凈水工程第2講-07級(jí)環(huán)境講解學(xué)習(xí)

第3章凝聚(níngjù)和絮凝3.1膠體的穩(wěn)定性3.2混凝機(jī)理3.3混凝劑3.4混凝動(dòng)力學(xué)3.5混凝過(guò)程(guòchéng)3.6混凝設(shè)備第一頁(yè)，共26頁(yè)。3.1膠體(jiāotǐ)的穩(wěn)定性3.1.1基本概念1）凝聚（coagulation）：膠體失去穩(wěn)定性的過(guò)程。2）絮凝（flocculation）：脫穩(wěn)膠體相互聚集的過(guò)程。凝聚和絮凝兩個(gè)過(guò)程的總和——混凝。混凝：使分散體系中顆粒物失穩(wěn)、聚集生長(zhǎng)、分離的過(guò)程?；炷齽阂l(fā)混凝過(guò)程的化學(xué)藥劑，包括無(wú)機(jī)、有機(jī)、天然、復(fù)合型及助凝劑在內(nèi)的低分子凝聚劑和高分子絮凝劑?；炷龑?duì)象：膠體及部分細(xì)小的懸浮物，是一種化學(xué)方法。范圍在：1nm~0.1m（有時(shí)認(rèn)為(rènwéi)在1m）凝聚設(shè)備：混合設(shè)備；絮凝設(shè)備：絮凝池等第二頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.2膠體(jiāotǐ)的穩(wěn)定性混凝過(guò)程(guòchéng)涉及到三個(gè)方面的問(wèn)題：水中膠體的性質(zhì)（與水之間的關(guān)系）表面結(jié)構(gòu)特征（帶電、雙電層）、比表面積混凝劑在水中的水解與形態(tài)（水解產(chǎn)物、混凝效果的影響）膠體與混凝劑的相互作用（作用機(jī)理）第三頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.2膠體(jiāotǐ)的穩(wěn)定性1.膠體(jiāotǐ)的分類：1）憎水溶膠：與水分子間缺乏親和性的膠體(jiāotǐ)（如：粘土、投加混凝劑形成的膠體(jiāotǐ)等）。2）親水溶膠：與水分子間親和力較強(qiáng)的膠體(jiāotǐ)（有機(jī)物質(zhì)、蛋白質(zhì)、淀粉、膠質(zhì)等）。2.膠體(jiāotǐ)的去除：水體中的膠體(jiāotǐ)范圍：尺寸在1m~1nm之間的濁質(zhì)、天然有色成分、高分子物質(zhì)、細(xì)菌、藻類等。通過(guò)混凝處理，膠體(jiāotǐ)是常規(guī)水處理工藝主要去除的對(duì)象之一。濁度：水質(zhì)參數(shù)（表征水中膠體(jiāotǐ)含量）第四頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.2膠體(jiāotǐ)的穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性：膠體顆粒在水中長(zhǎng)期保存分散狀態(tài)的特性。3.膠體穩(wěn)定性的原因：布朗運(yùn)動(dòng)、靜電斥力、水化膜動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性：布朗運(yùn)動(dòng)（與顆粒大小有關(guān)）聚集穩(wěn)定性：同性電荷的膠粒之間靜電斥力或水化膜的作用。膠體的溶劑化作用(zuòyòng)（水化膜）：膠體與水分子作用(zuòyòng)，使膠體周圍形成一層水化膜，阻礙膠體顆?？拷?。聚集穩(wěn)定性對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用(zuòyòng)第五頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.3膠體(jiāotǐ)的聚集穩(wěn)定性憎水溶膠的聚集穩(wěn)定性由膠體顆粒表面帶的電荷決定。1）膠體的雙電層結(jié)構(gòu)膠體具有巨大的比表面積，有選擇地吸附某些粒子(lìzǐ)而形成“雙電層”結(jié)構(gòu)。膠核：由數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)分散相固體物質(zhì)分子組成構(gòu)成。電位離子層：有選擇地吸附一層決定電位離子，而帶電。決定電位離子所帶的電荷——表面電荷。第六頁(yè)，共26頁(yè)。