15 化学混凝中和沉淀

化学混凝
Water Pollution Control Engineering
(B)电性中和：由于电位离子对异电荷的吸附 减小了静 电性中和：由于电位离子对异电荷的吸附,减小了静 电性中和 电斥力,降低了 电位. 降低了ζ电位 电斥力 降低了 电位 但过多的吸附异电荷可能导致整个胶粒电荷变号,如由 但过多的吸附异电荷可能导致整个胶粒电荷变号 如由 原来的负电变为正电, 胶体反而又稳定. 原来的负电变为正电 胶体反而又稳定 (C)网捕作用 ： FeAl盐水解沉淀时 形成沉淀的过程网 网捕作用： 盐水解沉淀时,形成沉淀的过程网 网捕作用 盐水解沉淀时 捕胶体颗粒,物理作用 物理作用. 捕胶体颗粒 物理作用 需要混凝剂量与胶体量反比. 需要混凝剂量与胶体量反比
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
1. 化学混凝原理
以化学混凝剂使水中悬浮颗粒和胶体凝聚成大的颗粒从 以化学混凝剂使水中悬浮颗粒和胶体凝聚成大的颗粒从 悬浮颗粒和胶体 而沉降的水处理技术. 范围在： 而沉降的水处理技术 范围在 ： 1nm~0.1µm（ 或 1µm） µ （ µ ） 去除对象:粘土 细菌(0.2µm-80µm), 病毒 去除对象 粘土(50nm-4µm), 细菌 粘土 µ µ µ (10nm-300nm),蛋白质 蛋白质(1nm-50nm),腐殖酸 蛋白质 腐殖酸 去除对象：颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物， 去除对象：颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一 种化学方法. 种化学方法 1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方开始使用 年 我国开始使用明矾净水, 年
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
水处理去除微小颗粒物的方法对比: 水处理去除微小颗粒物的方法对比
混凝 反渗透 超滤
Ǻ 1nm 1µ m
砂滤 微滤
1mm
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
1.1 胶体及其稳定性
1)． 1)．水解过程
配位水分子发生水解： 配位水分子发生水解： [Al(H2O)6]3+ + H2O → [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O + [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O → [Al(OH)2(H2O)4] + + H3O + ……. 其结果是：最终产生 其结果是：最终产生Al(OH)3沉淀
化学混凝
(2)胶体的双电层结构 胶体的双电层结构: 胶体的双电层结构 带负电荷的胶核表面 层为负电荷的离子(电 层为负电荷的离子 电 位离子),电位离子又在 位离子 电位离子又在 外围吸引电荷,形成固 外围吸引电荷 形成固 定离子层与扩散离子 两层之间为滑动面, 层 ,两层之间为滑动面 两层之间为滑动面 以内部分为胶粒.滑动 以内部分为胶粒 滑动 面与扩散层(溶液 溶液)的电 面与扩散层 溶液 的电 位为ζ电位 电位. 位为 电位
Water Pollution Control Engineering
混凝原理, 混凝剂, 影响混凝的因素, 混凝原理 混凝剂 影响混凝的因素 混 凝设备, 混凝工艺与应用. 凝设备 混凝工艺与应用
2.化学中和 化学中和 3.化学沉淀 化学沉淀
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
(1)胶体稳定性 细小的颗粒物和胶体在水溶液中能够长期 胶体稳定性: 胶体稳定性
处于悬浮状态而不沉降的性质,即胶体的稳定性 处于悬浮状态而不沉降的性质 即胶体的稳定性. 即胶体的稳定性
产生胶体稳定的原因
动力学稳定性： 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） 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） 水化膜的阻碍（亲水性胶体） 两者之中, 两者之中 聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用
电位离子
Water Pollution Control Engineering
扩散离子 固定离子
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
胶体结构示意图: 胶体结构示意图 滑动面 胶核 (电位离子)固定离子 电位离子) 吸附层 胶粒 胶团 扩散离子 扩散层
化学混凝
化学混凝
2)．缩聚反应 ．
Water Pollution Control Engineering
－OH－发生架桥 产生高价聚合离子（多核羟基络合物） －发生架桥, 产生高价聚合离子（多核羟基络合物） 其结果是：电荷升高，聚合度增大 其结果是：电荷升高，聚合度增大, 同时多核羟基络合物 还会继续水解. 还会继续水解 因此，产物包括：未水解的水合铝离子 因此，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, 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、 、铝盐投加量） 各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量） 有关. 有关
