（环境工程专业论文）氯化铝铁共聚物的合成、性能及应用.pdf

氯化铝铁共聚物的合成、性能及应用 摘要 在我国，铝铁复合( 或共聚) 作为铝基混凝剂改性研究已有lo 多年，研究内容涉及方方面面。就水解聚合机理而言，人们普遍认 为f e ”水解聚合能力很强；红外光谱、核磁共振对铝铁共聚结构表 征不甚明确；制备方法因原料和研究目的不同各有千秋；混凝性能 研究涉及到铁铝比、盐基度、分子形态等影响因素，而与混凝性能 密切相关的混凝剂分子的大小、尤其是所带电荷对混凝性能影响的 研究罕见报道。虽然这方面的研究历经多年，但许多问题依然不甚 清楚( 由于a 1 3 + 、f e 3 + 水解聚合性能的复杂性和较大的差异性所致) ， 加之原料来源及制备方法不同，产品的混凝性能参差不齐，在很大 程度上成为铝铁共聚物混凝剂未能真正走向市场的根源。 基于金属离子水解产生的金属配离子单体的配位聚合能力决定 于其离子势假说，借鉴有机高分子合成时活性单体逐步滴加工艺。 本研究以高品质( 不含其它重金属) 的钢铁盐酸酸洗废液和氯化铝 为原料，有目的的对铝铁共聚反应进行控制，以期获得结构明确， 尺寸分布均匀，混凝性能良好的氯化铝铁共聚物混凝剂( c p a f c ) 。 此外，红外光谱( f t i r ) 确认c p a f c 中f e 、a 1 之间的羟基桥联键 合结构；动态光散射测定c p a f c 的粒径和z e t a 电位，籍以表征无机 高分子的分子尺寸和电荷；应用试验一方面考察c p a f c 对废水混凝 处理应用是否合适；另一方面探究高浓度有机废水混凝处理效果的 决定因素，为其混凝处理之混凝剂选择提供理论依据。 在制备混凝剂聚合氯化铁( p f c ) 的基础上合成了氯化铝铁共聚 物混凝剂( c p a f c ) ；以高岭土模拟水样为处理对象，对混凝剂c p a f c 的混凝性能进行了研究，并与聚合氯化铝( p a c ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 三氯化铁( f c ) 进行混凝除浊对比试验；对c p a f c 在污泥脱水、印 染废水处理、碱法草浆中段废水处理和涂饰废水处理中的应用进行 了研究；基于试验结果，对不同浓度废水混凝处理之机理进行阐述。 研究结论如下： ( 1 ) 按n ( f e 2 + ) ：n ( n a c l 0 3 ) = 6 ：l 混合预处理后酸洗废液 和氯酸钠，开动搅拌器，保温充分反应；同时滴加定量n a o h 溶液 ( 以碱化度b 计) ，滴加完毕补充水到一定体积，继续反应0 5 h 出料， 陈化2 4 h ，即得混凝性能良好的聚合氯化铁( p f c ) 混凝剂。 ( 2 ) 按照n ( f e 2 + ) ：，z ( n a c l 0 3 ) = 6 ：1 混合预处理后酸洗废 液和氯酸钠，充分反应后；4 0 ，控制p t ( f e ，a 1 ) = 2 5m o l l ，曰= 1 0 的前提下，按照n ( a 1 ) ：n ( f e ) = 2 ：l ，同时定量滴加a 1 c 1 3 溶 液和n a o h 溶液；滴加完毕充分搅拌o 5 h 后陈化2 4 h ，即得混凝性 能良好的氯化铝铁共聚物混凝剂( c p a f c ) 。 ( 3 ) 高岭土模拟水( 浊度为9 5 n t u ) 混凝试验结果表明：c p a f c ( 以f e 、a l 总量计，下同) 当其投加量为30 m g l 时浊度去除率为 8 0 3 ，最佳的p h 值适用范围为6 1 l 。 ( 4 ) c p a f c 在污泥脱水处理中，污泥取白咸阳东郊污水处理 厂，其各指标沉降比( s v 3 0 ) 为59 o ，含水率为9 9 3 ，脱水率为 17 8 ，滤液的浊度为6 4 n t u ，p h 值为8 4 。当投加量为7 2 m g l 时， 污泥的s v 3 0 为3 8 8 ，含水率为7 4 2 ，脱水率达到2 5 3 ，滤液的 浊度为2 8n t u 。 ( 5 ) c p a f c 在印染废水处理中，废水取自咸阳第二印染厂综 合废水，其各指标浊度为2 23 2 n t u ，色度为2 52 4 9 h a z e n ，c o d c ， 为1 114 1m g l 。在投加量5 4 0 m g l ，p h 值为1 1 4 时对浊度、色度、 c o d 。，去除率分别为9 4 4 、7 2 6 、58 1 ；最佳的p h 值适用范 围为10 12 之间。 ( 6 ) c p a f c 是碱法草浆中段废水处理较为理想的混凝处理剂， 投加量为2 0 0 m g l ，c o d c ，去除率5 4 4 ，s s 去除率7 5 o ，性价 比优于p a c ；但二沉池出水p a c 的混凝性能好。 ( 7 ) c p a f c 在涂饰废水处理中一次性投加5 0 0 m g l ，涂饰原废 水c o d c ，去除率7 9 2 ，色度去除率9 2 2 ，s s 去除率9 3 8 ；性 价比优于( p a c + p a m ) 复合两段混凝。 ( 8 ) 金属离子水解生成金属配离子单体的配位聚合能力决定于 离子势；离子势越大，配离子单体聚合能力越差。 ( 9 ) f t i r 检测证明了c p a f c 分子中存在f e 、a l 之间羟基桥 联共聚结构；动态光散射检测得到稀溶液中c p a f c 的粒径呈正态分 布，表明其为非聚集形态，粒径平均值l 16 2 n m ，z e t a 电位4 3 5 m v 。 ( 10 ) 对于高浓度废水混凝处理，混凝剂分子所带电荷是混凝 效果的控制因素，电荷高；混凝效果好。对于低浓度废水的混凝处 理，混凝剂分子结构形态( 链的长短，支化程度等) 是决定混凝效 果的主要因素；混凝剂的分子链较长、支化程度较高者混凝效果好。 关键词：聚合氯化铁，氯化铝铁共聚物，合成，机理，应用 s y n t h e s i s ，p e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o no f c o p o l y m e r i z e da l u m i n i u m - f e r r i cc h l o r i d e a b s t r a c t i n c h i n a ，t h e s t u d y o ff e r r o a l u m i n i u m c o m p o s i t e a l u m i n u m m o d i f i e dc o a g u l a n th a db e e nm a d em o r et h a nt e n y e a r sw h i c h r e l a t e dt os o m a n ya s p e c t s f o rt h eh y d r o l y s i sp o l y m e r i z a t i o n m e c h a n i s m ，p e o p l eg e n e r a l l yt h o u g h tt h eh y d r o l y s i sp o l y m e r i z a t i o n c a p a c i t yo ff e w a sm o r es t r o n g e r t h ei r ，n m rc h a r a c t e r i z a t i o no f t h ep l o y a l u m i n u m - f e r r i cw a su n c l e a r t h em e t h o d so fp r e p a r a t i o nw e r e d i f f e r e n td u et ot h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dr e s e a r c h p u r p o s e s t h e e f f e c tr e s e a r c h e so fc o a g u l a t i o np e r f o r m a n c ei n v o l v e dt h ep r o p e r t i e so f f e - a 1r a t i o ，b a s e ，m o l e c u l a rs h a p ea n ds oo n b u tt h es i z e ，e s p e c i a l yt h e c h a r g e so ft h ec o a g u l a n tt h a tc l o s e l yr e l a t e dt oc o a g u l a t i o np e r f o r m a n c e w e r e r e p o r t e d r a r e l y f o rt h o s e r e a s o n s ，t h e r o a d s p l o y a l u m i n u m - f e r r i cc o a g u l a n tt ot h em a r k e tw e r eb e e nh i n d e r e d l a r g ee x t e n t o f 1 na b a s eo nt h e h y p o t h e s i s t h a t t h ec o o r d i n a t i v e p o l y m e r i z a t i o n c a p a b i l i t yo ft h em o n m e r ss u c ha s f e ( o h ) 2 + ( o r a i ( o h ) 2 + ) f o r m e d b ym e a n so ff e ”( o ra 1 ”) h y d r o l y s i sw a sd o m i n a t e do ni t si o n p o t e n t i a l a n dr e f e r e n c i n gt h et e c h n i c so fg r a d u a l l yd r o p p i n gm o n o m e r i nt h eo r g a n i cm a c r o m o l e c u l es y n t h e s i s u s