化学处理方法(混凝)

• [胶核]电位形成离子，束缚反离子自由反离 子[Fe(OH)3]m nH＋ (n－x)Cl－x+ Cl－
胶核 (nuclear)
吸附层
扩散层
stationary layer diffuse layer
胶粒(colloidal particle)
胶团(colloidal micelle)
3)胶体的脱稳机理
但当处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝 剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体 脱稳。
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， 为此要求速度梯度G在500–1000s－1，搅拌时 间t应在10–30s。 反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的 吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止 生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减 小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在20 －70s-1和15－30min。
淀粉、水溶性尿醛树脂
类 子 两性型
动物胶、蛋白质
高聚 阴离子型
聚丙酸烯钠、水解聚丙烯酰胺、磺化聚丙烯酰胺
合度 阳离子型
聚乙烯吡啶盐、乙烯吡啶聚合物
高分 非离子型
聚丙烯酰胺、氯化聚乙烯
子
2. 水处理对混凝剂的要求：
• 混凝效果好； • 对人类健康无害； • 价廉易得； • 使用方便。 • 目前常用的混凝剂按化学组成可分为无
• 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、絮凝和混凝 • 凝聚(coagulation)是指胶体电位降低或消除而脱稳的过程，聚集为较大颗
粒而下沉； • 絮凝(flocculation)则指胶体由于高分子聚合物的吸附架桥作用聚结成大粒
• 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。
（二） 混凝剂与助凝剂
（三）混凝的工艺过程及设备
混凝剂
反应阶段的目的是使药剂与水中 的细小颗粒或胶体物质作用生成 尽可能大的絮体，为沉降分离创 造条件，需要低强度长时间搅拌。
许多因素影响反应过程L
出水
废水 混合
反应
沉淀 （澄清）
混合目的是使混凝剂尽 快与水混合，需要短时
• 聚丙烯酰胺也常作为助凝剂与其他混凝 剂一起使用，可产生较好的混凝效果。 聚丙烯酰胺的投加次序与废水水质有关。
• 当废水浊度低时，宜先投加其他混凝剂， 再投加聚丙烯酰胺，使胶体颗粒先脱稳 到一定程度，为聚丙烯酰胺的絮凝作用 创造有利条件；
• 当废水浊度高时，应先投加聚丙烯酰胺， 再投加其它混凝剂，以让聚丙烯酰胺先 在高浊度水中充分发挥作用，吸附部分 胶粒，使浊度下降，其余胶粒由其它混 凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样 可以降低其它絮凝剂的用量。
• 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。
1.混凝剂
类
别
主要混凝剂
无 机
低分 子
无机盐类 碱类 金属电解产物
硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁、铝酸钠、氯化铁、氯化铝、碳酸镁、 碳酸钠、氢氧化钠、氧化钙、 氢氧化铝、氢氧化铁
絮体的过程； • 混凝（coagulation - flocculation）则包括凝聚与絮凝两种过程。
• 混凝的机理：混凝可分为压缩双电层、吸附电 中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种机理。
（1）压缩双电层机理 (modification of the electrical double layer)
3.助凝剂
（1）pH调整剂
• 常用的pH调整剂包括石灰、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。
• பைடு நூலகம்3）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。
4.影响混凝的因素
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。
聚丙烯酰胺简介(polyacrylamides, PAM)
• 产量占高分子混凝剂总产量的80％，
• 按性状，聚丙烯酰胺产品有胶状(含量5％ －10％)、片状 (含量20％－30％)和粉状 (含量90％－95％)三种。其聚合度可达 2×104－9×104。相应的相对分子质量高达 1.5×106－6.0×106。
机盐类和有机高分子类。
无机盐类
1）硫酸铝
工业产品有精制和粗制两种。精制硫酸 铝是白色结晶体。粗制硫酸铝的Al203含 量不少于14.5％－16.5％，不溶杂质含 量不大于24％－30％。
优点：价格较低，使用方便，混凝效果 好。 缺点：当水温低时硫酸铝水解困难， 形成的絮体较松散。由于杂质含量高， 所以渣量大。
无机盐类
2）聚合氯化铝 是一种高分子混凝剂，简称PAC,其化学 式可写为[Aln(OH)mCl3n-m] ，聚合氯化铝中 OH与Al的比值对混凝效果有很大关系， 一般可用碱化度B表示：B=[0H]×100％ /3[Al]，例如n＝4时，碱化度B=[4/ （3×2）]×100％=66.7％。一般要求B 为40％－60％。特点：吸附能力强，凝 聚效果好。
• 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。
（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。
3.2 混凝