胶 粒 高 子 分 胶 粒 排 斥 胶 粒 高 子 分 排斥
高 分子
架 桥模 示 型 意
胶 保护 意 体 示
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
(E)生物絮凝 微生物通过分泌具有黏附性能的物质而 生物絮凝: 生物絮凝 凝聚为大的颗粒, 在水处理中微生物(污泥 污泥)通过凝聚成 凝聚为大的颗粒 在水处理中微生物 污泥 通过凝聚成 颗粒而从水中沉淀分离即是这种机理. 颗粒而从水中沉淀分离即是这种机理. (F)第二极小值凝聚 在位能曲线图上 胶体相距较远处 第二极小值凝聚:在位能曲线图上 第二极小值凝聚 在位能曲线图上, 有吸引V 存在, 尽管此吸引力很小,但是有时也可以促 有吸引 min存在 尽管此吸引力很小 但是有时也可以促 使胶体的凝聚, 颗粒并没有脱稳; 使胶体的凝聚 颗粒并没有脱稳
Biblioteka Baidu
Water Pollution Control Engineering
排斥势能 Vmax Vmin 吸引势能 综合位能曲线图
化学混凝
1.2 混凝机理
(1)混凝剂在水中的化学反应 混凝剂在水中的化学反应
Water Pollution Control Engineering
硫酸铝Al 溶于水后, 立即离解铝离子, 硫酸铝 2(SO4)3⋅18H2O, 溶于水后 立即离解铝离子 通常是以 [Al(H2O)6]3+存在 在水中 会发生下列过程 存在, 在水中,会发生下列过程 会发生下列过程:
化学混凝
静电斥力： 静电斥力： ER ~ 1/d2 范德华引力： 范德华引力： EA~ 1/d6 水中颗粒胶体的ζ电位大 电位大, 水中颗粒胶体的 电位大 斥力大, 颗粒距离远, 斥力大 颗粒距离远 布朗 运动不足以克服斥力. 运动不足以克服斥力 要使胶体颗粒凝聚,需要克 要使胶体颗粒凝聚 需要克 电位. 服其高的ζ电位 服其高的 电位
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
(D)吸附架桥作用：高分子混凝剂在水中具有线性的结构 吸附架桥作用：高分子混凝剂在水中具有线性的结构, 吸附架桥作用 一端与一个胶体吸附,另一端也吸附胶体 使胶体长大.过多 另一端也吸附胶体,使胶体长大 一端与一个胶体吸附 另一端也吸附胶体 使胶体长大 过多 形成“ 胶体保护” 作用,即胶体表面被高分子完全覆盖反 形成 “ 胶体保护 ” 作用 即胶体表面被高分子完全覆盖反 而导致不凝聚,若高分子为阳离子聚合电解质 若高分子为阳离子聚合电解质， 而导致不凝聚 若高分子为阳离子聚合电解质 ， 则同时可 以起到压缩双电层作用. 以起到压缩双电层作用
Water Pollution Control Engineering
胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数， 胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的 ， 其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差 ，其电 性与电位离子电性相同。 性与电位离子电性相同。 胶体的电动电位（ 电位）：当胶体粒子运动时， 胶体的电动电位（ζ电位）：当胶体粒子运动时，扩散层中 电动电位 ）：当胶体粒子运动时 的大部分反离子就会脱离胶团，其结果使胶粒产生剩余电荷, 的大部分反离子就会脱离胶团，其结果使胶粒产生剩余电荷, 使胶粒与扩散层之间形成一个电位差， 使胶粒与扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶体的电 动电位，常称为ζ电位。 动电位，常称为ζ电位。 总电位或 电位： 总电位或ψ电位：胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差 电位。 在总电位一定时，扩散层愈厚， 则称为总电位或ψ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， 电位愈低。 ζ电位愈高;反之，扩散层愈薄，ζ电位愈低。
水污染控制工程
唐玉朝 安徽建筑工业学院环境工程系 E-mail: tangyc@aiai.edu.cn Department of Environmental Engineering, , Anhui University of Architecture
第十六章
污水的化学与物理化学处理
课程内容
1. 化学混凝
化学混凝
Water Pollution Control Engineering
根据以上机理, 可以解释在不同pH条件下 条件下, 根据以上机理 可以解释在不同 条件下 铝盐可能产 生的混凝机理: 生的混凝机理 pH<3 pH=4-5 简单的水合铝离子起压缩双电层作用 简单的水合铝离子起压缩双电层作用 压缩双电层 多核羟基络合物起吸附电性中和 多核羟基络合物起吸附电性中和
pH=6.5-7.5 多核羟基络合物起吸附电性中和；氢氧化 多核羟基络合物起吸附电性中和； 吸附电性中和 铝起吸附架桥、 铝起吸附架桥、网捕 吸附架桥
化学混凝
2.