i n gan o v e ls y n t h e t i cm e t h o d b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e dh y p o t h e s i s ，a h i g hc o n c e n t r a t i o no f c o p o l y m e r i z e da l u m i n i u m f e r r u mc h l o r i d e ( c p a f c ) w a sp r e p a r e dw i t h a l u m i n u m sc h l o r i d ea n dw a s t e l i q u o r ( w l ) f r o ms t e e l c l e a n i n gi n h y d r o c h l o r i ca c i d b ec o n t r o l l i n gp o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o nt oo b t a i nt h e c o p o l y m e r i z e da l u m i n i u m - f e r r u mc h l o r i d e c o a g u l a n tw i t h ac l e a r s t r u c t u r e ，t h e s i z e u n i f o r m i n g d i s t r i b u t i o na n d g o o dc o a g u l a t i o n p e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r eo fc p a f cw a sc h a r a c t e r i z e db v f t - i r ，a n dt h en o r m a ld i s t r i b u t i o no ft h ep a r t i c l e so fc p a f ci nd i l u t e s o l u t i o nc o n f i r m e db ym e a n so f d y n a m i cl i g h ts c a t t e r i n g a tl a s t ， v a p p l y i n gt h ec p a f c t ot r e a t i n gw a s t e w a t e r i na d d i t i o n ，t h ec o a g u l a t i o n o f h i g h c o n c e n t r a t i o nw a s t ew a t e rw a s i n t e r p r e t e d 。d e e p l yb y e x p e r i m e n t a lf a c t s i nt h i s p a p e r ， a h i g h c o n c e n t r a t i o no f c o p o l y m e r i z e d a l u m i n i u m f e r r u mc h l o r i d e ( c p a f c ) w a sp r e p a r e dw i t ha l u m i n u m s c h l o r i d e b a s i n g o nt h e p r e p a r a t i o n o ft h e p o l y m e r i z a t i o n f e r r i c c h l o r i d e ( p f c ) u s i n gt h es i m u l a t es u s p e n s i o nw i t hk a o l i nt os t u d yt h e c o n c e n t r a t i o no fc o p o l y m e r i z e da l u m i n i u m - f e r r u mc h l o r i d e ( c p a f c ) c o a g u l a t i o nw i p i n gt u r b i d i t yp e r f o r m a n c e ，a n da p p l y i n gc o n t r a s t e d t u r b i d i t y t e s tw i t ht h e c o a g u l a n tp o l y a l u m i n u mc h l o r i d e ( p a c ) ， p o l y m e r i z a t i o nf e r r i cs u l f a t e ( p f s ) a n df e r r i cc h l o r i d e ( f e c l 3 ) t h e nt h e a p p l i e dr e s e a r c hw i t hc p a f ci n t h es l u d g