第5章 凝聚与絮凝

第二篇水的物理、化学和物理化学处理，第五章冷凝和絮凝，混凝：水中胶体粒子和微悬浮物的絮凝过程称为混凝，是絮凝和絮凝的总称。絮凝：在水中胶体失去稳定性，形成小团聚体的过程。絮凝：脱稳定胶体相互聚集形成大团聚体的过程。应用：广泛用于给水处理，也可用于工业用水处理和城市污水的三次处理和深度处理。也可以用于水的脱脂、脱色。想法：在水处理中为什么要进行混凝处理？作为水中的胶体杂质，颗粒大小约在1um到1nm之间，直接沉淀分离几乎是不可能的。因此，从水处理的角度来看，胶体在水中是稳定的。胶体稳定性：胶体粒子长期在水中保持分散悬浮状态的特性。原水状态：胶体稳定分散悬浮液。处理目标：打破胶体粒子的稳定性，胶体相互碰撞，形成大颗粒。想法：为什么水中胶体是稳定的？5.1胶体的稳定性，5.1.1胶体的双层结构，胶体粒子最内层称为胶核，胶体表面由吸附电位形成离子，并带电。表面带电的原子核再由静电引力将溶液内的半离子吸附在其周围，形成胶体的双层结构。吸附层：核表面电位形成离子及其吸附的耦合半离子称为吸附层。扩散层：随着与核表面距离的逐渐增加，半离子浓度变小，倾向于扩散到溶液中，因此不随粘合剂移动。这种半离子称为自由半离子，形成扩散层。胶体：核和吸附层被称为胶体粒子。胶束：微粒和扩散层被称为米格尔。胶体滑动面：胶体粒子和扩散层之间形成的滑动界面。电位：原子核表面和外层之间形成的电位称为胶束的总电位。(电位很难测量)电位：当微粒移动时，滑动面和外界的电位差称为移动电位。(可通过电位计测定)结论：电位越高，扩散层越厚，胶体带的电量越大，具有同性电荷胶体的胶体之间的静电斥力越大，胶体粒子的稳定性越高。5.1.2胶体之间的相互作用可以用DLVO理论解释很多胶体粒子共存时的相互作用规律。DLVO理论是由Derjaguin、Landan、Verwey和Overbeek提出的。DLVO理论指出，两个胶体粒子相互靠近，双层重叠，两种作用力：范德瓦尔斯重力和静态斥力同时存在。排斥势能(Er):由两个胶体粒子之间的静电斥力产生，随着胶体粒子表面间距的增加，指数关系减少。势能吸引(Ea):由范德华重力产生，与胶体粒子的表面间距成反比。总势能(e):排除势能Er，加总势能Ea。如果两个胶体粒子在不同的距离，总势能可能有以下几种情况：如果OA x oc，则排除势能占优势； x OA，吸引势能占优势时； x=ob时，最大排斥势能(称为排斥能量峰值)出现在总势能曲线上。结论：1)两个胶体粒子相距较远时，首先起作用的是排斥势能，只有克服排斥能量棒，能更接近一定距离时，才有吸引势能的效果。由于胶体粒子的布朗动能远小于排斥能量峰值，两个胶体粒子无法相互靠近聚集，最终保持稳定状态。(2)要使两个胶体粒子相互靠近和下沉，必须降低电位，降低静电斥力，减少排斥峰。胶体的动态稳定性胶体稳定性的原因胶体的带电稳定性胶体的溶剂稳定性胶体的动态稳定性：由布朗运动引起。胶体粒子体积小，不规则布朗运动强，对抗重力影响的能力强，没有下沉，胶体粒子均匀分布在水中稳定。胶体的带电稳定性：是由静电斥力引起的。对范德华重力的静电斥力使胶体粒子保持分散状态并稳定。胶体的溶剂作用稳定性：由于亲水胶体粒子和水分子的作用，胶体粒子周围缠上了厚厚的水合膜层，使两个胶体粒子无法相互靠近，胶体粒子保持分散状态，稳定下来。