水质工程学课件第三章3.1-3.4[1] 2
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胶核表面吸附了某种离子而带电，这种 离子为——电位形成离子；
在静电引力作用下，溶液中的异号离子 被吸引至胶核周围，这些异号离子为——反 离子；
靠近胶核的反离子被电位形成离子吸引 紧附在固体表面（胶核表面）随颗粒一起移 动，这部分反离子称为——束缚反离子；
未贴近固体表面（胶核表面）的反 离子在其本身热运动的扩散作用力下均 匀分散于周围，受静电引力作用较小， 当胶粒运动时就与固体表面脱离进入液 体，这部分反离子为——自由反离子；
胶粒因ξ电位降低而失去稳定性的过 程——脱稳。
这种通过加入电解质压缩扩散层，导致
胶粒聚合的作用机理，称为压缩双电层作 用
机理。
2.吸附——电性中和作用 对于一些高价电解质，除了静电作用以
外，还有其他的物理化学作用。这种高价电 解质，离解为高价反离子，通过吸附作用， 可直接使胶体电荷中和，降低胶粒间的静电 斥力，这种作用称为吸附——电性中和作 用。（当带负电的胶粒表面吸附的正电荷数 高于其本身电荷数，则会使胶粒电性反转， 重新稳定）
胶体微粒布朗运动（水分子的热运动撞 击胶粒，使其发生不规则运动）足以抵抗重 力的影响（粒度较小），使其长期处于悬浮 状态不能沉降。
聚集稳定性：
胶体间静电斥力（憎水性胶体：同性电 荷相斥）
胶粒表面的水化作用（亲水性胶体：形 成的水化膜阻碍聚集）
两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的 影响起关键作用。（布朗运动虽使胶体具有 动力学稳定性，但另一方面其不规则运动又 为颗粒间的接触创造了条件；而静电斥力和 水化膜使胶粒间根本无法接触）。
水质工程学课 件第三章3.1-
3.4[1] 2
混凝过程涉及到三个方面的问题： 1.水中胶体的性质 2.混凝剂在水中的水解与形态 3.胶体与混凝剂的相互作用
第一节 胶体的稳定性
水中胶体的稳定性 胶体微粒——难以下沉的微粒 胶体微粒在水中长期处于分散稳定状
态，这个特性称为“分散颗粒稳定性”。
动力学稳定性：
3、DLVO理论
胶体间能否相互接近、凝聚取决于布朗运动 的动力、范德化引力（使胶体不稳定的因素）和 静电斥力三者的综合表现。
布朗运动的动能主要和水温有关，一定温度 下其值基本不变；范德化引力和静电斥力产生的
势能与微粒间距有关。
以上称为DLVO理论（只适用于憎水性胶体）。
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）
由上可知，使胶粒具有稳定性的主要原 因有三个：
布朗运动 胶粒间的静电斥力 胶粒表面的水化作用
一、有关静电斥力（憎水胶体的聚集稳性）
1、胶体的双电层结构
以粘土为例，它由许多的SiO2分子组 成胶体核心——胶核，即[SiO2]m，其表面 有nSiO2水解，其反应式为：
nSiO2+nH2O nH2SiO3 H2SiO3是弱酸，能起电离作用，其反 应式为：
加入混凝 剂以后，混凝 剂离解产生大 量的正离子， 由于离子扩散 作用，它们进 入扩散层和吸 附层，势必压 缩扩散层，使 之变薄。
扩散层 吸附层 d
-10 -4 -6
Fra Baidu bibliotek
d1
-10 -7 -3
+
胶
++ +
核 ++
表 面
+ ++
+
+ +
++ +
++
+
+
电解质中的正离子
+
+
未加入电能质 加入电能质
d1＜d（压缩扩散层）
ξ1 ＜ξ，胶粒间排斥势必能减少，排 斥能峰降低，当Emax＜Eb，胶粒开始聚合， 这种胶粒开始聚合的电位，称为临界电位。
当加入的电解质适量，扩散层为零， 即
ξ=0时，胶粒不带电，此时颗粒自行聚合。
此种状态称为等电状态。
当加入的电解质过量，胶粒电荷变正，
ξ又升高，胶粒又重新稳定，这种状态称 为
电解质加入―与反离子同电荷离子―压缩 双电层―电位―稳定性―凝聚
-
相互靠近。水化膜越厚， 其稳定性越好。
水化膜示意图
第二节 混凝机理
一、胶体混凝机理
1、压缩双电层 前述，对憎水胶体，要使其碰撞凝结，
