3水处理化学絮凝剂

[Al6(OH)15]
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其存在状态与pH的关系：
pH<4 [Al(H2O)n]3+ n=6~10 高电荷低聚合度 [Al6(OH)15]3+ [Al7(OH)17]4+ [Al8(OH)20]4+ [Al13(OH)32]7+ [Al13O4(OH)24]7+
4<pH<6
6<pH<8
[Al (OH)3]↓
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2、胶体稳定的原因
其一：胶体微粒表面带有同性电荷，发生静电
排斥作用。
其二：吸附层的水化作用，形成一个水化层，阻 止微粒的结合。
一种胶体的胶粒带电越多，其ζ电位就越大； 扩散层中反粒子越多，水化作用也越大，扩散层 与水化壳也越厚，也就越稳定。
8
3、乳化油稳定的原因
油
水包油型 乳状液
具有一般胶体的双电层结构，可形成稳定 的体系。
聚合氯化铝是配位化合物型的高分子聚合物，固体 呈无色或黄色树脂状，易潮解， 溶液为无色至黄褐色 透明液体。
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一般认为聚铝是一种高效的无机高分子，是指 Al3+盐到A1(OH)3之间的一系列准稳态物质，即二铝 到十三铝的羟基络合物。目前，聚铝类絮凝剂的絮
凝机理主要分为线性聚合物和体形聚合物两种观点。
X－原水中已有的碱度
20－过量数，mg/L
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(2)铝盐与pH值的关系 pH>8.5时：
Al(OH)3
AlO2 2- +H2O+H+
pH<7时，上式即向左进行。 但如酸性太强时，氢氧化铝也会溶解，即：
Al(OH)3+3H+
Al3+ + H2O
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Al(OH)3的溶解度与pH值的关系图：
28
可见，硫酸铝起凝聚反应时，在
9
4、两个不稳定因素 其一：由范德华力产生的微粒核间的相 互吸引力，促其结合。 其二：胶体微粒的布朗运动，促其相互碰
撞而吸附结合。
5、加絮凝剂的目的 是消除其稳定因素，再利用其不稳定因素
使微粒不断扩大形成矾花。然后过滤或沉淀除
去。
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三、水质净化的反应机理
水质在净化过程中，大约包括三种过程。 1、凝结作用（Together）
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分类:
无机絮凝剂 （凝聚剂） 高分子絮凝剂 低分子絮凝剂 铝盐高分子絮凝剂
铁盐高分子絮凝剂
阳离子的有机高分子… 人工合成的 阴离子的有机高分子… 非离子的有机高分子… 天然有机高分子
絮 凝 剂
有机絮凝剂 （絮凝剂or 助凝剂）
微生物絮凝剂（一种新发展的絮凝剂）
18
无机絮凝剂主要是依靠电荷中和而凝聚。
48
[Al2(OH)nCl6-n]m
碱化度（B）:化合物中羟基与铝的摩尔比。 [OH]
B=
3[Al]
×100%
若碱化度<30%时，絮凝剂中小分子占多数，絮 凝能力较低。 但碱化度太大时，溶液不稳定，易生成 Al(OH)3沉淀。所以，一般聚合铝碱化度要求在 40％～60％之间。
B是碱式氯化铝的重要质量指标，它直接决定着产品的 化学结构形态和许多特性，如聚合度、分子电荷数、混凝能 力、贮存稳定性、pH值等。
先使用）。
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1、铝盐的水解及凝聚作用 Al(H2O)63+ ［Al(OH)(H2O)5］2+ + H+ ［Al(OH)2(H2O)4］+ + H+
［Al(OH)3(H2O)30（s） + H+
［Al(OH)4(H2O)2]单核羟基络合物
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随着羟基离子增多，在pH>4时， 发生架桥粘 结（羟基桥联）生成带正电的多核羟基络合物：
(H2O)4Al OH H2O OH OH
+ (H2O)4Al
Al(H2O)4
OH H2O
[ (H2O)4Al
]
4+
+ 2 H2O
进一步交联
多核羟基络合物
H2O (H2O)4Al OH OH Al H2O OH OH Al(H2O)4
[Al3(OH)4(H2O)10]
4+
5+
[Al6(OH)14]
3+
即把两个或多个不同的个体拉拢在一起，形 成细小絮体的过程。 粒子的表面电荷经中和后，利用微弱的范德华力 而形成凝聚作用。这种力量非常薄弱。容易受到机械 力的破坏。
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凝结作用示意图：
12
13
2、絮凝作用（ Flocculare ） ——架桥作用
是指粒子的稳定性遭到破坏后，借高聚物及搅拌能量 而彼此接触，因而形成较大颗粒絮体的过程。简言之，絮
24
二、影响凝聚过程的主要因素
1、pH值与碱度
(1)铝盐与碱度的关系
