物理化学处理优秀课件
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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)。
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。
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。
(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。
(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。
(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。
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
(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。
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
c
间距x
吸
引
Ea
势
=0时称等电状态.此时排斥势能消失
❖ 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
❖ 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。
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。
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。