第三章 水环境化学3

沉淀物网捕作用： 沉淀物网捕作用：当铝盐或铁盐作为絮凝剂投加 到水溶液中时，带负电荷的胶粒暴露在了铝盐或 铁盐水解形成水合金属氢氧化物的附近，由于这 铁盐水解形成水合金属氢氧化物的附近，由于这 些水合金属氢氧化物是带有较高正电荷的阳离子 些水合金属氢氧化物是带有较高正电荷的阳离子 高分子，故而会对带负电荷的胶粒产生吸附作用。 当这些阳离子高分子继续水解形成氢氧化物沉淀 时，它们就象多孔的网子一样将水中的胶粒和悬 浮颗粒连带一起捕集清扫下来，形成絮凝状沉淀 沉积在水底。 吸附架桥作用：溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有 吸附架桥作用：溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有 机或无机高分子絮凝剂的活性部位的吸附作用形 机或无机高分子絮凝剂的活性部位的吸附作用形 成胶粒—絮凝剂—胶粒结构的絮体，从溶液中沉 胶粒—絮凝剂—胶粒结构的絮体，从溶液中沉 淀下来。
固体对气体的吸附： L型：
G = 1 G G 0c = 1
Γ = kp n lg Γ = n lg p + lg k
(A + c )
G0
+ A G 1c 0
( )
三种吸附等温线
3.沉积物中重金属的释放（二次污染） 3.沉积物中重金属的释放（二次污染） 释放诱因 ⑴盐度升高，碱金属和碱土金属可将吸附在固体 盐度升高，碱金属和碱土金属可将吸附在固体 颗粒上的金属离子交换出来； ⑵氧化还原条件的改变，耗氧物较多，氧化还原 氧化还原条件的改变，耗氧物较多，氧化还原 电位降低，沉淀的金属氧化物又溶解。 ⑶pH降低，MeCO3或Me(OH)x溶解； pH降低， Me(OH)x溶解； ⑷增加水中配合剂的含量； 增加水中配合剂的含量； ⑸其他化学过程：重金属迁移—动植物体内，沿 其他化学过程：重金属迁移— 食物链富集放大或通过动植物残体的分解产物进 入水体。
重金属与腐殖质的配合作用顺序
Hg2+>Cu2+> Ni2+>Zn2+>Co2+>Cd2+>Mn2+ 腐殖质与重金属的配合作用顺序： 分子量小的与重金属配合作用强，配合物溶 解度高，强弱顺序为： 富里酸> 腐殖酸> 富里酸> 腐殖酸>胡敏素
一、颗粒物与水之间的迁移
2.水环境中颗粒物的吸附作用 2.水环境中颗粒物的吸附作用 表面吸附 离子交换吸附 专属吸附
凝聚物理理论适用条件：电解质浓度升高 凝聚物理理论适用条件：电解质浓度升高 压缩扩散层造成颗粒聚集的典型情况，属 于一种理想化的简单的体系。 天然水环境和水处理过程中的颗粒聚集方 式有很多，也较复杂，概括有以下十种。
胶体颗粒凝聚方式 (Flocculation Way of Colloid Particulate)
二、水中颗粒物的聚集
凝聚（coagulation) 凝聚（coagulation) ：电介质降低静电斥力，使颗粒 合在一起。 絮凝(Flocculation )：加入架桥物质（聚合物， 絮凝(Flocculation )：加入架桥物质（聚合物， FeCl3,Al2(SO4)3）,通过化学键联结胶体粒子。 1.胶体颗粒凝聚的基本原理和方式 1.胶体颗粒凝聚的基本原理和方式 DLVO理论：（Derjagin、Landau、Verwey、 DLVO理论：（Derjagin、Landau、Verwey、 理论：（ Overbeek四人提出），是目前对胶体稳定性解释得 Overbeek四人提出），是目前对胶体稳定性解释得 四人提出）， 比较完善的理论。该理论以溶胶粒子间的相互吸引 比较完善的理论。该理论以溶胶粒子间的相互吸引 相互排斥力为基础 认为当粒子相互接近时， 为基础， 力和相互排斥力为基础，认为当粒子相互接近时， 这两种相反的作用力决定了溶胶的稳定性。
一、颗粒物与水之间的迁移
离子交换吸附 因胶体表面具负电荷所致. 规律： 规律 重金属离子的价态越高，水化离子半径越小， 浓度越大就越有利于离子交换吸附.
一、颗粒物与水之间的迁移
专属吸附： 专属吸附：
作用力：化学键力、范德华力、氢键等。 多发生于配位离子、有机离子、 多发生于配位离子、有机离子、有机高分 子和无机高分子
1、压缩双电层的聚集 、
水中电解质浓度增大而离子强度增大，压缩扩散层，颗粒物 吸引而聚集
2、专属吸附凝聚 、 胶体颗粒专属吸附异电的离子化合态，降低表面 电位，产生电中和现象，使颗粒物聚集. 3、胶体相互凝聚 、
电荷相反的两种胶体相互吸引凝聚
胶体颗粒凝聚方式
4. “边对面”絮凝 边对面” 边对面 黏土矿物颗粒呈板状，板面荷负电，边缘荷 正电， 各颗粒的边面之间可由静电引力结 合.
