化学混凝法

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胶核
电位离子 束 缚 反 离 子
扩 散 层
(2) 胶 体 的 结 构
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滑动面 胶团边界
吸附层
胶体的双电 层结构模型
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胶体粒子的结构式:
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源自文库
例:氢氧化铁胶体由三氯化铁水解形成。 试写出氢氧化铁胶体粒子的结构式。 解:氢氧化铁胶体粒子的结构式如下所示:
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(4) 胶体保持稳定的原因
1)胶体微粒的带电性。同类的胶体微粒间的静
电斥力阻止微粒间彼此接近而聚合成较大的颗粒。
2)水化作用。带电荷的胶粒和反离子都能与周
围的水分子发生水化作用,形成一层水化壳,阻
碍各胶粒的聚合。 上述分析说明,水中胶体物质是相当稳定的,要想 去除它,首先要使它们脱稳,然后凝聚和絮凝。
粗分散体系(悬浮液):分散相粒度>100nm。 胶体分散体系(胶体溶液):分散相粒度为1~100nm。
分子 - 离子分散体系(真溶液):
分散相粒度为0.1~1nm。
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吸附法等处理
混凝法处理
自然沉淀或 过滤处理
0.1nm 0.1nm
1nm 1nm 100nm
100m 粒度
真溶液
子型(cationic)和非离子型(nonionic)
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• 特点:高分子混凝剂一般为链状结构,各单体间 以共价键结合。高分子混凝剂溶于水中,将生成 大量的线形高分子。
• 作用机理: (a)由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用 对胶粒的吸附结合; (b)线型高分子在溶液中的吸附架桥作用。
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三、混凝剂与助凝剂
• 凝聚(coagulation)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(flocculation) 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(coagulation - flocculation) • 习惯上将低分子电解质称为凝聚剂,而将高分子药剂称为 絮凝剂。 • 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。
• 有些杂质的存在能促进混凝过程。而有些 物质则不利于混凝的进行。
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2.混凝剂的影响
(1)混凝剂种类(kinds of coagulants) • 混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物 的性质、浓度。 • 如水中污染物主要呈胶体状态,且电位较高, 则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚,如絮 体细小,还需投加高分子混凝剂或配合使用 活性硅酸等助凝剂。 • 很多情况下,将无机混凝剂与高分子混凝剂 并用,可明显提高混凝效果,扩大应用范围。
第2章
污水的化学处理法
2.1 化学混凝法
2.2
2.3
中和法
化学沉淀法
2.4
氧化-还原法
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2.1 化学混凝法(Coagulation)
概述 混凝原理 混凝剂和助凝剂
影响混凝的主要因素
混凝工艺过程与设备
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一、概 述
1、废水分散体系
根据分散相粒度不同,废水可分为三类:
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(3) 电位(总电位)与 电位(电动电位)
•胶粒与溶液主体之间的电位差,称为电动电位,
常称电位。
•胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位称 为总电位或称电位 。 •在总电位一定时,扩散层愈厚, 电位愈高; 反之扩散层愈薄, 电位也愈低。 •电位引起的静电斥力,阻止胶粒互相接近和 接触碰撞。
因为废水中胶粒少,当聚合物伸展部分一端吸附一个胶粒后, 另一端因粘连不着第二个胶粒,只能与原先的胶粒粘连,就 不能起架桥作用,从而达不到混凝的效果。
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高分子絮凝剂对胶体或微粒的吸附架 初期 吸附 絮体 桥作用示意图
形成