2.1 无机混凝剂, Al系： 无机混凝剂, 系
Water Pollution Control Engineering
混凝剂与助混剂
硫酸铝:硫酸铝使用效果好 处理水水质好 硫酸铝 硫酸铝使用效果好,处理水水质好 但絮体松散低温 硫酸铝使用效果好 处理水水质好,但絮体松散低温 而且低温水解慢. 尤其差,而且低温水解慢 尤其差,而且低温水解慢. 明矾:(钾矾 硫酸铝钾 铵矾NH4Al (SO4)2),结晶水 结晶水, 明矾 钾矾,硫酸铝钾 钾矾 硫酸铝钾KAl(SO4),铵矾 铵矾 结晶水 性能与硫酸铝近似; 性能与硫酸铝近似 聚合氯化铝(PAC),PAC是人为控制水解后的产物 效果比较 是人为控制水解后的产物,效果比较 聚合氯化铝 是人为控制水解后的产物 形成矾花速度快,沉降性能好 对水温和pH适应性好 好 ,形成矾花速度快 沉降性能好 对水温和 适应性好 对 形成矾花速度快 沉降性能好,对水温和 适应性好,对 废水性质适应性强,投药量小 对设备腐蚀小. 投药量小,对设备腐蚀小 废水性质适应性强 投药量小 对设备腐蚀小 聚合硫酸铝(PAS),少用 少用. 聚合硫酸铝 少用
化学混凝
(2)胶体脱稳机理 (2)胶体脱稳机理
Water Pollution Control Engineering
(A)压缩双电层 水体胶体带负电 当混凝剂加入 大量阳离子 压缩双电层:水体胶体带负电 当混凝剂加入,大量阳离子 压缩双电层 水体胶体带负电,当混凝剂加入 进入胶体扩散层和吸附层(进入滑动面内 由于胶核的电位 进入胶体扩散层和吸附层 进入滑动面内),由于胶核的电位 进入滑动面内 离子是不变的,所以加入的阳离子将降低 电位 离子是不变的 所以加入的阳离子将降低ζ电位 胶体的电荷 所以加入的阳离子将降低 电位,胶体的电荷 斥力减小,胶体的吸引势能大 胶体凝聚. 斥力减小 胶体的吸引势能大, 胶体凝聚 胶体的吸引势能大 根据压缩双电层作用的机理,ζ电位最小到 而不会改变符号 根据压缩双电层作用的机理 电位最小到0,而不会改变符号 电位最小到 而不会改变符号, 实际上带负电荷的胶核可能吸附过多的阳离子 吸附过多的阳离子,其作用不仅 实际上带负电荷的胶核可能吸附过多的阳离子 其作用不仅 是静电引力,还有氢键 范德华力 化学共价键等作用,这解释 是静电引力 还有氢键,范德华力 化学共价键等作用 这解释 还有氢键 范德华力,化学共价键等作用 了混凝剂投加过多胶体反而“稳定” 了混凝剂投加过多胶体反而“稳定”.