二、水中颗粒物的聚集
综合作用位能为： 综合作用位能为：
VT = VR + VA
VR—由静电斥力产生的位能，与溶液离子 由静电斥力产生的位能， 强度I有关,随距离d下降。 强度I有关,随距离d下降。 VA—由范德华力产生的位能，与溶液离子 由范德华力产生的位能， 强度I无关。 强度I无关。
①不同溶液离子强度有 不同V 曲线, 不同 R曲线 VR随颗粒 间的距离按指数律下降 ②VA则只随颗粒间的距 离变化， 离变化，与溶液中离子 强度无关。 强度无关。 ③不同溶液离子强度 曲线。 有不同的VT曲线。
第二节 水中无机污染物的迁 移转化
水中无机物的迁移转化方式主要有: 水中无机物的迁移转化方式主要有:沉淀 -溶解，氧化还原，配合作用，胶体的形 成，吸附成，吸附-解吸等物理化学作用。
一、颗粒物与水之间的迁移 一、颗粒物与水之间的迁移 1.水中颗粒物的类别 1.水中颗粒物的类别 各类矿物微粒：石英，长石，云母及粘土矿物等 硅酸盐矿物。 无机高分子：铝铁锰硅的水合物 有机高分子：腐殖质，蛋白质 ⑴矿物微粒和粘土矿物: ⑴矿物微粒和粘土矿物: 石英,长石：不易碎, 石英,长石：不易碎,粗,缺乏粘结性; 缺乏粘结性; 云母,蒙脱石,高岭石:层状结构,易碎,颗粒细, 云母,蒙脱石,高岭石:层状结构,易碎,颗粒细,有粘 结性,湿陷性; 结性,湿陷性; 粘土矿物:具有胶体化特征,分散性,矿物风化而成, 粘土矿物:具有胶体化特征,分散性,矿物风化而成, 铝镁的硅酸盐. 铝镁的硅酸盐.
一、颗粒物与水之间的迁移 一、颗粒物与水之间的迁移
⑶腐殖质: 腐殖质: 带负电的高分子电解质. 带负电的高分子电解质. pH高时,碱性溶液中或离子强度低的条件下,-OH和pH高时,碱性溶液中或离子强度低的条件下, OH和 COOH大多离解,亲水性强,溶解; COOH大多离解,亲水性强,溶解; pH低时,酸性溶液中或高浓度的金属阳离子存在,亲 pH低时,酸性溶液中或高浓度的金属阳离子存在, 水性弱,沉淀或聚集. 水性弱,沉淀或聚集. ⑷水体悬浮沉积物 以矿物微粒,尤其是粘土矿物为核心骨架,有机物, 以矿物微粒,尤其是粘土矿物为核心骨架,有机物, 金属水合氧化物结合于其表面,成为架桥物质, 金属水合氧化物结合于其表面,成为架桥物质,形 成的絮状聚集体. 成的絮状聚集体.
2.水环境中颗粒物的吸附作用 2.水环境中颗粒物的吸附作用
表面吸附: 表面吸附: 胶体有巨大的 比表面和表面能, 比表面和表面能,固液界面 存在吸附作用.As越大, 存在吸附作用.As越大,吸 附越强——物理吸附 附越强——物理吸附 离子交换吸附： 带负电荷 的胶体吸附一部分阳离子， Ca2+ + 2NaEx↔CaEx + 2Na+ . . 2 同时放出等量的其它阳离 子——物理化学吸附， ——物理化学吸附， Mg2+ + 2NaEx↔ MgEx2 + 2Na+ . . （可逆反应）。
（1） 电势的大小是胶粒带电程度的标志。 电势的大小是胶粒带电程度的标志。 （2） 电势的符号标志胶粒的带电性质（即 电势的符号标志胶粒的带电性质（ 电荷的正负）。 电荷的正负）。 （3） 电势的值还可反应扩散层的厚度。电 电势的值还可反应扩散层的厚度。 势增大，扩散层变厚。 势增大，扩散层变厚。
1.水中颗粒物的类别 1.水中颗粒物的类别
⑵金属水合氧化物 Al3+,Al(OH)2+, Al2(OH)24+, Al(OH)2+, Al(OH)3, 形态随pH变化, Al(OH)4-,形态随pH变化,一定条件下发生聚合反 应生成……— 应生成……—多核配合物和无机高分子，最终生 成—（Al(OH)3)∞沉淀; 沉淀; Fe,不同pH,形态有Fe Fe,不同pH,形态有Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe2(OH)24+, Fe(OH)3 ; Mn, 与铁相似; 与铁相似; Si,硅酸单体H Si,硅酸单体H4SiO4或Si(OH)4;弱酸,过量会形成聚 弱酸, 合物, 合物,胶体或沉淀 H4SiO4 H6Si2O7＋H2O
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1. 胶体凝聚的基本原理
