
H2O
H2O
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、水的混凝机理
吸附电中和与吸附架桥协同作用
铝聚合物形态对混凝的影响？
•“六元环”结构模型（最稳定结构）：6个6配位八面 体的铝原子的结构—— Al6(OH)12(H2O)126+
•“Al13”结构模型：12个6配位八面体的铝原子围绕1个 4配位的铝原子。一般认为Al13是PAC中最佳的凝聚－ 絮凝成份，其含量反映了产品的品质。
第二章 混凝搅拌
实验
(Coagulation and Flocculation)
第1节 混凝的去除对象 第2节 胶体的性质 第3节 水的混凝机理与过程 第4节 混凝剂与助凝剂 第5节 混凝动力学 第6节 混凝影响因素 第7节 混凝设备 第8节 混凝的应用
第1节 混凝的去除对象
•混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物
第4节 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂(Coagulant) 无机混凝剂
铁盐形成的絮体比 铝盐絮体密实，但 腐蚀性强，有颜色。
聚合氯化铝 PAC：[Al2(OH)nCl6-n]m
m：聚合度，10 B （碱化度）＝[OH]/3[Al] ×100%（50-80%） •事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。 •对pH变化适应性强。 机理：
胶体电位――胶体脱稳――脱稳胶体凝聚 ――生长成d=10m的小矾花（Floc）
特点：剧烈搅拌，使混凝剂快速分散 在混合设备中完成
2. 絮凝（flocculation）
高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒 生长成大矾花(Floc)
（可以通过沉淀去除）d=0.6-1.2mm
特点：需要一定时间使矾花长大，搅拌从强弱 在絮凝设备中完成
临界电位
•很好地解释港湾处的沉积现象。 •叔采－哈代（Schulze-Hardy）法则:
凝聚能力离子价数6 该理论不能解释：
1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝 效果好。
2.吸附-电性中和作用机理
异号聚合离子 范德华力、氢键 + + 高分子 及共价键力
＋
铝盐可能的混凝机理
pH<3 pH=4－5 pH=6.5-7.5
简单水合铝离子压缩双电层 多核羟基络合物吸附电中和 多核羟基络合物吸附电中和 氢氧化铝起吸附架桥、网捕
天然水体一般pH=6.5-7.8
三、混凝过程 1. 凝聚（coagulation）
带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或 吸附电中和
＋
＋
＋
＋ ＋
胶粒
＋ ＋ ＋
3．吸附架桥机理（链状高分子聚合物）
使小胶体变大 （絮凝）
“胶体保护” 再稳现 象
4.网捕或卷扫机理
金属氢氧化物沉淀物在形成过 程中对胶粒的网捕。 小胶粒与大矾花发生接触凝聚
―――澄清池中发生的现象
在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。 目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。