水处理技术.ppt

2.2混凝处理理论
一、混凝机理
根据颗粒脱稳机理：目前的水的混凝处理机 理可以分以下四种：
1）压缩双电层作用 • 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱
稳。
• 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
• 2）吸附-电性中和 • 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、
• 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。
• 三、胶体稳定性的DLVO理 论
• 投加电解质价数越高，脱稳效果越好，一价:二价:三 价离子电解质的投加量之比=1:10-2:10-3,称为叔采哈代法则。
• 2)投加电荷相反的胶体
• 两种胶体起到电性中和作用， 电位均降低， 从而进行脱稳作用。
• 3）投加高分子絮凝剂
• 链状结构，将胶体进行联接
胶粒
高分子
胶粒
高分子
图 6-5 架桥模型示意
高分子物质、胶粒等，来降低电位。这一点与 第1条机理不同。
• 3）吸附架桥
• 指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架 桥
• 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投 加过多，会出现“胶体保护”现象。
胶粒
高分子
胶粒
胶粒 排斥
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架桥模型示意
图 6-6 胶体保护示意
• 4）网捕或卷扫 • 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 • 小胶粒与大矾花发生接触凝聚
• 布朗运动无法克服排斥能峰Emax，须外界 注入能量。
• 因此，混凝是有能耗的，但同时应注意降 低电位，以降低排斥能峰Emax 。
• 四、胶体的脱稳方法 • 1）投加电解质 • 天然水体中的胶体一般带负电，投加高价反离子后，
反离子浓度增大， 电位降低，排斥势能降低到一 定程度，吸引势能占优势，胶体开始脱稳。
异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称 为异向絮凝。
同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运 动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝
• 1、异向絮凝 • 由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。 • 颗粒的碰撞速率(1/cm3.s)
• •
n：颗粒数量浓度
Np
8
3v
KTn 2
• ：运动粘度
• ：水的密度
• 水的混凝处理涉及到四个方面的问题： • 2.1 水中胶体的性质 • 2.2 混凝理论 • 2.3 混凝剂与助凝剂 • 2.4 混凝构筑物与设备
2.1胶体颗粒的基本性质
一、胶体的结构
由胶核、吸附层与扩散层组成的双电层结构。
以Fe（OH）3 胶体为例， 1)胶核: Fe（OH）3的聚集体. 2)吸附层: 正电离子如FeO+, 以及一定量的带Baidu Nhomakorabea电的
• 凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒
数量\T有关，而与颗粒粒径无关。
• 但当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。
• 2、异向絮凝
• 由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理 论基于层流的假定。
• 碰撞速率
N0
4 n2d 3G 3
• 速度梯度：G＝U/Z（相邻两流层的速度增量）
• 对于机械絮凝： • p＝G (参照<给水工程>) ：剪切应力 • p：单位体积流体所耗功率，W/m3 • 按照牛顿定律 ＝G
• 以上四条即为混凝的机理。
二、混凝剂化学-以AI2（SO4）3为例
AI3+
[AI（H2O）6] 3+
• 1）水解反应： • [AI（H2O）6] 3+——— [AI（OH）（H2O）6] 2+
2）缩聚反应
• 当pH值较低时，AI离子在水中高电荷，低聚合度 的络合物为主，其混凝机理在于压缩双电层。
• 通常， 电位表示胶粒的带电量大小， 电位越高， 微粒间的静电排斥越强，胶粒的稳定性越高，反 之，胶粒的稳定性越差。
• 天然水中，粘土胶体： 电位-15~-40mV
•
细菌胶体： 电位-30~-70mV
•
藻 类： 电位-10~-15mV
• 二、胶体颗粒的稳定性
• 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。
2. 水的混凝
• 水处理中主要杂质：
• 粘土（50nm-4 m） • 细菌（0.2m-80m） • 病毒（10nm-300nm） • 蛋白质、腐殖酸（1nm-50nm）
• 混凝去除的物质颗粒范围在：1nm-1m，是 一种化学方法。
• 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝 聚生长成大矾花。
• 1637年 我国开始使用明矾净水 • 1884年 西方才开始使用
• 胶体颗粒之间的相互作用决定 于排斥能与吸引能，分别由静 电斥力与范德华引力产生。
• 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。
• 只有当x<oa时，胶体才能相互凝聚。但这 时需要克服排斥能峰Emax。
反离子. 3)扩散层:反离子的扩散层
• 这样，形成了胶体粒子的双电层结构。
• 电位决定离子:决定了胶体的带电性能，如 FeO+
• 反离子：与电位决定离子电性相反
• 在这样的一个电场中，
• 胶核表面有一个电位---总电位，φ0
• 吸附层表面有一个电位---动电位， φd 电位
• 扩散层表面有一个电位---动电位， 电位
• 天然水体一般pH=6.5-7.8
• 三、混凝剂投加的经验数据
• 明矾：35~80mg/L • 三价铁：25~60mg/L • PAC : 5~10mg/L • 聚铁： 5~8mg/L
• 四、混凝动力学
• 颗粒间的碰撞是混凝的首要条件，研究颗粒碰撞
速率属于混凝动力学范畴。
颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中 的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运 动。
• 在pH值较高时， AI离子以低电荷，高聚合度的络 合物为主。吸附架桥。
• AI盐在水中的水解产物与pH的关系如图2-4,p61
• 根据以上机理，可以解释在不同pH条件下， 铝盐可能产生的混凝机理。
• pH<4 层作用
简单的水合铝离子起压缩双电
• pH=4－5 多核羟基络合物起吸附电性 中和
• pH=6.5-7.5 多核羟基络合物起吸附电性 中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