在吸附桥联过程中,胶粒并不一定要脱稳,也无需 直接接触。该机理可解释非离子型或带同号电荷离 子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。
(3)氧化剂
• 可投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来 破坏有机物,以提高混凝效果。
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四、影响混凝的因素
废水水质 混凝剂
水利条件
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1.废水水质的影响
(1)浊度(turbidity)
• 浊度过高或过低都不利于混凝,浊度不同, 所需的混凝剂用量也不同。
3.水力条件的影响
• 水力条件对混凝效果有重要影响。 • 两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。 • 混合阶段:要求混凝剂与废水迅速均匀混合,为
在一般情况下,不论混凝剂为何种离子型,对不同电性的 胶体和细微悬浮物都是有效的。但如为离子型,且电性与 胶粒电性相反,就能起降低电位和吸附架桥双重作用,可 明显提高絮凝效果。
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2.助凝剂
(1)pH调整剂
• 常用石灰、硫酸、氢氧化钠、碳酸钠等。
(2)絮体结构改良剂
• 如活性硅酸、粘土等。
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溶液中离子浓度与扩散层厚度 的关系
溶液中离子 浓度低时, 扩散层厚度 反 离 为OA 子 浓 溶液中离子 度 浓度高时, 扩散层厚度 O 减小为OB
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溶液中离子浓度高 溶液中离子浓度低
B A
到颗粒表面的距离
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港湾处泥沙沉积现象可用该机理较好地解释。
因为淡水进入海水时,海水中盐类浓度较大, 使淡水中胶粒的稳定性降低,易于凝聚,所 以在港湾处泥砂易沉积。 该机理无法解释的现象:如以三价铝盐或铁 盐作混凝剂,当其投量过多时,凝聚效果反而下 降,其至重新稳定。 压缩双电层机理只是通过单纯静电现象来说明 电解质对脱稳的作用,如仅用它来解释水中的混 凝现象,会产生一些矛盾。为此,又提出了其他 几种机理。
• 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。
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1.混凝剂
无机盐类 (铁盐和铝盐) 类型 有机高分子类 普通铝、铁盐 聚合铝、铁盐
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(1)无机盐类
1)普通铝、铁盐 –普通铝盐:硫酸铝、明矾等 – 普通铁盐:三氯化铁、硫酸亚铁、硫 酸铁等 2)聚合铝、铁盐 –聚合氯化铝 –聚合硫酸铁
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一般的投加量范围: (2)混凝剂投加量(dosage) 普通铁盐、铝盐为10~30mg/L; • 与水中微粒种类、性质、浓度有关; • 与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。 聚合盐为普通盐的1/2~1/3; • 最佳混凝剂和最佳投药量,应通过试验确定。 有机高分子混凝剂通常只需1~5mg/L。
光学性质:在水溶液中能引起光的反射的性质。 力学性质:主要是指胶体的布朗运动。 表面性能:比表面积大,具有极大的表面自由 能,使胶体颗粒具有强烈的吸附能力和水化作用。 动电现象:胶体的动电现象包括电泳与电渗。 电泳现象说明胶体微粒是带电的。
胶体的稳定性正是上述特性的综合表现,尤其是胶粒之间的静 电斥力的作用结果。如要了解胶体带电现象和使胶体脱稳的途 径,就必须研究胶体的结构。
(3)混凝剂投加顺序(sequence) 若投加量过量,很容易造成胶体的再稳。
•最佳投加顺序可通过试验来确定。
•一般而言,当无机与有机并用时,先加无机混凝剂, 再加有机混凝剂。 •但当处理的胶粒在50m以上时,常先加有机混凝剂 吸附架桥,再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。
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• 电位对于某类胶体而言,是固定不变的, 它无法测出,也不具备实用意义。 • 电位可通过电泳或电渗计算得出,测定 电位可确定电荷大小以及稳定程度。它随着 温度、PH值及溶液中反离子浓度等外部条件 而变化,在水处理中具有重要的意义。

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q—电动电荷密度 δ—扩散层厚度 ε—水的介电常数
混凝:包括凝聚和絮凝两个过程。
混凝机理:可分为压缩双电层、吸附电中和、吸 附架桥、沉淀物网捕四种。
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(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。
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二、混凝原理
• 混凝是通过向废水中投加化学药剂—— 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淀, 得以与水分离,使废水得到净化。
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1、废水中胶体颗粒的稳定性 (1)胶体特性
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2.胶体的脱稳机理
胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的 稳定性(stabilization)。 胶体因电位降低或消除,从而失去稳定性的过 程称为脱稳(destabilization)。
凝聚:指脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程。
絮凝:指未经脱稳的胶体形成大颗粒絮体的过程。
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(3)吸附架桥(桥连)机理 (polymer bridging of colloids)
• 吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电
引力、范德华力和氢键力等作用下,通过活性部 位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的过程。L
• 本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果
不好的现象。
[Fe(OH)3]m nH+
胶核 (nuclear)
电位形 成离子 束缚反 离子
(n-x)Cl-x+ x Cl-
扩散层 diffuse layer
自由反 离子
吸附层 stationary layer
胶粒(colloidal particle)
胶团(colloidal micelle)
其中,m为胶核中的分子数;n为被吸附的电位离子数; (n-x)为吸附层中反离子数;x为扩散层中的反离子数。
胶体溶液
悬浮液
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2、去除对象:主要为废水中细小的悬浮颗 粒和胶体颗粒。 3、混凝法的用途
•可以用来降低废水的浊度和色度,去除多种高分子 有机物、某些重金属和放射性物质。如造纸、钢铁、 纺织、化工、食品等工业废水及城市污水的三级处理 •能改善污泥的脱水性能。如污泥处理 4、优点:设备简单,维护操作易于掌握,处理效果 好,间歇或连续运行皆可。 缺点:运行费用较高,沉渣量大,且脱水较困难。
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(2)吸附电中和机理 (electrical neutralization)
• 胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子 或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用, 由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷, 减少了静电斥力,降低了电位,使胶体的 脱稳和凝聚易于发生。 因为胶粒吸附了过多的反离子, • 显然,其结果与压缩双电层相同,但作用机 使原来的电荷变号,排斥力变 理是不同的。 大,从而发生了再稳现象。 • 铝盐和铁盐混凝剂投加量过多,凝聚效果反 而下降的现象,可以用本机理解释。
(2)pH值
• 在混凝过程中,都有一个相对最佳pH值存在, 使混凝反应速度最快,絮体溶解度最小。不 同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。
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1.废水水质的影响
(3)水温(temperature)
–水温会影响无机盐类的水解 –水温低,水的粘度增大,布朗运动减弱,混凝 效果下降。
(4)共存杂质(impurities)
(4)沉淀物网捕机理
(entrapment in the floc structure)
• 沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3) 或带金属的碳酸盐(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。
• 以上介绍的混凝的四种机理,在水处理中 往往可能是同时或交叉发挥作用的,只是 在一定情况下以某种机理为主而已。
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(2)有机高分子类 (polyelectrolytes)
• 分类:
–天然和人工两种,其中天然高分子混凝剂的应用
远不如人工的广泛,主要原因是其电荷密度小,
分子量较低,且容易发生降解而失去活性。
–根据高分子聚合物所带基团能否离解及离解后所
带离子的电性,可分为阴离子型(anionic)、阳离
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