只有降低或消除排斥势能峰才可（降低排斥 势能）。因ξ越大，胶粒所带电荷越大，胶 粒间的斥力也就越大，故当降低或消除胶粒 ξ电位，才能降低或消除排斥势能峰。
为了降低ξ电位，有效的方法——在水 中加入电离质即混凝剂。
nH2SiO3 nSiO32-+2nH+
滑动面
吸附层 扩散层
胶核 胶粒 胶团
自由反离子
H
H
HH
HH
SiO3
HH
电位形成离子
SiO3
SiO3
H
H
H SiO3 [SiO3 ]m SiO3
反离子
H
HH
SiO3
SiO3
H
H
SiO3
H
H H
H
扩散层 吸附层
束缚反离子
胶团结构示意图
吸附层 扩散层 双电层
胶体分子聚合而成的胶体颗粒——胶 核；
∴胶粒长期处于分 散稳定状态
二、胶粒表面的水化作用（亲水胶体的聚 集稳定性）
亲水胶体——能与水分子结合的胶体，其胶体微
粒直接吸附水分子。蛋白质、淀粉等均为亲水胶
体。
水化作用——粒子表面极
性基团吸附水分子，在粒
子周围形成一层较厚的水 化膜，该膜阻碍胶体微粒
--
+ ++
-
-
+ ++
-+ + 水化膜
-
-++
束缚反离子和电位形成离子组成——吸 附层；
自由反离子组成——扩散层； 吸附层和扩散层称为——双电层； 胶粒运动时大部分自由反离子会脱离胶 粒，脱开的界面称为——滑动面； 胶核与吸附层合在一起称为——胶粒； 胶粒和扩散层组成——胶团。
静止状态：电位形成离子和反离子总 电荷是相等的，故整个胶体是电中性的。
运动状态：胶粒所带的负电荷大于吸 附层所带的正电荷（自由反离子脱离胶 粒），故胶粒在运动中便显示出负电性。
根据同性相斥的原理，因胶粒带同一 种电性，故在胶粒之间产生斥力。
2、电位分布 在胶粒移动时，其滑动面所带的电
位——电动电位，用ξ表示，ξ表示胶 粒所带电荷的大小，ξ越大，胶粒所带 电荷越大，胶粒间的斥力也就越大。电 位决定了憎水胶体的聚集稳定性。
4、两胶粒间相互作用（综合分析两胶粒间 相互作用力及其与二者间的距离的关系）
ER——静电斥力产生的排斥势能量（两 胶粒的扩散层发生重叠）；
EA——范德化引力产生的吸引势能量； E ——两者相加的总势能。
如图总势能曲线， • x＜oa，吸引， • x=oa～oc时，排斥； • x=ob时，排斥势能最 大Emax； • x＞oc，虽为吸引， 但要克服排斥势能 峰。
在静电引力作用下，溶液中的异号离子 被吸引至胶核周围，这些异号离子为——反 离子；
靠近胶核的反离子被电位形成离子吸引 紧附在固体表面（胶核表面）随颗粒一起移 动，这部分反离子称为——束缚反离子；
未贴近固体表面（胶核表面）的反 离子在其本身热运动的扩散作用力下均 匀分散于周围，受静电引力作用较小， 当胶粒运动时就与固体表面脱离进入液 体，这部分反离子为——自由反离子；
胶粒因ξ电位降低而失去稳定性的过 程——脱稳。
这种通过加入电解质压缩扩散层，导致
胶粒聚合的作用机理，称为压缩双电层作 用
机理。
2.吸附——电性中和作用 对于一些高价电解质，除了静电作用以
外，还有其他的物理化学作用。这种高价电 解质，离解为高价反离子，通过吸附作用， 可直接使胶体电荷中和，降低胶粒间的静电 斥力，这种作用称为吸附——电性中和作 用。（当带负电的胶粒表面吸附的正电荷数 高于其本身电荷数，则会使胶粒电性反转， 重新稳定）
胶体微粒布朗运动（水分子的热运动撞 击胶粒，使其发生不规则运动）足以抵抗重 力的影响（粒度较小），使其长期处于悬浮 状态不能沉降。
聚集稳定性：
胶体间静电斥力（憎水性胶体：同性电 荷相斥）
胶粒表面的水化作用（亲水性胶体：形 成的水化膜阻碍聚集）
两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的 影响起关键作用。（布朗运动虽使胶体具有 动力学稳定性，但另一方面其不规则运动又 为颗粒间的接触创造了条件；而静电斥力和 水化膜使胶粒间根本无法接触）。
水质工程学课 件第三章3.1-
3.4[1] 2
混凝过程涉及到三个方面的问题： 1.水中胶体的性质 2.混凝剂在水中的水解与形态 3.胶体与混凝剂的相互作用
第一节 胶体的稳定性
水中胶体的稳定性 胶体微粒——难以下沉的微粒 胶体微粒在水中长期处于分散稳定状
态，这个特性称为“分散颗粒稳定性”。
动力学稳定性：
3、DLVO理论
