水质工程学第3章混凝

水的物理化学处理法混凝沉淀过滤消毒吸附离子交换水的其他处理方法第3章混凝混凝机理混凝剂和助凝剂混凝动力学影响混凝效果的主要因素混凝剂的配置和投加混合和絮凝设备本章内容：3.1混凝机理水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。混凝（coagulation）胶体失去稳定性的过程称为凝聚。凝聚（aggregation）脱稳胶体相互聚集称为絮凝。絮凝（flocculation）絮凝①水中胶体的性质；混凝过程③胶体与混凝剂的相互作用。②混凝剂在水中的水解；混凝过程细小悬浮物聚结成易沉淀颗粒；部分去除色度、无机物、有机物、铁锰络合物；能去除一些放射物质、浮游生物、藻类混凝的作用一、水中胶体的稳定性胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。概念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。布朗运动既是胶体稳定性原因，也是引起碰撞聚结的不稳定因素。胶核滑动面ⅠⅡ图3-1胶体双电层结构示意のζδd胶粒扩散层吸附层胶団•Φ电位：胶核表面的点位，总电位。•电位：滑动面上的电位，动电位。双电层结构与电位稳定性原因在数值上等于总电位中和了吸附层中反离子电荷后的剩余值。决定了憎水胶体的聚集稳定性也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。双电层：胶核表面所带电荷，反离子吸附层、扩散层天然水中胶体杂质通常是负电胶体，如粘土，细菌，病毒，藻类，腐殖物等。粘土电位＝-15~-40mV细菌电位＝-30~-70mV藻类电位＝-10~-15mV由于水中杂质成份复杂，存在条件不同，同一种胶体所表现的电位很不一致。若粘土上吸附着细菌，电位就高。当胶体粒子运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电荷数值，符号与电位离子相同），使胶粒与扩散层之间形成一个电位差阳离子浓度阴离子浓度憎水胶体稳定性的原因：DLVO理论胶体颗粒之间的相互作用：排斥势能——静电斥力排斥势能：ER－1/d2吸引势能——范德华引力吸引势能：EA－1/d6（或1/d2，1/d3）胶体颗粒能否聚集取决于总势能rrEmaxEa0c(a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x图3-2相互作用势能与颗粒距离关系（a)双电层重叠；(b)势能变化曲线当距离xoa或xoc时，吸引势能；当oaxoc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。b胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT[k：波兹曼常数,T：温度]，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。以上称为DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出〕，伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）。亲水性胶体稳定性的原因水化作用：水是极性分子，由于水分子的取向作用，强烈吸附在亲水胶粒表面的极性基团上，使粒子周围包裹一层较厚的水化膜，阻碍胶粒互相靠近。1.一些憎水性胶体表面附着有亲水性胶体：水化膜作用也会影响范德华引力。亲水性胶体虽也存在双电层结构，但电位对胶体稳定性的影响小于水化作用。排斥能峰水化膜稳定吸引势能：与胶粒电荷无关，取决于种类、尺寸、密度排斥势能：电位降低消除电位，排斥能峰、扩散层厚度，（凝聚）二、混凝机理1.电性中和作用机理滑动面负离子原有正离子投加的正离子（1）距离胶核表面（固体）距离（2）滑动面电位ΦΦ（-）ζζⅠⅡⅢⅠζΦ（-）电位Φ滑动面距离ⅡⅢζζ（3）图3-3压缩双电层和吸附-电中和作用扩散层厚度压缩化合价越高，反离子强度增强，压缩能力增强扩散层压缩电位降低，甚至为0（等电状态）胶粒表面所带电荷符号反逆（重稳）•压缩双电层•吸附-电中和-+吸附-电性中和（降低ζ电位、重稳）范德华力、氢键及共价键力++异号聚合离子高分子＋＋＋＋＋＋＋＋＋胶粒胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了ζ电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。2.吸附架桥•高分子投量过少，不足以形成吸附架桥•投加过多，会出现“胶体保护”现象。吸附架桥高分子物质和胶粒及胶粒与胶粒间架桥同号或不带电弹性势能、电性斥力、水化膜线性、长度•铝盐的多核水解产物：长度不足，电性中和•中性氢氧化铝聚合物：架桥作用•高分子物质：吸附架桥+（电中和）架桥模型示意图胶体保护示意图金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比。3.网捕或卷扫网捕或卷扫机械作用在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。三、硫酸铝的混凝机理1.硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝Al2(SO4)·18H2O溶于水后发生：离解、水解与缩聚反应。形成产物4种：未水解的水合铝离子、单核羟基络合物、多核羟基配合物或聚合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少：与水解条件(水温、pH、铝盐投加量)有关，见图3-6。24681012204060801001.013.321.41,31.13.42.2PHA1(Ⅲ)（％）A1(Ⅲ)（％）PH100806040201210864213.321.11.21.01.31.4(3x-y)+xy图3-6在不同PH值下，铝离子水解产物[AL（OH）]的相对含量（曲线旁数字分别表示x和y）(1)铝总浓度为0.1mol/L；（2）铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃2.不同pH条件硫酸铝的混凝机理不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于投加量、pH、温度等。几种可能同时存在。pH3，简单的水合铝离子起压缩双电层作用，水处理少见；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；氢氧化铝聚合物起吸附架桥，氢氧化铝沉淀物起网捕。天然水体一般pH=6.5-7.8，主要吸附架桥和电性中和。作业一1.什么是胶体稳定性？水中胶体为什么处于稳定状态（稳定状态的分类）？2.用DLVO理论解释胶体稳定性的原因3.混凝机理有哪些？