PPT《第一章 混凝原理》

第一章 混凝原理

第一节 化学处理与混凝剂

第二节 混凝处理可应用的范围

第三节 混凝药剂的分类

第四节 胶体基本知识

第五节 铝盐铁盐的水解机理

第一节 化学处理与混凝剂 混凝目的:去除直径在10-7~10-9m范围内的胶体物质.

混凝原理:胶体表面一般带有负电荷,相互排斥,呈现出布朗运动的特征,形成稳定的悬浮液.如果加入胶体或者带有正电荷的物质,可以中和胶体表面电荷,物理吸附力(The Van der Waals force)可以超过上述排斥力,从而引发胶体物质的凝聚. 使用无机混凝剂的历史可追溯到古埃及,那时,人们使用铝盐(用硫酸铝,碱金属等制备的复盐)来处理饮用水.无机有机复合混凝剂,例如聚氯化铝-聚二烯丙基二甲基氯化铵复合物、聚胺-聚氯化铝复合物,他们不仅具有无机混凝剂的性能,同时絮凝效果也非常突出,可以免除后续投加高分子絮凝剂.

第一节 化学处理与混凝剂 研究新进展 现在很多研究人员都在积极研究开发复合型混凝剂或者絮凝剂,在这方面国内的研究相当活跃.近几年国外已经开始吸附型混凝剂的研究.例如在混凝剂中加入超微粉吸附剂,如粉末活性炭、硅藻土、活性黏土等,这样,吸附剂可以与混凝剂协同作用,达到去除胶体和分子分散状态物质的目的.针对微污染的特点,现在开发和使用的吸附剂,包括一些络合型吸附剂,例如去除重金属的硫代磺酸盐及其聚合物.

第二节 混凝处理可应用的范围 颗粒大小和沉淀之间的关系

8 y 0.00000042 胶体 0.00001

28 d 0.000042 细菌 0.0001(1?m)

7 hr 0.0042 污泥(淤泥,粘土) 0.001

4 min 0.42 细沙 0.01

10 s 10.4 沙0.05 沉降1m所需要的时间 cm/s 自然沉淀速度 近似大小 粒径(cm) 颗粒大小和沉淀之间的关系 水中颗粒物质的粒径越大,沉淀分离的速度越快.混凝对微细颗粒或胶体的分离主要是通过凝聚不同的颗粒,形成絮体,加快颗粒的沉淀速度.

第三节 混凝药剂的分类 无机混凝剂:铁盐和铝盐等有机高分子混凝剂:各种聚丙烯酰胺、聚胺等 poly aluminum ferric silicate sulfate 聚硅硫酸铝铁 poly ferric silicate sulfate 聚硅硫酸铁 poly aluminum ferric silicate chloride 聚硅氯化铝铁 poly aluminum silicate sulfate 聚硅硫酸铝 poly aluminum silicate chloride 聚硅氯化铝 poly aluminum ferric sulfate 聚硫酸铁铝 poly ferric sulfate 聚硫酸铁 poly aluminum ferric chloride 聚氯化铝铁 poly aluminum sulfate 聚硫酸铝 poly aluminum chloride 聚氯化铝 无机高分子 ferric chloride 氯化铁 ferrous sulfate 硫酸亚铁 ferric sulfate 硫酸铁 ferric sulfate chloride 氯化硫酸铁 alum, aluminum sulfate 硫酸铝 无机低分子 英文名称 名称 类别 混凝剂、絮凝剂的类型 微生物多糖 改性木质素 Chitosan 壳聚糖 modified cationic starch 改性阳离子淀粉 天然高分子 poly(dimethyldiallyl ammonium chloride) 聚二烯丙基二甲基氯化铵 Modified cationic starch 阳离子淀粉 developed polyacrylamide 阳离子聚丙烯酰胺 polyamine 聚胺 复合混凝剂用有机高分子絮凝剂或助凝剂 dicyandiamide-formaldehyde condense 双氰胺-甲醛缩聚物 polyacrylic acid 聚丙烯酸 acrylamide- dimethyldiallyl ammonium chloride copolymer 丙烯酰胺-二烯丙基二甲基氯化铵共聚物 poly(dimethyldiallyl ammonium chloride) 聚二烯丙基二甲基氯化铵 dimethylamide-epi-chlorohydrin polyamine 表氯醇二甲胺聚胺 polyacrylamide 聚丙烯酰胺 絮凝剂 英文名称 名称 类别

