01-水重点章节课件暨大老师16 2 化学混凝法

第十六章污水的化学与物理化学处理,水污染控制工程,主讲教师：,第二节化学混凝法,化学混凝处理的对象主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。,2.1胶体的特性与结构2.2胶体的脱稳与凝聚2.3混凝剂与助凝剂2.4影响混凝的因素2.5混凝设备,2.1胶体的特性与结构,一、胶体特性1、光学性质：有丁达尔效应，利用此性质可鉴别胶体与溶液、浊液。2、力学性质：主要是指胶体的布朗运动。3、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由能,胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。,return,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,固定层,胶核,电位,电位,胶体的结构,胶体的中心是胶核。胶核表面电位形成离子的静电作用把溶液中带有异号电荷的离子（反离子）吸引到胶核周围，形成胶体双电核。紧靠胶核表面一层反离子吸附得比较牢固，称为吸附层，吸附层内反离子浓度大。吸附层外围为扩散层，随着与胶核表面距离增加，反离子浓度逐渐降低。吸附层和扩散层反离子的总电荷数等于胶核表面电位形成离子的电荷（电位离子）。,胶核和吸附层组成的微粒（胶粒）在溶液中做布朗运行时，扩展层中大部分反离子未随胶体微粒一起运动，导致胶粒电性。胶体化学中，常将吸附层当作滑动界面。胶核表面电位离子形成电位为总电位，。滑动面上的电位称为动电位，即。总电位无法测量，也没实用价值，而电位可测且具有重要意义。黏土、病毒、藻类和腐殖质等颗粒的电位在15-40mv，细菌电位在-30-70mV。Fe(OH)3溶液电位为+56mV。由于污水成分复杂，同一胶体不同污水中电位不同。,凡在吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶体称憎水胶体。一般无机物颗粒都属这一类。凡胶体微粒能直接吸附水分子的称为亲水胶体。绝大多数都是分子量很大高分子化合物或高聚物。憎水胶体具有双电层，亲水胶体则有一层水壳。双电层与水壳都有一定的厚度。这个厚度决定胶体是否稳定的因素。,2.2胶体的脱稳与凝聚,胶体受力,由于胶体带电现象，带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且电位越高，胶粒间的静电斥力越大。,受水分子热运动的撞击，使微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动”。,胶粒之间还存在着相互引力范徳华引力。与距离平方成反比。,1.胶体的稳定性,水化作用（水化膜）：由于胶体带电，吸引极性水分子在其周围形成水化膜，也使胶体不能相互聚结。但水化膜是伴随电位产生的，电位消除或减弱，水化膜也随之消失或减弱。,胶体间的相互斥力不仅与电位有关，还与胶粒的间距有关，距离越近，斥力越大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推进到使范徳华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。,长期分散悬浮而不沉降的特性称为胶体的稳定性。,1.胶体的稳定性,关键,布朗运行，而长期悬浮不沉降。称为胶体力学稳定性。同性相斥或水膜阻碍而使胶粒保持分散称为聚集稳定性。,在水处理中，为使胶粒通过碰撞而彼此凝聚，就要消除或降低胶粒稳定因素，这一过程称为胶粒脱稳。,2.混凝原理,(1)压缩双电层作用,混凝剂提供大量正离子，会涌入胶体扩散层甚至吸附层,由于总电位不变，增加扩散层和吸附层正离子浓度，使扩展层减薄，使电位降低。双电层被压缩。当电位为零时，称为等电状态。此时胶体间斥力消失,胶粒最易发生聚结。,实际上，电位电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚结，这时的电位称为临界电位。,胶粒因电位电位降低或消除以至失去稳定性的过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。,高分子带异号电荷部位与胶粒表面静电吸引，中和胶体原来所带电荷，从而降低胶体电位脱稳。吸附电中和。,除了长链有机物高分子物质外，无机高分子及其胶体微粒，如铝盐、铁盐水解产物等，也都可产生黏结架桥作用。