ed e w a t e r i n g ，t h ed y e i n g w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h ew a s h i n ga n db l e a c h i n ge f f l u e n tt r e a t m e n t f r o mt h es t r a wp u l pm il la n dt h ef i n i s h i n ge f f l u e n tt r e a t m e n t a n dt h e c o a g u l a t i o nm e c h a n i s mo ft h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nw a s t ew a t e rw a s i n t e r p r e t e dd e e p l yb ye x p e r i m e n t a lf a c t s t h ec o n c l u d i n gf o rr e s e a r c ha s f o l l o w i n g ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u g g e s t e dt h a tp f c ，w i t haf a v o r a b l e c o a g u l a t i n gp r o p e r t i e s ， c o u l db eo b t a i n e du n d e rt h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s t h ew l p r e t r e a t e da n ds o d i u mc h l o r a t ew a sm i x e di nm o l e r a t i oo fn ( f e ) ：n ( n a c l 0 3 ) = 6 ：1 ，a f t e rt h ec o m p l e t eo x i d a t i o n ，t h e s o l u t i o n so fs o d i u mh y d r o x i d ew e r ep u ti n t ot h es y s t e mi nd r o p sa tt h e s a m et i m e ，t h e n ，t h ep o l y m e r i z a t i o nw a ss t i r r e da b o u to 5 ha n dt h e n a g i n g2 4 h ，i tw a sa 1 1 ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t c p a f c ，w i t ha f a v o r a b l ec o a g u l a t i n gp r o p e r t i e s ，c o u l db eo b t a i n e du n d e rt h ef o l l o w i n g c o n d i t i o n s t h ew l p r e t r e a t e da n ds o d i u mc h l o r a t ew a sm i x e di nm o l e r a t i oo fn ( f e 计) ：n ( n a c l 0 3 ) = 6 ：1a t 4 0 ；a f t e r t h e c o m p l e t e o x i d a t i o n ，t h es o l u t i o n so fa l u m i n u m sc h l o r i d ea n do fs o d i u mh y d r o x i d e w e r ep u ti n t ot h es y s t e mi nd r o p sa tt h es a m et i m ea c c o r d i n gt op t ( f e ， a 1 ) = 2 5m o l l ，n ( a 1 ) ：n ( f e ) = 2 ：1a n dn ( n a o h ) ：n t ( f e ，a 1 ) = 1 ：1 ， t h e n ，t h ep o l y m e r i z a t i o nw a ss t i r r e da b o u t0 5 ha n dt h e na g i n g2 4 h ，i t w a sa 1 1 v i ( 3 ) t h es i m u l a t ee x p e r i m e n tw i t hk a o l i ns u s p e n s i o n ( t h et u r b i d i t y w a s9 5 n t u ) s u g g e s t e dt h a tc p a f c ，t h ed o s a g ei s3 0m g l ( w i t hf e a n da 1a m o