絮凝剂原理综合讲义

影响絮凝的因素
絮凝Hale Waihona Puke Baidu用量
有个最佳值有个最佳值-
分离方法和工艺设计的影响
不同的分离方法对絮凝效果有不同的要求
影响絮凝效果的因素
• 吸附等温线（聚合物吸附量与聚合物浓度的关系） 吸附等温线（聚合物吸附量与聚合物浓度的关系） 和区段密度 1.低亲和吸附等温线：聚合物吸附量随聚合物浓 低亲和吸附等温线： 低亲和吸附等温线 度增加而增加。 度增加而增加。吸附量随分子量和离子强度增加 而增加。 而增加。 2.高亲和吸附等温线：在低聚合物浓度下，聚合 高亲和吸附等温线： 高亲和吸附等温线 在低聚合物浓度下， 物几乎定量吸附。中性和具有相反电荷的聚合物， 物几乎定量吸附。中性和具有相反电荷的聚合物， 但有相同电荷的聚合物也常有。 但有相同电荷的聚合物也常有。吸附量与分子量 和离子强度关系较弱。主要与聚合物的结构、 和离子强度关系较弱。主要与聚合物的结构、离 子化强度及颗粒电荷密度有关。 子化强度及颗粒电荷密度有关。
生物发酵行业
生活污水生活污水-污水生化处理 生物发酵-酿造、酒精、淀粉、 生物发酵-酿造、酒精、淀粉、柠檬酸等 生物制药
无机絮凝剂与无机高分子絮凝剂
种类 应用原理 复配效果 影响因素
无机絮凝剂种类及应用
聚铝 聚铁 聚硅硫酸铁 硫酸亚铁 明矾
高分子絮凝剂的类型
聚合物的选择
• 絮凝聚合物与颗粒的吸附包括： 絮凝聚合物与颗粒的吸附包括： 物理吸附：静电吸引，偶极吸引， 物理吸附：静电吸引，偶极吸引，范德 瓦尔力和疏水作用 化学吸附：化学键， 化学吸附：化学键，配位键和氢键 范德瓦尔力和偶极吸引一般难于控制且 无选择性 • 颗粒表面性质是选择絮凝聚合物的依据
显然‘桥联’起到重要重要 显然‘桥联’
影响絮凝效果的因素
• 离子强度的影响 加入电解质 1.降低颗粒表面双层电位，颗粒彼此易接近 2.降低聚合物电荷屏蔽作用，有利于高亲和 吸附
增加离子强度， 略有减小（ 增加离子强度，OFC略有减小（增加）， 略有减小 增加）， 絮凝速度加快，上清液澄清度增加。 絮凝速度加快，上清液澄清度增加。
聚合物的选择
絮凝聚合物的用量： 絮凝聚合物的用量：OFC 絮凝聚合物的的稀释度： 絮凝聚合物的的稀释度：稀释度低易造 成局部浓度高，混合效果差。 成局部浓度高，混合效果差。 聚合物分子量：聚合物分子量增大， 聚合物分子量：聚合物分子量增大，分 子链越长，絮凝能力随之越大。 子链越长，絮凝能力随之越大。
• pH的影响 的影响
絮凝时的pH直接影响颗粒和聚合物的电荷密度， 絮凝时的 直接影响颗粒和聚合物的电荷密度， 直接影响颗粒和聚合物的电荷密度 对絮凝效果产生明显影响。 对絮凝效果产生明显影响。
上 清 浊 度 1 2 3 中性颗粒
log聚合物浓度
1:pH4.4; 2:pH5.3; 3:pH5.8
阳离子聚合物， 增加， 阳离子聚合物，随pH增加，电荷减少，絮凝需聚合物 增加 电荷减少， 浓度增加
影响絮凝效果的因素
• 聚合物浓度的影响
絮 凝 效 果
A
CFC
B
OFC 聚合物浓度
C
RSC
RSC：再稳定浓度 OFC：最适絮凝浓度 CFC：临界絮凝浓度 A:非絮凝区， B:絮凝 区， C:稳定区
影响絮凝效果的因素
• 聚合物分子量的影响
絮 凝 速 度 1 聚合物浓度 聚合物分子量：1:5,000; 2:50,000; 3 2
3:150,000
OFC基本与聚合物分子量无关。分子量增大，絮凝范 基本与聚合物分子量无关。分子量增大， 基本与聚合物分子量无关 围扩宽（ RSC增加，CFC降低）。在OFC下絮 增加， 降低）。 围扩宽（即 增加 降低）。在 下絮 凝上清液的浊度随聚合物分子量增加而降低。 凝上清液的浊度随聚合物分子量增加而降低。
＋ ＋ － －
＋
－ －
＋
带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子絮凝剂的 桥连。电中和＋桥连，电中和后， 桥连。电中和＋桥连，电中和后，通过库仑引力使 胶体脱稳。 胶体脱稳。
絮凝机理－同种电荷物质的桥连
正电荷区域吸 引阴离子絮凝 剂的羧基官能 团，结合成絮 体。