,高分子物质通过投加或强烈搅拌都可能破坏黏结架桥作用，反而使溶液产生再稳。,硫酸铝Al2(SO4)318H2O溶于水后，离解出Al3+，并结合有6个配位水分子，成为水合铝离子Al(H2O)63+。,以硫酸铝为例讨论混凝过程,当pH4时，水解受到抑制，水中存在的主要是Al(H2O)33+。,当pH45时，水中有Al(OH)(H2O)52+、Al(OH)2(H2O)4+及少量Al(OH)3(H2O)3。,当pH78时，水中主要是Al(OH)3(H2O)3沉淀物。,上述反应中，降低水中H+(或H3O+)浓度（提高pH），使反应趋向右方，水合羟基络合物的电荷逐渐降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。,初步水解产物中的羟基OH-具有桥键性质。在由Al(H2O)63+转向Al(OH)3(H2O)3的中间过程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合物：,或,从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物。,带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层的脱稳和吸附架桥的作用。,为使硫酸铝达到优异的混凝效果，应尽量使胶体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥。,当混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌，使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶体脱稳，随后，脱稳胶体在相互凝聚的同时，靠聚合度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝体，使混凝过程很好完成。,2.3混凝剂和助凝剂,1.混凝剂,铁盐特点：适用的pH值范围较宽；三氯化铁形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；硫酸亚铁处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；硫酸铁但三氯化铁腐蚀性较强。硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便二价铁氧化成三价铁。,硫酸铝：19世纪末投用。适宜水温2040，pH6.08.5，水解缓慢，需加碱性助剂。铝盐特点：采用硫酸铝作混凝剂使用方便，水质无不良影响。水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体小松散，混凝效果变差。铝盐混凝剂潜在问题对生物的影响。,传统的无机混凝剂,高分子混凝剂,传统的铝盐和铁盐在水中的水解反应甚为复杂，不可能根据不同水质人为地来控制水解聚合物的形态。人工合成的高分子混凝剂则是在人工控制的条件下预先制成最优的形态的聚合物，投入水中后可发挥优良的混凝效果。,无机高分子混凝剂聚合氯化铁和聚合硫酸铁是目前国内研制和使用比较广泛的无机高分子混凝剂。目前无机聚合混凝剂使用量已占80%以上，基本代替传统混凝剂。,聚合硫酸铁（PFS）日本首先研制成功并投放市场。混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。所需碱性助剂小于除PAC以外铁铝盐。适宜水温1050，pH5.08.5，但在4.011.0仍可用。,聚合氯化铝（PAC）聚合氯化铝的化学式应表示为Al2(OH)nCl6-nm，聚合氯化铝中OH-与Al的比值对混凝效果有很大关系，一般可用碱化度B表示，要求B为4060%。对水温、pH、碱度适应性强，絮体快而密实，无须碱性助剂，投量约为硫酸铝的1/21/3。,有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂，有天然和人工合成两种。都具有巨大分子。每一分子有许多链节组成。链节间以共价键结合。我国当前使用较多的是聚丙烯酰胺（PAM）。,聚丙烯酰胺（PAM）聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺（AM）单体经自由基引发聚合而成。链节上含可解离基团，解离后带正电的，称为阳离子型，带负电的称阴离子型。链节上不含可解离基团的称非离子型。,聚丙烯酰胺为非离子型高聚物，但可通过水解构成阴离子型，也可通过引入基团构成阳离子型。