结论：对拒水胶体，动态稳定性和充电稳定性有重要作用。亲水胶体的水合作用稳定性占优势，带电稳定性处于次要状态。5.1.3胶体的稳定性，5.2凝固机制，5.2.1胶体的聚集机制压缩双层作用机制吸附-电中和机制吸附-桥接作用机制网状捕获-滚动扫描机制，1 .添加压缩双层作用机制、电解质后，溶液中的高价半离子浓度增加，通过静电重力替代胶体原先吸附的低成本半离子，从而减少扩散层厚度，从而降低zeta电位，从而失去胶体粒子的稳定性，产生凝聚作用，此机制认为电位最大可能下降到0。如果投入过多的凝固剂，凝结效果反而无法解释下降的两种现象。具有葡萄糖等电信号的聚合物或聚合物也具有良好的凝固效果。2 .吸附-电中和作用机制，吸附-电中和作用在胶体表面吸附具有二弧离子、二聚胶体粒子或链状二聚电荷的聚合物，从而中和胶体所携带电荷的一部分，减少静电斥力，使其易于接近其他粒子并相互吸附。吸附作用力包括：静电引力、氢键、安置键、范德华重力等。如果药剂的剂量太多，电位会逆转，胶体会重新稳定。根据DLVO理论，Emax电位下降到Emax k时，排斥能峰Emax=0胶体凝聚，此时zeta电位称为临界电位(k)。3 .吸附-桥作用机制，吸附桥作用是指高分子物质和微粒的吸附和桥梁。聚合物链的一端吸附某个微粒，另一端吸附另一个微粒，形成“微粒-聚合物-微粒”的凝聚体。腿部模型如下图所示。添加高分子絮凝剂通常会出现两种现象。聚合物投入量太少，不足以形成吸附桥接。但是放得太多会出现“胶体保护”现象。请看下图。4 .网络扣-卷扫描机制，网络扣-卷扫描功能主要是机械效果。铝盐铁盐等凝固剂渗透量大，形成大量具有三维结构的水合金属氧化物沉淀，可以用网捕，从水中将胶体扫出，形成沉淀分离。所需凝固剂的数量与原水中杂质的含量成反比。也就是说，当仇人的胶体含量少时，需要的絮凝剂更多，反之亦然。这四种机制在水处理中可能同时存在，也可能以某种现象为主。5.2.2聚集机制，粒子相互碰撞的动力来自两个方面：一是水中粒子的布朗运动；二是水力或机械搅拌引起的流体运动。相反的聚集：布朗运动引起的粒子碰撞聚集。胶体粒子的碰撞使粒子从小变大，布朗游戏减弱。东方向聚集：由水力或机械搅拌推动的流体运动引起的粒子碰撞聚集。两个胶体粒子在同一运动方向碰撞聚集，因此被称为东向聚集。5.2.3影响混凝效果的主要因素，客观因素：原水的水质(包括水温、pH、碱度、水中化学成分的含量和特性)主观因素：人为可操作性(水力条件、絮凝剂种类和使用情况、投入方式等)，1。水温的影响，合适的水温在20 30 之间。水温低通常是凝聚体慢慢形成，凝聚粒子小，松散，凝固效果差。无机絮凝剂水解是吸热反应，因为在低温下很难水解。低温水粘度大，粒子运动阻力大，布朗运动减弱，不利冷凝。同时，水的剪切力增加，影响絮凝体的生长。胶体粒子的水合作用不利于粒子间的粘合。，2 .水的pH值的影响，水的pH值与水中胶体粒子的表面电荷和电位直接相关，不同PH时胶体粒子的表面电荷和电位需要的凝固剂量不同；水的pH值对絮凝剂的水解反应有很大影响，混凝剂的pH值适应范围不同，水解物形式不同，混凝效果不同。聚合物絮凝剂的混凝效果受水的pH值影响较小。3.