第四节 胶体基本知识 根据颗粒的大小,水和水中分布的颗粒所组成的分散体系,可分为三类:悬浮液:颗粒直径大于10-7m,也称粗分散体系;

胶体溶液:颗粒直径在10-9 ~10-7 m之间,也称溶胶;

真溶液:颗粒直径小于10-9 m. 胶体分子聚合而成的胶体微粒称为胶核,其表面吸附了某种离子而带有电荷,从而可以吸引溶液中的异号离子(counter-ions).这些异号离子同时受到两种力的影响:一种是微粒表面的静电引力,它吸引异号离子贴近微粒;

另一种是异号离子本身热运动的扩散作用力以及液体对其的溶剂化作用力.

第四节 胶体基本知识 双电层结构主要有贴近胶体表面的内层和扩散层组成.前者主要取决于吸附离子,后者取决于静电力和无规则热运(random thermal motion).

第四节 胶体基本知识 描述胶体表面电荷分布结构的模型Helmholtz模型Gouy-Chapman模型Stern模型

第四节 胶体基本知识 Helmholtz模型 Helmholtz早在1879年指出双电层的内部结构类似一个平行电容器.这个模型没能区分表面电位和电动电位后来的研究表明,根据Helmholtz模型,根本不会有双电层之间的相对运动发生,因为双电层整体是呈电中性的. Gouy-Chapman模型 Gouy (1910)和Chapman (1913)指出,溶液中的反离子受到两个相反的作用力,一是静电力;

二是热力学力.这两个力达到平衡的时候,反离子不是规整地束缚于胶体表面,而是呈扩散型分布的,且随着离开表面的距离增大,反离子过剩的程度逐渐减弱,直至某个距离,反离子浓度同离子浓度相等,扩散层内离子分布右图: Gouy-Chapman模型 为了表示离子的分布,Gouy和Chapman做了如下的假设:固体表面是平板,y和z方向无限大,而且表面上的电荷分布是均匀的;

离子扩散只存在于x方向上,而且把离子作为一个质点电荷来考虑,它在双电层中应该符合Boltzmann分布;

正负离子的电荷数目相等,整个体系呈中性;

溶剂的介电常数在整个扩散层内都是一样的. Gouy-Chapman模型: 是Debye长度,即扩散层厚度.注意,扩散层厚度 在此的定义对应距离表面的距离x= 此时对应的电位应是表面电位的1/e,并不是表面电位绝对值降低到零时对应的厚度或者距离(见下图).为了表征的方便,我们常常称之为双电层厚度,一般双电层的厚度在1纳米到1000纳米之间. Gouy-Chapman模型 扩散层内的电位随着离开胶体表面的距离增大而下降,如右图所示,下降的快慢由k的大小决定.电解质浓度或价数的增大会使得k值增大,双电层变薄,电位随着离开胶体表面的距离增大而下降得更快. Stern模型 Stern认为,溶液中的离子不应该是没有体积的点电荷,他提出:离子是有大小的,离子中心与颗粒表面的距离不可能小于离子的半径;

离子与微粒之间除了有静电斥力之外,应该还有Van der Waals引力. Stern模型 Stern将Gouy-Chapman模型中的扩散层分成了两个部分:靠近胶体表面的