理论) （1）胶体稳定性理论 ）胶体稳定性理论(DLVO理论 理论 适用于电解质浓度升高压缩扩散层造成颗 粒聚集的典型情况 考虑因素： 考虑因素：范德华力和静电排斥力的作用 范围; 没有化学专属吸附作用。 范围 没有化学专属吸附作用。 假设条件：颗粒粒度均等、球体形状。 假设条件：颗粒粒度均等、球体形状。 所受作用力：分子间范德华力、 所受作用力：分子间范德华力、静电排斥 力和水化膜阻力。 力和水化膜阻力。
⑴吸附等温线与吸附等温式
水体中常见的吸附等温线：Henry型，Freundlich 水体中常见的吸附等温线：Henry型，Freundlich 型，Langmuir型 型，Langmuir型 H型：直线，G=kc; 型：直线，G=kc; F型:
G = kc 1 n 1 lg c n lg G = lg k +
有机高分子和无机高分子的专属吸附特别强烈。 有机高分子和无机高分子的专属吸附特别强烈。 水合氧化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附 作用，吸附作用发生在胶体双电层的Stern Stern层 作用，吸附作用发生在胶体双电层的Stern层。另， 在中性表面甚至在于吸附离子带相同电荷符号的 表面也能进行吸附作用
水中藻类、细菌等微小生物体具有胶体性质，带有电荷，可以 发生凝聚作用
补充材料
DLVO理论和双电层压缩机理： DLVO理论和双电层压缩机理：絮凝分离的对象 理论和双电层压缩机理 主要是水中的胶体和悬浮颗粒，絮凝过程的机理 主要是水中的胶体和悬浮颗粒，絮凝过程的机理 就必然要涉及到关于胶体稳定性的DLVO理论。 就必然要涉及到关于胶体稳定性的DLVO理论。 DLVO理论是用胶体颗粒间的吸引和排斥能的相 DLVO理论是用胶体颗粒间的吸引和排斥能的相 互作用来解释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原 互作用来解释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原 因。 吸附电中和作用： 吸附电中和作用：吸附电中和作用是指胶粒表面 对异号离子，异号胶粒或链状高分子带异号电荷 异号离子，异号胶粒或链状高分子带异号电荷 的部分有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中 的部分有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中 和了胶粒表面的电荷，减少了静电斥力，颗粒间 的相互作用能达到第一最小能值，相互吸引形成 稳定的絮体沉降下来。
斯特恩双电层模型
斯特恩层和斯特恩面
斯特恩层：斯特恩面与固体表面之间的空 间。 斯特恩面：被吸附的水化离子（体积变大） 中心连线所形成的假想面。
电动电位
带有电荷的矿物颗粒在溶液中以胶团形式存在胶 团结构中随颗粒一起运动的部分称胶粒从胶粒到 溶液主体的电位差称为电动电位. 溶液主体的电位差称为电动电位.电动电位（简称 动电位）是胶体溶液的一个重要性质. 动电位）是胶体溶液的一个重要性质.它影响着胶 体悬浮液中矿物颗粒的沉降特性和悬浮液的稳定 悬浮液中矿物颗粒的沉降特性和悬浮液的稳定 性。 ζ电位是固液界面吸附溶剂化层与溶液本体间的电 电位是固液界面吸附溶剂化层与溶液本体间的电 位差,又称为电动电位. 位差,又称为电动电位.由于它是固液界面静电排斥 力大小的量度，也是衡量分散体系稳定性的重要 力大小的量度，也是衡量分散体系稳定性的重要 参数
（5）第二极小值絮凝； ）第二极小值絮凝；
属于较远距离的接触，颗粒本身并未完全脱稳，具有可 逆性。
（6）聚合物粘结架桥絮凝； ）聚合物粘结架桥絮凝；
胶体吸附高分子电解质而凝聚，属于专属吸附类型。
胶体颗粒凝聚方式
(Flocculation Way of Colloid Particulate)
（7）无机高分子的絮凝； ）无机高分子的絮凝； （8）絮团卷扫絮凝； ）絮团卷扫絮凝； （9）颗粒层吸附絮凝； ）颗粒层吸附絮凝； （10）生物絮凝。 ）生物絮凝。
（2） 异体凝聚理论 ） 主要论点
异性胶体微粒接近时．吸引力占优势； 异性胶体微粒接近时．吸引力占优势； 符号相同电性不等的两颗粒凝聚时， 符号相同电性不等的两颗粒凝聚时，决定 于荷电较弱而电位较低的一方。 于荷电较弱而电位较低的一方。 异体凝聚时， 异体凝聚时，其中一种胶体电位达到临界 状态，就可以发生快速凝聚。 状态，就可以发生快速凝聚。