水的碱度影响在絮凝剂的水解过程中持续产生，降低了pH值，因此碱性应适当，碱度适当时，应添加石灰等碱性物质，提高混凝效果。4 .水中浊度的影响，水中浊度浓度低的话，颗粒碰撞率会大幅下降，混凝效果也会下降。可以采取以下措施：添加聚合物絮凝剂，采用吸附架桥效果。投入黏土等矿物颗粒，增加絮凝剂水解物的冷凝中心，加快颗粒碰撞速度，提高团聚体密度。给药后直接过滤。低温及低浊水的凝固变得更加困难，成为专业研究课题。如果原水的悬浮物浓度太高，混凝剂的数量就会增加，为了节约混凝剂，聚合物混凝剂经常提前沉淀或添加。5 .有机污染物对水的影响，可溶于水的有机分子吸附在胶体粒子的表面，形成有机涂层，保护胶体，阻碍胶体粒子的碰撞。添加氧化剂(高锰酸钾、臭氧、氯等)会破坏有机物对胶体的保护作用，从而提高混凝效果，降低絮凝剂消耗。6.混凝剂种类和用量的影响，最佳药剂种类和剂量受多种调节因素的影响，一般通过实验确定。液压条件的影响，液压条件包括液压强度和工作时间。混合阶段：通常需要在10 30s之间进行最多2分钟的混合，以便将混凝剂快速均匀地分散在原水中。絮凝阶段：可拆卸的胶体粒子通过各向异性絮凝和东向絮凝逐渐增加，搅拌强度和流速应随着絮体的增加逐渐减少，并保证一定的絮凝作用时间。5.3混凝剂及混凝剂、5.3.1混凝剂种类很多，根据分子量大小，可分为无机盐类和高分子混凝剂两类。应用最广泛的无机盐剂凝固剂是铝盐，例如硫酸铝、硫酸钾铝和铝酸钠。其次是氯化铁、硫酸铁、硫酸铁等铁盐。高分子絮凝剂可分为武器和有机两类。武器中应用更广泛的是聚合氯化铝。有机聚丙烯酰胺常用。1 .硫酸铝，外观和腐蚀性：硫酸铝有白色和灰白色两种产品。含有不同量的结晶水，常用的硫酸铝为A12(SO4)318H2O，硫酸铝容易溶于水，水溶液呈酸性，腐蚀性小。对水温和pH值的适应性：适当水温20 40；当Ph=5.7 7.87.8时，主要去除小悬浮物。Ph=6.4 7.8时，高浊度和低色度的主要处理；Ph=4 6时处理高色度。调制浓度：一般在10%左右，大型自来水可以在10%到15%之间。适用条件：硫酸铝腐蚀性低，对水质不良影响，使用方便，效果好，但对低温水凝聚体形成缓慢、松散，其效果不如铁盐。2 .氯化铁，外观和腐蚀性：固体氯化铁是有金属光泽的黑棕色晶体，子类型为FeCl36H2O，易溶于水，溶液腐蚀性很强。对水温和pH的适应性：适宜水温范围大，适宜pH范围为6.0-8.4。准备浓度：适合投入干燥或浓缩溶液，一般为5% 10%。应用条件：絮凝体大、密，对低温低浊度水比铝盐效果好。氯化铁添加到水中后，对天然水的碱度做出反应，形成氢氧化铁胶体，天然水的碱度低，或添加大量氯化铁时，必须先将适量的凝固剂石灰添加到水中。，3 .硫酸亚铁，外观和腐蚀性：硫酸亚铁，又称绿矾，固体产品有半透明绿色结晶，下游工艺FeSO47H2O，水解，水溶液有酸性，腐蚀性。对水温和pH值的适应性：主要处理受水温影响小、ph=8.5 11时碱度和浊度高的原水。准备浓度：一般以约10%的浓度准备。应用条件：处理饮用水时，应考虑硫酸亚铁的重金属，投药量最大时，水的重金属含量应在国家饮用水水质标准限度内。硫酸亚铁的凝固效果不好，使用时要先把第一铁氧化成三价铁。6FeSO4 3C12=2Fe2(SO4)3 2FeCl3，4。