Al2(SO4)3
Al3++SO42-
Al3+和水中的HCO3-(碱度)反应即得带正电的胶体 Al(OH)3。如水中碱度不够，尚需提高碱度（如：投加
CaO等），以保证Al(OH)3的生成。
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CaO的投加量的计算公式：
[CaO]=(0.5a-10X+20) mg/L a－硫酸铝投加量［以Al2(SO4)3计］mg/L
pH>8
[Al (OH)4]-
[Al8(OH)26]242
2、硫酸铝（目前市面上最常见的凝聚剂 ）
Al2(SO4)3· xH2O
当添加到水中时，能迅速被溶解，Al3+发生水解生 成单核子络合物和多核子络合物。 硫酸铝的凝结作用方式：
其一： [Al(H2O)3(OH)3]0以无定形的胶凝状氢氧化物 沉淀物存在。 其二：带正电荷的水合单、多核络合物。
有机絮凝剂则主要依靠架桥作用使粒子沉降。
在应用方面，常常先加入无机絮凝剂中和电
荷，然后加有机絮凝剂生成絮团而沉降。两者联
合使用可大大降低絮凝剂的用量。
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§2-2 无机絮凝剂——凝聚剂
一、凝聚机理
凝聚——脱稳的粒子相互聚集为较大颗粒的过程。
胶体因ξ-电位的降低或消除，从而失去稳定性的过程。 可见，ζ－电位的高低，是凝聚反应好坏的一个重要因素。
N——单位体积，单位时间内颗粒接触的次数， mm-3 · S -1; n1, n2——直径为D1及D2的两种颗粒的数目； D——颗粒直径， mm ；
G——速度梯度S-1： 微粒在反应室内不同空间位置作相对 运动时的速度差。 它取决于水中所需要的分散力。
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实际应用中的G值：
在混合阶段，G在500~100 S –1 ，搅拌时间t应在
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6、水力条件——主要指标为搅拌强度和时间
用速度梯度G表示
水中的微粒要凝聚成较大的絮体,需要:
静电作用
分子间的 吸引力作用 分子间的引力与 分子间距离成反 比。
搅拌
凝聚过程中非常重要的条件
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一般地：当其它条பைடு நூலகம்一定时，凝聚反应的速度是 微粒接触次数的函数。
N = n 1· n2 ·1/6 ·G · (D1+D2)3
热力学稳定体系
粒径在小于1nm范围内。
主要有：无机阳离子、阴离子，此外还包括环 烷酸等有机溶解物及溶解氧，CO2，H2S等。
2
水中这些杂质彼此间的关系如下：
3
水中不同粒径颗粒的处理方法如下图：
4
二、胶体微粒和乳化油的稳定性
1、胶体的双电层结构
胶体粒子的结构式可写为： {【胶核】电位形成离子，束缚反离子} 自由反离子 吸附层 胶粒 胶团 水中的胶粒一般带有负电荷。
低浊度水 凝聚区域示意图
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3、水温
水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度大， 布朗运动减弱。
4、共存杂质
除硫、磷化合物以外的其他各种无机金属盐能促进
凝聚； 磷酸离子、亚硫酸离子等会阻碍高分子絮凝作
用。
5、凝聚剂的种类、投加量、投加顺序
可见：凝聚的过程受原水性质和加药量的影响， 其中尤以水的性质为重要。
Fe(HCO3)2
（溶解于水中）
30
铁盐适宜的pH范围较宽， pH＝4～11。
氢氧化铁的溶解度与pH的关系图：
31
2、浊度
浊度过高过低都不利于凝聚。
高浊度水
微粒总表面积
Ⅰ：稳定区，加药量不足，无效果。 Ⅱ：脱稳区，加药量较前者大， 脱稳并快速聚集。 Ⅲ：再稳区，加药量较高， 凝聚效果恶化。 Ⅳ：卷扫区，加药量过高， 超过饱和状态， 大量 氢氧化物所形成的絮 体将杂质一起卷扫而下。
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硫酸铝使用时,水的有效pH范围较窄，跟原水硬度有关。 对于软水:pH 5.7~6.6 中等硬度的水:pH 6.6~7.2
硬度较高的水:pH 7.2~7.8
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45
3、碱式氯化铝（PAC
polyaluminum chloride ）
——多羟基聚合氯化铝、聚氯化铝
[Al2(OH)nCl6-n]m 其中 n=1~5，m≤10
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优点：形成絮凝体大，沉淀性能好，投药量比
10~30s; 而在反应阶段G和t值分别为20~70 S –1 和1530min. 为了确定最佳的工艺条件，一般情况下可用烧杯搅拌法 进行模拟实验。
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三、常用的无机絮凝剂