－ －－－ －－－－ － －－－－ ＋＋＋ －－－－ ＋＋＋ ＋＋＋ ＋＋ －－－－ ＋＋＋ －－－－ ＋＋ －－－－ －
影响因素总结
分子量、离子度、分子基团、分子结构 液体体系PH值，ζ电位、液体构成 颗粒大小、电荷、 分离设备和分离工艺
聚合物的选择
聚合物絮凝剂应具备的性质： 聚合物絮凝剂应具备的性质：
1.水溶性线性高分子聚合物，通常MW大于106 1.水溶性线性高分子聚合物 通常MW大于 水溶性线性高分子聚合物， 大于10 2.在溶液中分子具有伸展和弹性结构 2.在溶液中分子具有伸展和弹性结构 3.与絮凝颗粒有相反电荷或在颗粒之间形成桥 3.与絮凝颗粒有相反电荷或在颗粒之间形成桥 联 4.形成的絮凝物能经受中等剪切力而不破坏 4.形成的絮凝物能经受中等剪切力而不破坏 5.对产物生物活性无变性和失活作用 5.对产物生物活性无变性和失活作用 6.对絮凝与保留物具有选择性 6.对絮凝与保留物具有选择性
＋ － ＋
＋ － ＋
＋ － ＋
＋ － ＋
絮凝机理－架桥 絮凝机理－
环式架桥
尾式架桥
列车式架桥
絮凝机理－异种电荷物质的桥连
＋ ＋ － －
＋
－ －
＋
带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子絮凝剂的 桥连。电中和＋桥连，电中和后， 桥连。电中和＋桥连，电中和后，通过库仑引力使 胶体脱稳。 胶体脱稳。
絮凝机理－异种电荷物质的桥连
pH对絮凝物过滤速度的影响 对絮凝物过滤速度的影响
絮凝剂的量对过滤速度的影响
影响絮凝效果的因素
颗粒浓度的影响
1.在无电解质存在下，相反电荷的聚合物与不同浓度 1.在无电解质存在下 在无电解质存在下， 颗粒絮凝的吸附等温无明显差异，说明桥联作用在这 里并不是主要的； 2.在有电解质存在时，聚合物浓度与颗粒浓度比值随 2.在有电解质存在时 在有电解质存在时， 颗粒浓度增加而降低。说明颗粒浓度增加，颗粒之间 的碰撞频率以颗粒浓度的平方增加，颗粒共享聚合物 的机率增加，形成桥联的所需聚合物量明显减少。 说明电荷相反的颗粒与聚合物的絮凝过程， 说明电荷相反的颗粒与聚合物的絮凝过程，电荷中和作 用很重要，中和后会发生桥联作用。 用很重要，中和后会发生桥联作用。
影响絮凝效果的因素
在弱作用力下吸附的聚合物量比强作用力 的大些
A B
这种情况因颗粒和聚合物的电荷密度而改变， pH改变引起颗粒和聚合物的电荷密度变化， 造成吸附量增加或减少。
影响絮凝效果的因素
• 根据Schulzc Hardy法则：反离子的 根据Schulzc Hardy法则 Schulzc—Hardy法则： 价数越高，即凝聚能力越强， 价数越高，即凝聚能力越强，阳离子 对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为： 对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为： Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+， 在工业常用的凝聚剂电解质有 AlCl3.2H2O﹑CaCl2 ﹑Na2HPO4.12H2O等。
内容
前言
絮凝剂的重要性 絮凝剂在国内外的现状 絮凝剂的定义和分类 絮凝机理 絮凝影响因素 应用案例
絮凝机理－胶体颗粒
<1nm 1~1000nm 1000~10 nm >10 nm
5 5
分散质 分散剂
观察体系构成
• 絮凝应用于悬浮体系和胶体溶液，目的是 加快固液分离速度，提高分离效率。对于 较长时间可以静置沉淀的悬浮液可用阴离 子或低离子度的阳离子，对于胶体溶液一 般用阳离子。
影响絮凝效果的因素
• pH的影响 的影响
聚 合 浓 度 (log) RSC OFC(ZMC) CFC 2.0
带负电荷颗粒
7.0 12.0 pH ZMC：颗粒与聚合物作用后，电泳零迁移的聚合物浓度
阳离子聚合物， 增加电荷减少 增加电荷减少， 阳离子聚合物，pH增加电荷减少，OFC和RSC略有降 和 略有降 后增加； 增加， 低，后增加；CFC增加，絮凝范围和效率增加。 增加 絮凝范围和效率增加。 在高pH下，桥联为主，低pH，电荷中和为主。 在高 下 桥联为主， ，电荷中和为主。