u n tc o u n t i n g ) ，t h er e m o v a lr a t i oo ft u r b i d i t yw a s8 0 3 3 t h ep ho ft h eb e s ta p p l i c a t i o ns c o p ew a s6 l1 ( 4 ) t h er e s u l t so fs l u d g ed e w a t e r i n gc o n d i t i o n i n gt e s ts h o w e d ：t h e s l u d g ef r o mt h es e w a g et r e a t m e n tp l a n to fe a s t e r no u t s k i r t sx i a n y a n g ， t h es e t t l e m e n tr a t i o ，t h em o i s t u r ec o n t e n t ，t h ed e h y d r a t i o nr a t i o ，t h e f i l t r a t et u r b i d i t ya n dp ho fs l u d g ew e r e5 9 o ，9 9 3 ，17 8 ，6 4 n t u ， 8 4 t h e d o s a g e o fc p a f cw a s 7 2 m g l ( w i t hf e a n d a 1a m o u n t c o u n t i n g ) ，t h es e t t l e m e n tr a t i oo fs l u d g ew a s38 8 ，t h ed e h y d r a t i o n r a t eo fs l u d g ec a nr e a c h2 5 3 ，a n dt h ef i l t r a t et u r b i d i t yo fs l u d g ew a s 2 8 n t u ( 5 ) t h ed y e i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e s t e dr e s u l t sa sf o l l o w i n g t h ew a s t e w a t e rf r o mt h es e c o n dp r i n t i n ga n dd y e i n gp l a n to fx i a n y a n g ， t h et u r b i d i t y ，t h ec h r o m aa n dc o d c ro ft h ew a s t e w a t e rw e r e2 2 3 。2 n t u ， 2 5 2 4 9 h a z e n ，1114 1 m g l w h e nt h ed o s a g eo f5 4 0m g l ( w i t hf ea n d a 1a m o u n tc o u n t i n g ) a n dp h11 4 ，t h er e m o v a lr a t eo ft h et u r b i d i t y ，t h e c h r o m aa n dt h ec o d c ，w a s9 2 4 ，7 2 6 a n d5 8 1 t h ep ho ft h eb e s t a p p l i c a t i o ns c o p ew a s1o 1 2 ( 6 ) t h er e s u l t so fa p p l y i n gt e s ti nt r e a t m e n to fah i g hc o n c e n t r a t i o n o fw a s h i n ga n db l e a c h i n ge f f l u e n tf r o mt h es t r a wp u l pm i l li n d i c a t e d t h a tc p a f cw a sm o r ee x c e l l e n tc o a g u l a t i o n r e m o v i n gr a t i oo fc o d c r i s5 4 4 a n ds si s 7 5 o r e s p e c t i v e l yu n d e rd o s e o f2 0 0 m g l ，t h e c o s t e f f e c t i v eo fc p a f cw a ss u p e r i o rt h a np a c b u tp a ca p p e a r s p r e f e r a b l ei nt h eo u t f l o ww a t e ro fs e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k ( 7 ) t h er e s u l t so fa p p l y i n gt e s ti nt r e a t m e n to fah i g hc o n c e n