1）膠體(jiāotǐ)的雙電層結(jié)構(gòu)由于靜電引力、范德華力等膠核可將溶液中一部分未被吸附(xīfù)的反離子，緊緊吸附(xīfù)在決定電位離子的附近，這樣膠核、決定電勢(shì)離子和一部分反離子構(gòu)成—膠粒。為了保持電中性，膠核還可以吸附(xīfù)一些反離子，直至達(dá)到電量平衡。這樣，膠核、決定電位離子和全部反離子構(gòu)成—膠團(tuán)。第七頁(yè)，共26頁(yè)。1）膠體(jiāotǐ)的雙電層結(jié)構(gòu)什么是膠體(jiāotǐ)的雙電層結(jié)構(gòu)呢？雙電層是針對(duì)反離子(lízǐ)而言的：溶液中的反離子(lízǐ)只有一部分緊密地排在固體表面附近，相距約一、二個(gè)離子(lízǐ)厚度稱為吸附層；另一部分離子按一定的濃度梯度擴(kuò)散到本體溶液中，稱為擴(kuò)散層。雙電層——吸附層和擴(kuò)散層構(gòu)成。滑動(dòng)面——吸附層和擴(kuò)散層之間的交界面稱為滑動(dòng)面。第八頁(yè)，共26頁(yè)。{[膠核]決定電位離子，束縛反離子}，自由反離子吸附層擴(kuò)散層膠粒膠團(tuán)1）膠體(jiāotǐ)的雙電層結(jié)構(gòu)第九頁(yè)，共26頁(yè)。2）膠體(jiāotǐ)的電位運(yùn)動(dòng)單元——膠粒（帶電(dàidiàn)），所帶電(dàidiàn)量等于表面電荷(diànhè)與吸附層反離子電荷(diànhè)差膠團(tuán)——中性膠體的動(dòng)電位（電位）：當(dāng)膠體粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散層中的大部分反離子就會(huì)脫離膠團(tuán)，向溶液主體擴(kuò)散。其結(jié)果必然使膠粒產(chǎn)生剩余電荷，使膠粒與擴(kuò)散層之間形成一個(gè)電位差，此電位稱為膠體的動(dòng)電位，即電位。

吸附層擴(kuò)散層第十頁(yè)，共26頁(yè)。2）膠體(jiāotǐ)的電位電位是描述膠體電學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。電位的大小和符號(hào)可衡量膠粒帶電程度。電位值能反映擴(kuò)散層的厚度。電解質(zhì)的加入(jiārù)對(duì)電勢(shì)會(huì)產(chǎn)生影響?？傠娢缓碗娢坏膮^(qū)別：特定膠體，Φ電位固定不變；電位隨溫度、pH值、反離子濃度(nóngdù)變化。第十一頁(yè)，共26頁(yè)。2）膠體(jiāotǐ)的電位電位越高，擴(kuò)散層越厚，膠粒的靜電(jìngdiàn)斥力越大，膠粒越穩(wěn)定，反之亦然。電位：決定了膠體的聚集穩(wěn)定性一般粘土電位：＝-15~-40mV細(xì)菌電位：＝-30~-70mV第十二頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.4親水溶膠(róngjiāo)的穩(wěn)定性親水溶膠：表面存在未飽和鍵（極性基團(tuán)）對(duì)極性水分子的吸附(xīfù)，膠體表面包裹了一層水化膜，阻礙了兩膠粒之間的相互聚集。所以親水膠體的穩(wěn)定性主要決定于水化膜的作用。第十三頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.5DLVO理論(lǐlùn)膠體(jiāotǐ)的穩(wěn)定性的原因：1）表面的雙電層靜電斥力使顆粒間不能因相互靠近而結(jié)合(jiéhé)。2）膠體顆粒穩(wěn)定性取決于雙電層靜電斥力和范德華引力兩者的相對(duì)大小。3）靜電斥力和引力的綜合得到相互作用勢(shì)能。條件：憎水溶膠第十四頁(yè)，共26頁(yè)。3.1.5DLVO理論(lǐlùn)膠體(jiāotǐ)的穩(wěn)定性的原因：1）勢(shì)能(shìnéng)曲線隨粒子間距離的變化而變化2）總勢(shì)能曲線上有一極大值Emax稱為斥力勢(shì)壘。它是溶膠穩(wěn)定性的標(biāo)志。布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能一般小于該勢(shì)壘。溶膠處于穩(wěn)定狀態(tài)。條件：憎水溶膠膠體距離：x<oa，凝聚x>oa，穩(wěn)定第十五頁(yè)，共26頁(yè)。膠體的凝聚：降低(jiàngdī)靜電斥力——電位——?jiǎng)輭尽摲€(wěn)——凝聚辦法：加入電解質(zhì)，但只適用于憎水溶膠第十六頁(yè)，共26頁(yè)。