物理化学处理优秀课件

4、 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；
如果分子量不同的两种高分子物质同时投入水中，分子 量大者优先被胶粒吸附；如果先让分子量较低者吸附然后再 投入分子量高的物质，会发现分子量高者将慢慢置换分于量 低的物质。在给水处理中，因天然水的pH值通常总是大于3， 故压缩双电层作用甚微。
❖ 扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩掉 后剩下的面，叫滑动面）―― 离胶核远，反离子浓 度小，结合松散。
结构式：
反离子层
胶核＋吸附层 ＋扩散层
胶粒
胶团
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。
❖ ψ电位 ：胶核表面上与外层溶液内部之间形成的 总电位差。
能，分别由静电斥力与范德华引力产生。
❖ 图中可看画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间 的关系。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Emax。
排
斥
r
r
势
Er
能
ER
E
Emax
(a)
0a
cຫໍສະໝຸດ Baidu
间距x
吸
引
Ea
势
＝0时称等电状态．此时排斥势能消失
高分子絮凝剂投加后，可能出现以下两个现象：
①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；
②投加过多，会出现“胶体保护”现象，见下图。
胶粒 高分子 胶粒
胶粒 排斥
高分子 排斥
高分子
图 46--35 架桥模型示意
图 46--46 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。
滑动面
胶 核
の
Ⅱ
ζ
Ⅰ
δd
图44--1 胶体双电层结构示意
1. 胶体颗粒的双电层结构
❖ 胶核（胶体分子聚合而成的胶体微粒），表面吸附 了某种离子（电位形成离子）而带电，由于静电引 力，势必吸引溶液中异号离子到微粒周围（反离 子），这些反离子同时受到静电引力和热运动扩散 力。
❖ 吸附层Stern layer（随胶核一起运动）―― 靠近胶 核表面处，异号离子浓度大，结合紧密
（一） 水中胶体的稳定性
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。
5、影响水混凝的主要因素
影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括： ①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质
性质和浓度等； ②投加的凝聚剂种类与数量； ③使用的絮凝设备及其相关水力参数。
（1） 水温影响
水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、 松散，凝聚效果较差。其原因有： ①无机盐水解吸热； ②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱； ③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚； ④水温与水的pH值有关。
❖ ξ电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位。
❖ 带负（正）电荷的胶核表面与扩散于溶液中的正 （负）电荷离子正好电性中和，构成双电层结构 （The electrical double layer）。
❖ ξ越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性 强。
❖ 2. 胶体之间的相互作用
❖
胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引
物理化学处理
v 一、 混凝机理
❖ 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coagulation ：胶体失去稳定性的过程称 为凝聚。
❖ 絮凝flocculation ：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。
（2）吸附－电性中和 Adsorption-charge neutralization 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 Polymer bridge formation 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。
能
EA
图 44--22 相互作用势能与颗粒距离关系
（a)双电层重叠； (b)势能变化曲线
胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒 能发生凝聚。
以上理论称为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）。
（二） 混凝机理
1．电性中和作用机理
（1）压缩双电层
加入电解质，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。
（2） 水的pH和碱度影响
水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类 有关。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象 等密切有关。 当投加金属盐（铝盐、铁盐）类混凝剂时，其水解 会生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时 需要投加石灰。
石灰投量估算方法： Al2(SO4)3+3H2O+3CaO=2Al(OH)3+3CaSO4 可见，投加1mmol/LAl2(SO4)3的需石灰3mmol/L。 [CaO]=3[a] – [x] + [δ] （3-13） 式中[CaO]：纯石灰CaO投量，mmol/L； [a]：混凝剂投量，mmol/L； [x]：原水碱度，按mmol/L，CaO计； [δ]：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.250.5mmol/L（CaO）。（不可过量！） 一般石灰投量通过试验决定。