胶体间能否相互接近、凝聚取决于布朗运动 的动力、范德化引力（使胶体不稳定的因素）和 静电斥力三者的综合表现。
布朗运动的动能主要和水温有关，一定温度 下其值基本不变；范德化引力和静电斥力产生的
势能与微粒间距有关。
以上称为DLVO理论（只适用于憎水性胶体）。
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）
由上可知，使胶粒具有稳定性的主要原 因有三个：
布朗运动 胶粒间的静电斥力 胶粒表面的水化作用
一、有关静电斥力（憎水胶体的聚集稳性）
1、胶体的双电层结构
以粘土为例，它由许多的SiO2分子组 成胶体核心——胶核，即[SiO2]m，其表面 有nSiO2水解，其反应式为：
nSiO2+nH2O nH2SiO3 H2SiO3是弱酸，能起电离作用，其反 应式为：
加入混凝 剂以后，混凝 剂离解产生大 量的正离子， 由于离子扩散 作用，它们进 入扩散层和吸 附层，势必压 缩扩散层，使 之变薄。
扩散层 吸附层 d
-10 -4 -6
Fra Baidu bibliotek
d1
-10 -7 -3
+
胶
++ +
核 ++
表 面
+ ++
+
+ +
++ +
++
+
+
电解质中的正离子
+
+
未加入电能质 加入电能质
d1＜d（压缩扩散层）
ξ1 ＜ξ，胶粒间排斥势必能减少，排 斥能峰降低，当Emax＜Eb，胶粒开始聚合， 这种胶粒开始聚合的电位，称为临界电位。
当加入的电解质适量，扩散层为零， 即
ξ=0时，胶粒不带电，此时颗粒自行聚合。
此种状态称为等电状态。
当加入的电解质过量，胶粒电荷变正，
ξ又升高，胶粒又重新稳定，这种状态称 为
电解质加入―与反离子同电荷离子―压缩 双电层―电位―稳定性―凝聚
-
相互靠近。水化膜越厚， 其稳定性越好。
水化膜示意图
第二节 混凝机理
一、胶体混凝机理
1、压缩双电层 前述，对憎水胶体，要使其碰撞凝结，
只有降低或消除排斥势能峰才可（降低排斥 势能）。因ξ越大，胶粒所带电荷越大，胶 粒间的斥力也就越大，故当降低或消除胶粒 ξ电位，才能降低或消除排斥势能峰。
为了降低ξ电位，有效的方法——在水 中加入电离质即混凝剂。
nH2SiO3 nSiO32-+2nH+
滑动面
吸附层 扩散层
胶核 胶粒 胶团
自由反离子
H
H
HH
HH
SiO3
HH
电位形成离子
SiO3
SiO3
H
H
H SiO3 [SiO3 ]m SiO3
反离子
H
HH
SiO3
SiO3
H
H
SiO3
H
H H
H
扩散层 吸附层
束缚反离子
胶团结构示意图
吸附层 扩散层 双电层
胶体分子聚合而成的胶体颗粒——胶 核；
∴胶粒长期处于分 散稳定状态
二、胶粒表面的水化作用（亲水胶体的聚 集稳定性）
亲水胶体——能与水分子结合的胶体，其胶体微
粒直接吸附水分子。蛋白质、淀粉等均为亲水胶
体。
水化作用——粒子表面极
性基团吸附水分子，在粒
子周围形成一层较厚的水 化膜，该膜阻碍胶体微粒
--
+ ++
-
-
+ ++
-+ + 水化膜
-
-++
束缚反离子和电位形成离子组成——吸 附层；
自由反离子组成——扩散层； 吸附层和扩散层称为——双电层； 胶粒运动时大部分自由反离子会脱离胶 粒，脱开的界面称为——滑动面； 胶核与吸附层合在一起称为——胶粒； 胶粒和扩散层组成——胶团。
静止状态：电位形成离子和反离子总 电荷是相等的，故整个胶体是电中性的。
运动状态：胶粒所带的负电荷大于吸 附层所带的正电荷（自由反离子脱离胶 粒），故胶粒在运动中便显示出负电性。
根据同性相斥的原理，因胶粒带同一 种电性，故在胶粒之间产生斥力。
2、电位分布 在胶粒移动时，其滑动面所带的电
位——电动电位，用ξ表示，ξ表示胶 粒所带电荷的大小，ξ越大，胶粒所带 电荷越大，胶粒间的斥力也就越大。电 位决定了憎水胶体的聚集稳定性。
4、两胶粒间相互作用（综合分析两胶粒间 相互作用力及其与二者间的距离的关系）
ER——静电斥力产生的排斥势能量（两 胶粒的扩散层发生重叠）；
EA——范德化引力产生的吸引势能量； E ——两者相加的总势能。
如图总势能曲线， • x＜oa，吸引， • x=oa～oc时，排斥； • x=ob时，排斥势能最 大Emax； • x＞oc，虽为吸引， 但要克服排斥势能 峰。