3.2混凝機(jī)理(jīlǐ)3.2.1膠體的凝聚機(jī)理混凝劑的種類不同、水質(zhì)條件不同，混凝機(jī)理不同。主要的混凝機(jī)理：壓縮雙電層（DLVO理論）吸附—電中和吸附—架橋作用(zuòyòng)網(wǎng)捕—卷掃作用(zuòyòng)何者占主導(dǎo)，取決于混凝劑種類、投加量、膠粒性質(zhì)等。第十七頁(yè)，共26頁(yè)。1）壓縮(yāsuō)雙電層若膠體顆粒帶負(fù)電荷加入高價(jià)位帶正電荷的電解質(zhì)——置換出低價(jià)正離子——正離子的數(shù)量減少——雙電層變薄了——電位—穩(wěn)定性――凝聚這種作用(zuòyòng)稱為壓縮雙電層。第十八頁(yè)，共26頁(yè)。1）壓縮(yāsuō)雙電層電位＝0，等電狀態(tài).只要將降低(jiàngdī)到=k時(shí)，使Emax=0即可，膠粒便會(huì)發(fā)生凝聚，此時(shí)的電位稱為臨界電位。叔采—哈代規(guī)則：反離子的價(jià)數(shù)越高，其聚沉效率越高。第十九頁(yè)，共26頁(yè)。實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)同一膠體體系，要獲得相同的壓縮雙電層效果時(shí)，用一價(jià)離子，濃度需25～150mmol／L，用二價(jià)離子濃度只要(zhǐyào)0.5~2mmol／L，而用三價(jià)離子則濃度可小到0.01~0.1mmol／L。示例：河川到海洋的出口處，由于海水中電解質(zhì)的混凝作用，膠體脫穩(wěn)凝聚，易形成三角洲。壓縮雙電層理論的局限性可很好地解釋加入一定量高價(jià)反離子電解質(zhì)后產(chǎn)生凝聚的現(xiàn)象，但不能解釋加入過(guò)量高價(jià)反離子電解質(zhì)引起膠體顆粒電性改變而重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。1）壓縮(yāsuō)雙電層第二十頁(yè)，共26頁(yè)。2）吸附(xīfù)-電中和作用這種現(xiàn)象在水處理中出現(xiàn)的較多。指膠核表面直接吸附帶異號(hào)電荷(diànhè)的聚合離子、高分子物質(zhì)、膠粒等，從而中和了膠體顆粒本身所帶的電荷(diànhè)，使膠體發(fā)生凝聚。絡(luò)合離子能通過(guò)膠核外圍的反離子層進(jìn)入膠核表面，中和電位離子，使總電荷(diànhè)φ降低，電位降低，膠體脫穩(wěn)、凝聚。第二十一頁(yè)，共26頁(yè)。壓縮雙電層與電性中和作用的區(qū)別：壓縮：依靠增加溶液中反離子濃度，使電位降低，擴(kuò)散層變薄，膠體脫穩(wěn)。中和：異號(hào)電荷的聚合離子或高分子直接吸附在膠核表面，中和電位離子所帶電荷，使φ電位降低。壓縮由簡(jiǎn)單的離子，如Na+、Ca2+、Al3+等起作用；電中和由高分子聚合離子起作用。如：鋁鹽混凝劑等，水解的多核羥基絡(luò)合物主要起吸附電中和作用。在水處理中由水合(shuǐhé)的Al3+產(chǎn)生的單純的壓縮雙電層作用甚微。2）吸附(xīfù)-電性中和第二十二頁(yè)，共26頁(yè)。3）吸附(xīfù)架橋作用如果投加的藥劑是具有能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物，或者兩個(gè)(liǎnɡɡè)同號(hào)膠粒吸附在同一個(gè)異號(hào)膠粒上，膠粒間就能連結(jié)，團(tuán)聚成絮凝體而被除去。膠粒之間不直接(zhíjiē)接觸。高分子投量過(guò)少，不足以形成吸附架橋，但投加過(guò)多，會(huì)出現(xiàn)“膠體保護(hù)”現(xiàn)象。

架橋作用與高分子的尺寸有關(guān)。排斥排斥膠粒高分子第二十三頁(yè)，共26頁(yè)。3）吸附(xīfù)架橋作用架橋作用分三種：膠粒與不帶電的高分子物質(zhì)發(fā)生吸附架橋作用。主要由吸附力引起，如范德華力、氫鍵、配位鍵等膠粒與帶異號(hào)電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生吸附架橋作用除了吸附力外，還涉及(shèjí)到電中和作用機(jī)理膠粒與帶同號(hào)電荷的高分子物質(zhì)發(fā)生吸附架橋作用膠粒表面存在反離子官能團(tuán)，可與高分子結(jié)合。