t r a t i o n o ff i n i s h i n ge f f l u e n tf r o ml e a t h e r f i n i s h e dm i l li n d i c a t e dt h a tc p a f c w a sp o s s e s s e do fm o r ee x c e l l e n tc o a g u l a t i o nt h a nt h et w i c eu n i t e d c o a g u l a t i o nw i t hp o l y a l u m i n i u mc h l o r i d e ( p a c ) a n dp o l y a c r y l a m i d e ( p a m ) r e m o v i n gr a t i oo fc o d c ri s7 9 2 ，c h r o m a t i c i t yi s9 2 2 a n d s si s9 3 8 r e s p e c t i v e l yu n d e rd o s eo f5 0 0 m g l ，c p a f c ( 8 ) t h ec o o r d i n a t i v ep o l y m e r i z a t i o nc a p a b i l i t yo ft h e m o n m e r s s u c ha s 【f e ( o h ) 2 + ( o r 【a i ( o h ) 2 十) f o r m e db ym e a n so f f e j 十( o ra 1 j 十) v i i h y d r o l y s i s i sd o m i n a t e do ni t si o np o t e n t i a l t h ei o np o t e n t i a lm o r e b i g g e r ，t h ep o l y m e r i z a t i o nc a p a b i l i t ym o r ep o o r ( 9 ) t h es t r u c t u r eo fc p a f cw a sc h a r a c t e r i z e db yf t i r ，a n dt h e n o r m a ld i s t r i b u t i o no ft h e p a r t i c l e s o fc p a f ci nd i l u t es o l u t i o n c o n f i r m e dt h a tt h e r ew e r en oa g g r e g a t e sp r e s e n t ，a n dt h e s i z ea n dz e t a p o t e n t i a lw e r er e s p e c t i v e l y116 2 n ma n d4 3 5 m vb ym e a n so fd y n a m i c l i g h ts c a t t e r i n g ( 1o ) t h ea p p l i c a t i o np r i n c i p l e so fc o a g u l a n to nw a s t ew a t e rw i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n f o rah i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t ew a t e r t h em o l e c u l a rc h a r g ew a st h ec o n t r o l l i n gf a c t o ro ft h ec o a g u l a t i n ge f f e c t t h ec h a r g e h i g h e r ，t h eb e t t e rt h e e f f e c to fc o a g u l a t i o n f o ral o w c o n c e n t r a t i o n o r g a n i c w a s t ew a t e r ，t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ew h i c h c o n t a i n e dt h el e n g t ho fc h a i n ，t h ed e g r e eo fb r a n c ha n ds oo nw a st h e m a i nc o n t r o l l i n gf a c t o ro ft h ec o a g u l a t i o ne f f e c t t h ec h a i nl e n g t h e ra n d t h ed e g r e eo fb r a n c hh i g h e r ，t h eb e t t e rt h ee f f e c to fc o a g u l a t i o n