聚合氯化铝、聚合氯化铝(PAC)又称碱性氯化铝或羟基氯化铝。化学方程式为Al2(OH)nCl6-nm。通常，n=1 5，m10。碱度(b):羟基对铝的摩尔数的比率，可以表示碱度高，有利于吸附腿；但是太高容易产生沉淀。生产上需要的碱度为50% 80%。优点：腐蚀性小；最佳凝固pH值范围广，最佳投资范围广。凝聚体形成速度快，凝聚体大，致密，沉淀性能好。低温、低浊度及高浊度、高色度的处理效果好。5 .聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺(PAM)是聚合物絮凝剂的典型代表，分子结构如下：-CH2-CH-nCONH2其中n是聚合度，最大值为20000 90000，分子量最大值为150 600万。聚丙烯酰胺的凝固机制主要是吸附桥接。水解度：为了提高聚合物絮凝剂的吸附桥接效果，一般在碱性条件下部分水解PAM。酰胺基转化为羧基的比率称为水解度，一般调节为30 40%。聚丙烯酰胺的单体具有一定的毒性，饮用水处理时最大添加量应控制在1.0ml/L以内，聚丙烯酰胺对浊度高、浊度低的水有效，但更贵。5.3.2絮凝剂、絮凝剂的作用是调整或改善混凝条件，改善絮凝体结构。凝固剂从广义上可以分为以下几类。酸，碱：用来调整水的pH值，调节反应条件。常用石灰。天鹅绒内核类：增加明矾的骨骼材料，改善明矾的结构，增加明矾的重量。在水中添加黏土和淤泥等大颗粒会加快明矾花的形成和沉降速度，特别适合低浊度水处理。添加高分子材料可以改善明矾结构，起到桥梁作用。无机絮凝剂更多地用于活化硅酸。氧化剂：可用于破坏阻碍凝固的物质，如有机物。有机化合物的氯氧化；硫酸亚铁氧化制氯生产高速铁路。肠道重点内容和事故问题，为什么水中胶体保持稳定？凝固机制和硫酸铝凝固机制？为什么凝血剂过量反而凝血效果不好？影响凝固效果的因素是什么？根据混凝剂的种类，有哪些特性？一些重要概念：凝固、絮凝、絮凝、动力学稳定性、絮凝稳定性、胶体结构、吸附层、扩散层、双电层结构、电位、胶体滑动面、电位、排斥势能、势能吸引、总势能、水合作用、水合作用，5.4凝固动力学，基本概念凝固动力学：研究粒子碰撞速度和凝固速度。粒子相互碰撞的动力来自两个方面：水中粒子的布朗运动。水力或机械搅拌引起的流体运动。各向异性聚集：布朗运动引起的粒子碰撞聚集称为各向异性聚集。东方向聚集：水力或机械搅拌引起的流体运动引起的粒子碰撞聚集称为东方向聚集。5.4.1各向同性聚集速度，粒子的碰撞速度可以根据以下内容计算：表达式：玻耳兹曼常量，水的绝对温度，水的运动粘度，水的密度，粒子碰撞后聚集的分数，粒子数的浓度。与布朗运动引起的粒子大小无关，与粒子数浓度和水温成正比。当粒子的粒子大小大于1米时，布朗运动消失了。5.4.2各向同性聚集速度，1 .层流理论层流条件下粒子的碰撞显示右图。粒子的碰撞速度计算如下：速度梯度(g):两个粒子在相邻两个水层中的速度差异与垂直于水方向的两个流动层之间的距离比率，即。甘步公式：机械搅拌水力絮凝，2 .各向同性湍流理论、各向同性湍流理论：外部对水流施加的能量形成大漩涡；大旋涡将能量传递到小漩涡，小漩涡将能量传递到小漩涡。只有大小与粒子大小相似的漩涡才能引起粒子间的碰撞。各向同性湍流条件下粒子的碰撞速度：表达式中湍流扩散系数与()