,有机高分子混凝剂由于分子上的链节与水中胶体微粒有极强的吸附作用，混凝效果优异。即使是阴离子型高聚物，对负电胶体也有较强的吸附作用。但对未脱稳的胶体，由于静电斥力有碍于吸附架桥，通常做助凝剂用。阳离子型吸附作用尤甚，吸附的同时，还有电中和脱稳作用。石油开采是目前国内PAM用量最大的领域，其消费量占国内总需求量的56%。有机高分子絮凝剂虽然效果优异，但制造过程复杂，价格较贵。PAM本身及其水解体没有毒性，但其残留单体丙烯酰胺(AM)具有神经性毒性。,常用的混凝剂,助凝剂：当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某些辅助药剂提高混凝效果，称为助凝剂。广义讲:凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。（1）改善或调节混凝条件：酸碱类：碱度不够时，调整水的pH，如石灰、硫酸等；氧化剂类：硫酸亚铁作混凝剂时，可加氯气氧化成三价铁离子等，如投加Cl2、O3等。（2）改善絮体结构，利用高分子吸附架桥作用。加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸、骨胶、高分子絮凝剂；,2.助凝剂,三、影响混凝效果的主要因素,1.水温,水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有：无机盐水解吸热，水温低时，水解困难，特别是硫酸铝，低于5，水解速率非常缓慢；温度降低，粘度升高，布朗运动减弱，不利于脱稳脱粒相互絮凝。；水温低时，胶体水化作用增强，妨碍凝聚；改善办法：投加高分子助凝剂或改用气浮法。,2.pH,不同混凝剂影响程度不同。硫酸铝最佳pH范围在6.57.5，除色时，pH在4.55之间。三价铁盐，最佳pH范围在6.08.4，比硫酸铝宽。硫酸亚铁只有在pH8.5且有足够溶解氧时，才有较好效果。高分子混凝剂尤其是有机高分子，受pH影响较小。铝盐或铁盐水解过程不断产生H+使pH下降，要保持较佳pH，必须有一定碱度，当碱度不够时需要投加石灰。石灰投量按下式估算：CaO=3ax+式中CaO：纯石灰CaO投量，mmol/L；a：混凝剂投量，mmol/L；x：原水碱度，按mmol/L，CaO计；：保证反应顺利进行的剩余碱度,3.水中杂质的成分、性质和浓度,水中杂质成分、性质、浓度都对混凝有明显影响。污水中大量有机物，需较多的混凝剂才有混凝效果。靠混凝实验选择合适的混凝剂品种和最佳投量。城镇污水过去很少采用混凝剂，近年来，化学混凝剂品种和质量都有较大发展，有一定竞争力。如对浓度不高的城镇污水，投加2080mg/LPAC和0.5mg/L阴离子PAM，就可去除70%COD。,4.水力条件混凝过程水力条件对絮体形成影响极大。过程分两个：混合、絮凝。混合：要求混凝剂迅速均匀的扩散到水中，以创造良好水解和聚合条件，使胶体脱稳并借助布朗运动和紊流凝聚。要快速和剧烈，要求G在5001000s-1，搅拌时间t应在1030s。絮凝:要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎。因此搅拌强度和水流速度应随絮体结大而逐渐降低。相应G和t值分别应在2070s-1和1530min。如果不沉淀而是气浮，絮凝阶段可省略。为确定最佳的工艺条件，一般情况下，可以用烧杯搅拌法进行混凝的模拟试验。,四、化学混凝的设备,1.混凝剂的配制和投加设备干法和湿法。现在干法很少用。湿法包括配制和投加。,(1)混凝剂的溶解和配制,混凝剂在溶解池中进行溶解，溶解池应有搅拌装置:,搅拌,加速药剂溶解,目的,方法,无机混凝剂溶解池应防腐处理或防腐材料,药剂溶解完全后，将浓药液送入溶液池，用清水稀释到一定的浓度备用（无机1020%，有机0.5%1.0%）。,溶液池的容积可按下式计算：,溶解池的容积：,式中:W1溶液池容积，m3；Q处理地水量，m3/h;A混凝剂地最大投加量，mg/L;溶液浓度，；n每天配置次数，一般为26次。,(2)混凝剂溶液的投加,2.混合设备,水泵混合投药在水泵吸水管或吸水喇叭口上，利用水泵叶轮高速转动达到快速而剧烈的混合。混合效果好，不需另建混合设备。但有可能腐蚀叶轮。水泵到构筑物管线不宜太长，两者间距不大于150m。,2.混合设备,（2）隔板混合水流通过隔板孔道时产生急剧的收缩和扩散，形成涡流，使药剂与原水充分混合。水流通过隔板孔道时产生急剧的收缩和扩散，形成涡流，使药剂与原水充分混合。混合时间一般为1030s,水量稳定时，混合效果较好