k e y w o r d s ：p o l y m e r i z a t i o nf e r r i cc h l o r i d e ，c o p o l y m e r i z e d a l u m i n i u m f e r r i cc h l o r i d e ，s y n t h e s i z a t i o n ，m e c h a n i s m ，a p p l i c a t i o n v i l i 氯化铝铁共聚物的合成、性能及应用 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 ) ，- 上 论文作者签名：i 互乏蕴 日 期：趟生二月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：汹师签名：噼日期：冱返必 氯化铝铁共聚物的合成、性能及应用 1 文献综述 1 1 引言 目前我国主要采用无机铝系混凝剂，如明矾、硫酸铝、聚合氯化铝( p a c ) 等。而一般铝盐混凝剂( 如明矾、a1 c 1 3 等) 存在投药量大、处理效果不理想等 缺点；更重要的是a 1 3 + 的环境问题同益突出，如老年痴呆症就同广泛使用铝系 絮凝剂有很大关系1 1 - 2 。因此，更有发展前途的是铁系混凝剂。如聚合硫酸铁 ( p f s ) ，聚合氯化铁( p f c ) ，例如 3 1 ：p f s 其混凝效果和性能优于现在使用的p a c 等铝系混凝剂。它既可以用于污水的混凝处理，也可用于饮用水的净化处理。 与p a c 混凝剂相比，p f s 具有以下优点：( 1 ) 安全无害，可避免a 1 3 + 对人体和 环境的危害。( 2 ) 形成的泥浆脱水性更好。( 3 ) 用量较少，杂质( c o d 、色度、浊 度等) 去除率较高，水处理成本较低。( 4 ) 絮凝速度较快，水处理时间较省。近 年来，无机复合混凝剂的研究成为热点。章兴华等t ，制备的聚合氯化铝铁混凝 剂( p a f c ) 应用研究表明其既具有铝盐混凝剂矾花大，水处理面宽，除浊效果 好，对设备管路腐蚀性小等优点；还具有铁盐混凝剂絮体沉降快，易于分离，低 温水处理性能好，水处理p h 范围大等特点。目前，p a f c 己成功用于饮用水， 工业用水及多种工业废水的处理。 混凝作用机理的研究，一直是絮凝领域研究的热点。通过絮凝作用机理研 究，对于确定絮凝剂最佳用量、拓宽作用范围、优化混凝剂合成工艺、研制更 高效的新型混凝剂、絮凝改性都具有十分重要的作用。在混凝作用机理研究方 面，铝盐絮凝剂研究比较成熟 5 - 1s 】，例如，a i ( i i i ) 羟基聚合物的最佳絮凝形态， 目前有比较一致的共识，即a lz3 ( a 1 13 0 4 ( o h ) 2 4 ( h 2 0 ) 1 27 + ) 。但聚合铁类絮凝剂的 絮凝作用机理研究尚不成熟。如：f e ( i i i ) 羟基聚合物单元及形态尚无统一看法， 其絮凝作用机理的研究在很大程度尚停留在经验的推测之中。因此，很有必要 运用现代混凝新理论，采用现代测试手段，深入系统地研究其絮凝作用机理， 以推动聚合铁混凝剂制备与应用研究的快速发展。 1 2 混凝机理 1 2 1 混凝 混凝是现代城市给水和工业废水处理工艺中的关键环节之一，它既可以去 除原水的浊度和色度等感官指标，又可以去除一定的有毒有害污染物；可以自 成独立的处理系统，又可以与其它单元过程组合，用于预处理、中间处理和终 陕两科技人学硕十学何论文 处理。无论是在工业水处理中还是废水处理中，都是不可缺少的最基本的处理 技术，混凝处理效果的好坏直接关系到后续流程的运行工况、出水水质及运行 费用。因此，认识、研究、掌握混凝理论及其应用技术，对提高水处理技术水 平具有重要的意义。 1 2 2 混凝机理 混凝效果的好坏取决于诸如p h 值、温度、浓度等，但主要取决于两个因 素1 1 6 1 ：( 1 ) 混凝剂水解后产生的压缩双电层机理、吸附电中和作用机理及高 分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；( 2 ) 微 小颗粒碰撞几率和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由水力条件所决定 的。 混凝包括凝聚和絮凝过程，凝聚过程主要是通过加入的絮凝剂与水中胶体 颗粒迅速发生电中和、双电层压缩而凝聚脱稳，脱稳颗粒再相互聚结而形成初 级微絮凝体。絮凝过程则是促使微絮凝体继续增长形成粗大而密实的沉降絮 体。实际上，凝聚与絮凝两个阶段间隔是瞬间的，几乎同时发生。混凝机理有 双电层压缩、电中和、吸附架桥及沉淀物网捕机理。投加电解质后，电解质在 溶液中形成的反离子使双电层被压缩，胶体( 电位下降，最终使胶体脱稳；投 加具有带相反电荷胶体的混凝剂，可中和水中的带电胶体，电位的绝对值随 之下降，胶体脱稳，但过量加入混凝剂，会使胶体重新带电而再稳；吸附架桥 机理是指线状或分枝长链状的高分子物质与胶体接触时，其化学官能团被两个 或两个以上的胶体吸附，而使胶粒凝聚为大的絮凝体。