影响絮凝的因素
搅拌速度和时间
太快，容易搅碎絮体，小颗粒难以沉淀。 太慢，絮体不能充分接触，不利于捕捉颗粒。 以40~80r/min，搅拌时间以2~4min为宜。
高分子絮凝剂的性质和结构的影响
线性效果最好，环状或者支链结构絮凝效果差。 官能团多，电荷密度高，絮凝效果差。 官能团过少，电荷密度低，对电荷的中和作用不利。
影响絮凝效果的因素
• 混合方法的影响
上 清 浊 度 1 1 2 2
log聚合物浓度 实线：絮凝聚合物一次加入； 虚线：絮凝聚合物分两次加入 1: 聚合物浓度0.124; 2:聚合物浓度0.0435
絮凝剂分两次加入，絮凝效果更好， 絮凝剂分两次加入，絮凝效果更好，OFC与混合方式 与混合方式 无关，但上清液浊度低，絮凝范围宽。 无关，但上清液浊度低，絮凝范围宽。
影响絮凝效果的因素
3.电解质浓度：当使用中性与相同电荷的聚 电解质浓度： 电解质浓度 合物时，吸附随电解质浓度增加而增加； 合物时，吸附随电解质浓度增加而增加； 电荷相反时，情况复杂。 电荷相反时，情况复杂。 • 低电解质浓度：当聚合物与颗粒电荷高时， 聚合物在颗粒表面相互作用强，构型如A。 • 高电解质浓度：当聚合物与颗粒电荷低时， 相互作用弱，聚合物在颗粒上的构型如B。
影响絮凝的因素
PH值是絮凝剂发挥作用的基本环境
• • • • 阳离子型－酸性、中性 聚季铵盐阳离子－酸性、中性、碱性 阴离子型－中性、碱性 非离子－强酸到碱性
温度是给予絮体动能的源泉之一
• 过高，反映太快，颗粒细小 • 过低，絮凝剂水解时间长，链段运动缓慢，不利絮凝。 • 适合水温20~30度。
影响絮凝效果的因素
絮凝机理－电中和 絮凝机理－
＋＋＋ + －+ ＋＋ + ＋+ ＋ + － + + + + 胶体颗粒表面上的电荷被 中和，随着絮凝剂的不断 加入，表面电荷被中和的 越来越多，Z电位不断降 低，排斥能不断下降，最 终当颗粒间以吸引力为主 产生絮凝沉淀。 胶体表面带大量电荷， 扩散层相排斥，使胶体 稳定。
电 泳 迁 移 1 1 2 2
log(聚合物浓度)
虚线：pH4.4； 实线：pH5.8；1:MW20,000； 2:MW1,000,000 横线：零迁移
影响絮凝效果的因素
使用阳离子聚合物絮凝阴离子颗粒的简单电 荷中和絮凝作用，应有： 荷中和絮凝作用，应有：
1.不同分子量聚合物的OFC相同 1.不同分子量聚合物的 不同分子量聚合物的OFC相同 2.在OFC时，絮凝颗粒的电泳迁移为零 2.在OFC时
晶体颗粒表面电荷
絮凝机理－ 絮凝机理－卷扫作用
残留悬浮微粒
絮状沉淀物
原水 中悬 浮物
沉淀物卷扫作用
有机高分子絮凝剂列举
• 阳离子絮凝剂 丙烯酰氨－甲基丙烯酸乙酯基氯化铵共聚物 丙烯酰氨－丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲酯共聚物 聚二甲基二烯丙基氯化铵 聚亚胺 • 阴离子絮凝剂 聚丙烯酸钠 聚苯乙烯磺酸钠 • 非离子型絮凝剂 聚乙烯醇 聚乙烯甲基醚 聚氧化乙烯 聚丙烯酰氨
影响絮凝效果的因素
• 聚合物浓度的影响 用阳离子聚合物进行絮凝时的电泳 聚合物浓度的影响:
迁移情况：浓度低于 迁移情况：浓度低于CFC，带负电荷的颗粒悬浮物稳定；浓 ，带负电荷的颗粒悬浮物稳定； 度低于或接近OFC，电荷发生逆转；超过 度低于或接近 ，电荷发生逆转；超过RSC，带正电荷 ， 的颗粒稳定。 的颗粒稳定。
絮凝剂的分类
絮凝剂
无机絮凝剂
有机絮凝剂
无机低分子 AS AC KAL(SO4)2 FS FC FeCL2
无机高分子 聚铝 PAC PAS 聚铁 PFC PFS
人工合成 阴、阳、非
天然有机高分子 絮凝剂
影响絮凝的因素 PH值 PH值 温度 搅拌速度和时间 性质和结构 分子量 用量 分离方法和工艺设计
但有如下现象与电荷中和理论不一致： 但有如下现象与电荷中和理论不一致：
1.絮凝范围随分子量增加而增加 1.絮凝范围随分子量增加而增加 2.在OFC下电泳迁移不为零 2.在OFC下电泳迁移不为零 3.在OFC下不同聚合物的絮凝速度明显不同 3.在OFC下不同聚合物的絮凝速度明显不同 4.絮凝速度明显大于简单的盐 4.絮凝速度明显大于简单的盐