（一）混凝原理概述 （二）混凝剂与助凝剂 （三）混凝的工艺过程及设备 （四）澄清池
（一）混凝原理
1.混凝定义及用途
• 混凝是通过向水中投加混凝剂，使水中难以沉 淀的细小颗粒及胶体颗粒脱稳并互相聚集成粗 大的颗粒而沉淀，实现与水分离，达到水质的 净化。
• 混凝的主要对象是废水中的细小悬浮颗粒和胶 体微粒，这些颗粒用自然沉降法很难从水中分 离出去。
• 混凝法是废水处理中常采用的方法。 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。 混凝法还能改善污泥的脱水性能。
2. 混凝方法的优缺点
• 优点：
• 设备简单，维护操作易于掌握，处理效 果好，间歇或连续运行均可以。
• 缺点：
• 由于不断向废水中投药，经常性运行费 用较高，沉渣量大，且脱水较困难。
有机高分子类
分类：高分子混凝剂分为天然和人工两种， 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，有机高分子混 凝剂可分为阴离子型(anionic)、阳离子型 (cationic)和非离子型(nonionic)
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3. 混凝原理
• 1) 胶体的特点：
• 粒径小， • 布朗运动，颗粒在废水中受水分子热运
动的碰撞而作无规则的布朗运动； • 带电，同类胶体微粒带有同性电荷。 • 水化膜，许多水分子被吸引在胶体微粒
周围，形成水化膜。
胶团边界 2)胶体的结构 胶核
定位离子
胶体的双电 层结构模型
束缚反离子， 滑动面
有机高分子类
• 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。 单体的总数称为聚合度， 高分子混凝剂的聚合度约从1000－5000，甚至 更高。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。 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。
（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。
（3）水温(temperature)
水温会影响无机盐类的水解，水温低， 水解反应慢。另外水温低，水的粘度增 大，布朗运动减弱，混凝效果下降。
（4）共存杂质(impurities)
无机盐类
4）三氯化铁 • 无水物、结晶水物和液体，其中常用的
是FeCl3·6H2O，极易溶于水。 优点： 形成的矾花沉降性好，处理低温水或低 浊度水效果比铝盐好，适宜的pH值范围 较宽； 缺点：腐蚀性强，易吸水潮解， 处理后的水的色度比铝盐的高，。
无机盐类
5）聚合硫酸铁 • 化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m 优点：投
类 高分 阳离子型
聚合氯化铝、聚合硫酸铝
子 阴离子型
活性硅酸
表面 阴离子型
月桂酸钠、硬脂酸钠、油酸钠、松香酸钠、烷基三甲基氯化铵
活性 阳离子型
十二烷胺醋酸、十八烷胺醋酸、松香胺醋酸、烷基三甲基氯化铵
剂
低聚 阴离子型
藻朊酸钠、羧甲基纤维素钠盐
有 合度 阳离子型
水溶性苯胺树脂盐酸盐、聚乙烯亚铵
机 高分 非离子型
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。
（2）吸附电中和机理(electrical neutralization)
• 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。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。
高分子聚合物对胶体或微粒的吸附架 桥作用示意图
• ＋
＋
＋
（4）沉淀物网捕机理
(entrapment in the floc structure)
（2）混凝剂投加量(dosage)
投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还 与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。
对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳 投药量的问题，应通过试验确定。 （3）混凝剂投加顺序(sequence)
当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验 来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并 用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。
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。
2）混凝剂的影响
（1）混凝剂种类
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。
加剂量小，絮体生成快，对水质的适应 范围广以及水解时消耗水中碱度少。 它 与聚合铝盐都是具有一定碱化度的无机 高分子聚合物，且作用机理也颇为相似。
无机盐类
6）活化硅酸
活化硅酸实质上是硅酸钠在加酸条件下 水解聚合反应进行到一定程度的中间产 物。 对胶体的混凝是通过吸附架桥使粒 子粘连而完成的。
优点：絮凝体形成快且粗大、密实，在 低水温、低碱度条件下也能良好絮凝， 适用pH值范围宽。与其它的混凝剂配合 使用，特别是与铝盐和铁盐混合使用， 可缩短沉降时间，节省混凝剂用量。
无机盐类
3）硫酸亚铁
• FeSO4·7H2O是半透明绿色晶体，易溶于 水，在水温2O℃时溶解度为21％。 硫酸 亚铁离解出的Fe2＋只能生成最简单的单 核络合物，因此，不如三价铁盐混凝效 果好。 特点：沉降时间短，能去除臭味 和一定色度，但腐蚀性强，污水色度高 时，不易除净。适用于碱度高、浊度大 的污水。