已架桥絮凝的胶粒，如 受到剧烈的搅拌，架桥聚合物可能由另一胶体表面脱开，并重又卷回所在胶粒 表面，使胶体再稳，投加过量的高分子聚合物，也会使胶体再稳1 1 7 1 。 混凝的动力学过程研究混凝过程中颗粒是怎样从粒径较细数量较多，逐步 演变为粒径较大而数量较少的。要使颗粒产生混凝需要有两个基本前提，颗粒 间的接触( 即碰撞) 以及接触后的聚集。两个保持一定距离作相对运动的颗粒， 如无其他力的作用将难以接触。当然，颗粒的接触并不等于聚集，如果颗粒不 具备彼此结合的能力，接触后的颗粒仍然处于分散状态，它取决于混凝剂的性 质。总之使颗粒产生混凝的首要条件是接触碰撞，而颗粒在水中的接触碰撞， 主要有5 种途径i t s ：( 1 ) 颗粒的布朗运动；( 2 ) 颗粒间的沉速差异；( 3 ) 层 流剪切；( 4 ) 紊流剪切；( 5 ) 紊流惯性碰撞。后三种归结为流动水体的水力 作用。由布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒浓度平方成正 比，而与颗粒尺度无关，实际上只有小颗粒才有布朗运动，随着颗粒粒径增大， 布朗运动将逐渐减弱，当颗粒粒径大于11 t m 时，布朗运动基本消失1 1 。】。对于一 2 氯化铝铁共聚物的合成、性能及应用 般混凝池来说，絮体颗粒一般从微米级增至毫米级以上，因此由布朗运动产生 的颗粒接触碰撞可忽略不计。至于因沉速差异而造成的颗粒接触碰撞，在沉淀 池中有一定的作用，然而在反应池中，由于水流的强烈紊动，相对来说沉速差 异的作用将是微小的。特别是在混凝的初始阶段，颗粒细小，本身的沉速就不 大，不同颗粒间的沉速差异也就更小，因此对于因沉速差异而产生的接触，在 反应池中一般可以忽略不计；而在工业混凝过程中，紊流区占据绝对地位，因 此层流剪切作用也不大。基于以上分析可以断定：流动水体的紊流动力作用对 加速颗粒混凝起主导作用。 综上所述，混凝的机理概括起来有下面几种： a 固液分散系的稳定性及压缩双电层作用机理【2 0 】 d e r j a g u i n ，l a n d a n ，v e r w e y 和o v e r l e e k t 2 - 】建立了固液分散系的稳定化理论 ( d l v o 理论) ，假设分散的固体微粒间存在一种排斥和吸引位能的平衡，排 斥作用是由于带同种电荷的胶体颗粒的双电层相互作用而引起的，或者是由于 粒子和溶剂之间的相互作用而引起的，吸引作用则主要是范德华力所引起的。 由此可知，为了使固体微粒均匀稳定地分散，固体颗粒间的相互斥力必须克服 引力；反之为了使已分散的固体微粒迅速地聚集，固体微粒间的相互引力必须 克服相互的斥力。固体微粒间相互作用的总位能等于吸引位能和排斥位能之 和，吸引位能和排斥位能都是固体微粒间距离的函数。当颗粒间的距离很小和 很大时，相互作用能以吸引能为主，能形成絮凝体；当颗粒间的距离处于中等 程度时，相互作用能以排斥能为主，不能形成絮凝体。为了使颗粒脱稳，加入 混凝剂，可以减少或消除中等距离上的排斥能，进而缩小颗粒间的距离，使得 颗粒间以吸引能为主，便于颗粒絮凝。混凝剂投加到水中后，其有效成分所带 的电荷就会中和掉一部分胶体颗粒表面所带的异号电荷，胶体的双电层就会受 到压缩，因此，扩散层的厚度就会减小，从而颗粒问的相互作用能就会不断变 化直至以吸引能为主，胶体颗粒就得以絮凝沉降下来，这就是混凝过程的压缩 双电层机理。 b 吸附架桥作用机理 吸附架桥理论是在吸附一电中和凝聚理论的基础上，由l a m e r 等1 2 1 ，2 2 1 人提 出的。其作用机理是基于高分子物质与胶粒相互吸附的作用，但胶粒与胶粒本 身并不直接接触，而是微粒凝聚为大的絮凝体。混凝剂溶入水经水解和缩聚反 应所形成的高聚物具有线性或分枝状长链结构，这类具有线性长链结构的物质 具有能与胶粒表面某些部位起作用的化学基团，对胶体物质具有强烈的吸附作 用。当高聚物与胶粒接触接触时，与胶粒表面产生特殊的反应而互相吸引，而 陕两科技大学硕+ 学位论文 高聚合物分子的其余部分则伸展在溶液中可以与另一个表面有空位的胶粒吸 附，这样胶粒与胶粒之间就通过这种作用连接起来，形成絮状物，混凝剂所起 的这种作用就称之为吸附架桥作用。在吸附架桥作用过程中的特殊吸附来源于 各种物理化学作用如：范德华力、静电引力、氢键、配位键等。当混凝剂溶入 水后，开始时，一个高分子链状物吸附在一个微粒表面上，该分子未被吸附的 一端就伸展到溶液中去。这些伸展的分子链节又会被其它的微粒所吸附，就形 成一个高分子链状物同时吸附在两个以上的微粒表面的情况。各微粒依靠高分 子的连接作用构成某种聚集体，结合为絮状物，从而破坏了体系的稳定性。如 果已经吸附在一个微粒上的高分子链状物，其伸展部分在一定时间内没有遇到 其它微粒的合适空白表面，就有可能把链节折转回来吸附到所在微粒表面上的 其它部分，这样不但使高分子物质不再吸附其它微粒发挥粘结架桥作用，而且 会使微粒迅速达到胶体保护状态而不能产生絮凝。同时，如果体系中高分子混 凝剂过量，微粒会尽可能多的吸附高分子在它表面上，结果每个微粒完全被高 分子所包围，再没有剩余的空白表面，这样就失去了再吸附其它微粒上的高分 子的可能，也会使粘结架桥作用无法实现。另外，已经架桥絮凝的微粒，如果 受到剧烈的、长时间的搅拌振动，架桥的高分子也可能从一方微粒表面脱落断