一、两个分子厚的区域内,反离子由于受到强烈的静电引力,与胶体表面紧密地结合在一起,构成所谓的 Stern 层.在 Stern 层外,才是所谓的离子扩散分布的扩散层. Stern模型: Stern层内电位变化的情况与Helmholtz平板模型中相似,由表面处的电位下降到Stern层,Stern层的电位称为Stern电位,扩散层中的电位符合Gouy-Chapman模型,从Stern电位降到零. 电动电位就是固液相对移动时,滑动面与溶液本体的电位差.由于滑动面略比Stern层靠外,因此电动电位稍低于Stern电位(见右图).ζ电位相同的情况下,表面电位不一定相同. 混凝过程 混凝过程:是改变分散在水中胶体表面电荷性质,使之发生凝聚的过程,它是絮凝的第一步(Coagulation: a process that alters the surface charge on dispersed colloidal particles in a liquid so that they are able to agglomerate;

the first stage in floc formation ).混凝过程:通过加入聚电解质或者利用生物的方法,是分散在水体中细小颗粒脱稳并发生初步聚集的过程(Coagulation: The destablization and initial aggregation of finely divided suspended solids by the addition of a polyelectrolyte or a biological process).混凝过程:在废水中小颗粒聚集形成大块絮体,将水体中杂质沉淀出来的方法,混凝过程通常通过加入化学品的方法实施,例如可以加入石灰、硫酸铝或者铁盐.(Coagulation: Clumping of particles in wastewater to settle out impurities, often induced by chemicals such as lime, alum, and iron salts) ? 絮凝过程 絮凝过程:凝聚的颗粒聚集形成絮体的过程,借助生物、化学或者生物的方法,可以通过沉淀或者气浮的方法将絮体分离出来(Flocculation: the agglomeration of coagulated particles to form a floc which can settle or float;

may be assisted by biological, chemical or mechanical means ).絮凝过程:轻微搅拌,使颗粒加速聚集、增强沉淀或者气浮的过程.(Flocculation: Gentle stirring or agitation to accelerate the agglomeration of particles to enhance sedimentation or flotation. )絮凝过程:通过生物或者化学作用,使水体或者废水中颗粒聚集,从而加速其分离的过程(Flocculation: Process by which clumps of solids in water or sewage aggregate through biological or chemical action so they can be separated from water or sewage). Stern模型 DLVO理论 上世纪30年代Deryagin与Landau合作,Verwey与Overbeek合作,各自独立完成了憎液溶胶(lyophobic sols)的稳定性理论,简称为DLVO理论.该理论对电解质与胶体稳定性的相关性做出了定量的描述. DLVO理论 根据这一理论,胶体之间的作用力ψ(d)包括静电排斥力(下式第一项)和Van der Waals引力(下式第二项)构成. 式中A为Hamaker常数.对于氧化物A为2~4*10-20. DLVO理论 Van der Waals吸引作用通常是指以下三种相互作用:(1)两个永久偶极子之间的相互作用;

(2)永久偶极子与诱导偶极子之间的相互作用;

(3)分子之间的色散力的相互作用. 式中,A是Hamaker常数;

d是胶粒之间的距离;

Rs是颗粒的粒径. DLVO理论 Van der Waals引力和固液界面的双电层斥力同时存在于胶体上,它们之间的相互作用能可以用图1-8较直观地描述.图中所示,正的合能,即能垒,会造成颗粒之间相互排斥,而负的合能则造成颗粒互相吸引,导致体系的不稳定.在水处理中,就是要通过使用不同措施,克服能垒,使得胶体脱稳,从而达到将这些悬浮颗粒去除的目的. 图1-8 颗粒间总的相互作用能图示 DLVO理论 胶体表面电位与稳定性关系 C5到+5 mv 强烈凝聚或沉淀 C15 到C10 mv 凝聚 C30 到C15 mv 轻度分散 C40 到C30 mv 稳定性适中 C60 到C40 mv 稳定性较佳 C100 到C60 mv 稳定性极佳 平均胶体表面电位(mv) 稳定性 DLVO理论 胶体的稳定性与胶体表面电荷有密切关系.表1-4列出了去除天然水体中胶体的ζ电位控制范围.表面电位或电荷密度受溶液中电解质影响的规律基本遵守Schulze Hardy规则.对于同样的胶体溶液,最小混凝剂投加量(聚沉值)遵循下列比值关系,Na+ : Ca2+: Al3+ =1:10:1000(摩尔比).这也是我们水处理过程中选择高价铁盐和铝盐的原因. DLVO理论 对氧化铝胶体,H+离子可决定ζ电位,因此胶体表面ζ电位由pH值决定.右图为氧化铝胶体表面ζ电位与p........