水质工程学混凝

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(1) 铝总浓度为0.1mol/L ; (2)铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃
6.1.5 混凝机理
1.电性中和作用机理
电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电 中和 作用机理,见图6-4。
(1)压缩双电层
加入电解质加入,形成与反离子同电荷离子,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。
压缩双电层机理适用于叔采-哈代法则,即:凝 聚能力离子价数6。
该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以 下两种现象: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也 有良好的混凝效果。
滑动面
负离子 原有正离子 投加的正离子
Φ (-)
滑动面
Φ (-)
滑动面
电位Φ 电位Φ
(1)
吸引势能:EA-1/d6(有些认为是1/d2或1/d3)
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间 的关系,见图6-2。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。
胶体的布朗运动能量Eb=1.5kT,当其大于排斥 能峰时,胶体颗粒能发生凝聚。
(a)双电层重叠; (b)势能变化曲线
6.1.4 硫酸铝在水中的化学反应
硫酸铝Al2(SO4)·18H2O溶于水后,立 即离解出铝离子,通常是以[Al(H2O)6]3+存 在,但接着会发生水解与缩聚反应,形成不 同的产物。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 铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件 (水温、pH、铝盐投加量)有关,见图6-3
6.1混凝机理.
6.1.1 基本概念 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。
6.1.2 水中胶体的稳定性
6.1.6 硫酸铝的混凝机理
不同pH条件下,铝盐可能产生的混凝机 理不同。何种作用机理为主,决定于铝盐 的投加量、pH、温度等。实际上,几种可 能同时存在。
pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电 层作用;
pH=4~5 多核羟基络合物起吸附电性中 和;
pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥;
6.2 混凝剂和助凝剂
滑动面上的电位:称为电位,决定了憎水胶体 的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍, 当ξ电位降低,水化膜减薄及至消失。
滑动面
胶 核


ζ

δd
图 6-1 胶体双电层结构示意
6.1.3 DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能, 分别由静电斥力与范德华引力产生。
排斥势能:ER-1/d2
①高分子投量过少,不足以形成吸附架桥; ②但投加过多,会出现“胶体保护”现象,见 图6-6;
胶粒 高分子 胶粒
胶粒 排斥
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。
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。
聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝, 性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的 摩尔数之比,通常称之为碱化度B,按下式 计算:
B [OH ] 3[ Al ]
聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁,目前 常用的是聚合硫酸铁,它的混凝效果优于三 氯化铁,它的腐蚀性远比三氯化铁小。
胶体稳定性:是指胶体粒子在水中长期保持分散 悬浮状态的特性。
胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定” 两种。
动力学稳定性:无规则的布朗运动强,对抗重力 影响的能力强。
聚集稳定性包括:①胶体带电相斥(憎水性胶 体);②水化膜的阻碍(亲水性胶体)
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中,聚集稳 定性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒 的双电层结构见图6-1。
100 1.0
13.32 80
100 1.4
80
1.0
1.3
1.4
A1(Ⅲ)(%) A1(Ⅲ)(%)
60
60
1.2
40
40
20
1,3
20
1.1
13.32
3.4 2.2
2
4
1.1
6
8
PH
10 12
24
6
8
PH
10 12
图 6-3 在不同PH值下,铝离子水解产物[AL(x OH)](y3x-y)+ 的相对含量(曲线旁数字分别表示x和y)
表6-1 常用的混凝剂
硫酸铝
铝系
明矾 聚合氯化铝(PAC)
聚合硫酸铝(PAS)


三氯化铁
硫酸亚铁
铁系
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
国外开始增多,国内尚 少
人工
阴离子型:水解聚丙烯酰胺(HPAM)

Ⅰ δ Ⅲ δ
距离
(2)
Ⅰ δ
δ

δ
距离
Ⅲ 距离
(3)
图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用
(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。其特点是:当药剂投加量 过多时,电位可反号。
2.吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒,以及胶粒 与胶粒之间的架桥,架桥模型示意见图6-5。 高分子絮凝剂投加后,通常可能出现以下两个现 象:
6.2.1 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。
以上称为DLVO理论,只适用于憎水性胶体,由德 加根(derjaguin)、兰道(Landon)(苏联,1938 年独立提出〕,伏维(Verwey)、奥贝克 (Overbeek)(荷兰,1941年独立提出)。



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图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系
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