无机絮凝剂按阴离子成分可分为: 盐酸系、硫酸系和硅酸系；
按金属盐可分为:铝盐系及铁盐系两类;
按分子量可分为:低分子系和高分子系两 大类。
絮凝剂
§2-1 概述 一、水中杂质的分类及其去除途径 1、悬浮体系
分散相颗粒粒径在200 ~106nm范围内。 主要有：泥沙；各种腐蚀产物及垢；细菌；胶质沥 青质类和石蜡等重质油类 动力学不稳定体系，借重力可沉降。
1
2、胶态体系
过滤不能去除 也不借重力而沉降
粒径在 1~200nm范围内。 3、溶解体系
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线性聚合物观点认为:
随着碱化度增加，氯化铝溶液中的水合3价铝离子
[Al(H2O)6]3+八面体通过羟桥Al-O-Al聚合成线性多聚物。 体形聚合物观点认为: 聚合氯化铝溶液中存在着4种阳离子:单体、二聚体、 体形十三聚体和结构尚未确定的三维团粒。 体形结构代表式为[AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+, 是起絮 凝作用的主要活性物质。
胶粒表面上的电荷； 扩散层的厚度。
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1.压缩双电层机理
◆扩散层的厚度（h）： h=A /∑Zi2ri
式中 A－常数 ∑Zi2ri－溶液中离子强度 Zi2－离子的化合价 ri－离子浓度
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2. 吸附电中和机理
胶粒表面对异号离子（粒子）或分子带异号电荷 的部位有强烈的吸附作用，从而中和了胶粒所带电荷， 减少了静电斥力，降低了ζ－电位，使胶体的脱稳和凝 聚易于发生。
5
扩散层
其中电位离子层与部分反离子层 构成吸附层（固定层）。
胶核
在吸附层的外面，还有一 部分反离子，疏散的分布，形成 一个扩散层（流动）。
扩散层不随胶核一起运动，而
趋于向溶液主体扩散，直至与 溶液中的平均浓度相等。
6
胶粒与溶液主体间由于胶粒 剩余电荷的存在所产生的电位。
固定层的厚度约(2~3)×10-7mm，不随温度变化而变化； 但扩散层厚度较大，且随温度和其他因素而变化。这种固 定层和扩散层总称为“双电层”。
静电引力是这些作用的主要方面。
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◆ζ－电位( 可用电泳法测定): ζ =4π eq/D
式中： q－颗粒表面上的电荷 D－水的诱导率
从上式可见，如q减少，能使ζ－电位降低。
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总之，凝聚作用是非常复杂的反应过程。 它涉及水中分散介质的性质，
各种凝聚剂的特性，
分散介质与各剂的相互作用条件以及
系列反应。
pH=5.5～8.5范围内有效。另外要根据原
水的水质条件选择最佳的pH值范围。
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（3）铁盐与碱度、pH值的关系
硫酸亚铁投入水中后与原水中的碱度（HCO3-） 反应生成Fe(OH)2，然后被水中的溶解氧氧化生成 Fe(OH)3。 如水中碱度不足，考虑加碱时，尚必须考虑
水中CO2消耗的碱量，否则：
Fe(OH)2+CO2
凝作用可称为架桥反应。即：
14
3、沉降作用
絮体一旦生成，需在静止状态下借重力而 下沉。 影响凝聚与絮体沉降的主要因素有： ①搅拌能量； ②搅拌时间； ③絮凝剂及反应物的浓度；
④pH值，等等。
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四、絮凝的工艺过程
混凝剂的配制与投加、混合、反应、澄清几个步骤。
混合——药剂投入废水后在水中发生水解并产生异电荷 胶体，与水中胶体或悬浮物接触，形成细小的 矾花。大约在10-30S内完成，一般不超过2min. 要求快速、均匀。
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低分子絮凝剂价格低、货源充足、运输储存方便， 目前在工业水处理中仍占一定比例。但因其用量大、残
渣多、效果差，故无机絮凝剂的发展已基本完成由低分
子向高分子的转化。
无机高分子絮凝剂的优点: 分子量大，具有多核络离子结构，电中和能力、吸附桥联 作用明显，沉降快、用量少。
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（一）铝盐
自1884年美国开始使用硫酸铝（AS）以来，铝盐在 水处理工业中占有重要的地位。到20世纪60年代，聚合 氯化铝（PAC）以其优越的净水性能被广泛应用（在日本首
反应——使小絮体逐渐凝成大絮体而便于沉淀。 澄清——让已经形成的絮凝体悬浮在水中成为悬浮 泥渣层，使废水中形成的微絮粒被迅速吸 附在悬浮泥渣上，从而达到良好的去除效果。
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五、絮凝剂的定义和分类 定义:
用来使水溶液的溶质、胶体或悬浮物产生
絮状沉淀的物质。
又称为混凝剂、聚凝剂；也有称聚集剂、
凝结剂等。