3.2混凝剂和助凝剂一、混凝剂混凝效果好对人体无危害使用方便货源充足，价格低廉混凝剂符合的要求无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝(PAC)聚合硫酸铝(PAS)适宜pH：5.5~8铁系三氯化铁硫酸亚铁硫酸铁(国内生产少)聚合硫酸铁(PFS)聚合氯化铁(PFC)适宜pH：5~11，絮体比铝盐密室，但腐蚀性强、有颜色有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物国外开始增多，国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺(HPAM)非离子型：聚丙烯酰胺(PAM)，聚氧化乙烯两性型：使用极少天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂表3-1常用的混凝剂固体、液体，精制、粗制；使用方便，但低温时，水解困难，絮体松散，效果不如三氯化铁。硫酸铝①适用的pH值范围较宽，5-11；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；④三氯化铁腐蚀性较强，固体宜吸水潮解；⑤与铝盐相似，水合铁离子进行水解、聚合反应。三氯化铁绿矾，水解为单核产物，效果差且增加色度，一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。硫酸亚铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。聚合铁又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B（50-80%），按下式计算：][3][AlOHB聚合氯化铝[Al2(OH)nCl6-n]mm：聚合度，10事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。对pH变化适应性强。机理：吸附电中和与吸附架桥协同作用。------通常起絮凝剂作用人工合成：•阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物•阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）•非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）聚氧化乙烯（PEO）•两性型天然：•淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等•微生物絮凝剂有机混凝剂－CH2－CH－CONH2[]n聚合度：20000～90000分子量：150万～600万对胶体表面具有强烈吸附作用。pH10条件下水解COO－阴离子型（HPAM）水解度：30－40％有机高分子单体的毒性问题。有些国家严格规定不得超过0.05%。非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）混凝剂发展方向：聚合硫酸铝铁（PFAS）聚合氯化铝铁（PFAC）聚合硫酸氯化铁（PFSC）聚合硫酸氯化铝（PASC）聚合铝硅（PASi）聚合铁硅（PFSi）聚合硅酸铝（PSA）聚合硅酸铁（PSF）无机复合聚合物混凝剂无机－有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子高分子絮凝剂：阳离子有机化合物天然改性高分子：无毒易降解，如甲壳素等多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻微生物絮凝剂二、助凝剂凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂称为助凝剂。助凝剂可参加混凝，也可不参加混凝。概念分类酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸(SiO2·nH2O)、骨胶、高分子絮凝剂。氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。低温低浊水：活化硅酸做助凝剂高浊水：PAM做助凝剂3.3混凝动力学颗粒相互碰撞的动力：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。研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。混凝动力学由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。异向混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同向混凝一、异向絮凝28ndDNBpdKTDB3238KTnNp式中：Np：颗粒的碰撞速率，1/cm3·s；n：颗粒数量浓度，个/cm3；d：颗粒的直径，cm；DB：布朗运动扩散系数，cm2/s；K：波兹曼常数，1.38×10-16g·cm2/s2·K；T：水的绝对温度，K；ν：水的运动粘度，cm2/s；ρ：水的密度，g/cm3。假定：均匀球体，由Fick定律得颗粒的碰撞速率可按下式计算：凝聚速度：只与颗粒浓度有关，与颗粒尺寸无关。实际上，当颗粒的粒径大于1m，布朗运动基本消失。二、同向絮凝ΔΔτΔx·ΔyΔΔ△θ扭转方向ΔΔ△图3-7层流条件下颗粒碰撞示意图3-8速度梯度计算图示1.层流理论1）层流条件下颗粒的碰撞GdnN320342)颗粒的碰撞速率G＝u/z(速度梯度，1/s)（相邻两流层的速度增量）238KTnNp3)G的确定G可由单位体积水流所耗功率p来计算：p：单位体积流体所耗功率，W/m3；：剪切应力，Pa。＝·G/Gp(1943年发明的，甘布公式)p＝·G按照牛顿内摩擦定律：μ：水的动力粘度，Pa·s。QTVgQhpVTghGpG当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p为水流所消耗的能量采用水力絮凝池时：h：水头损失，m；Q：流量，m3/s；V：水流体积，m3；T：水力停留时间，s；：密度，kg/m3；g：重力加速度，9.8m/s2；：运动粘度，=/，m2/s。2.同向紊流理论外部施加的能量形成大涡旋大涡旋将能量输送给小涡旋小涡旋将能量输送给更小的涡旋尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞同向紊流理论式中，D:紊流扩散系数，m2/s。D=λuλuλ为相应于λ尺度的脉动速度，m/s。151u208NdDn320815NdnG28ndDNBp紊流条件下颗粒的碰撞速率N0:ε：单位时间、单位体积流体的有效能耗，W/m3·s；λ：涡旋尺度，m。：运动粘度，m2/s。GdnN32034320815NdnGGdnN32034320815NdnG讨论紊流理论絮凝