水环境化学水中颗粒物的聚集

1、水中颗粒物的聚集 陈悦 胶体颗粒的聚集亦可成为凝聚或絮凝。把由电介质促成的聚集成为凝聚，而由聚合物促成的聚集称为絮凝。 水中颗粒物的聚集水中颗粒物的聚集 胶体颗粒凝聚的基本原理和方式 DLVO理论：典型胶体的相互作用是以胶体稳定性理 论（ DLVO理论）为定量基础。DLVO理论把范得华吸引力和扩散层排斥力考虑为仅有的作用因素，它适用于没有化学专属吸附作用的电解质溶液中，而且假设颗粒的粒度均等、球体形状的理想状态。水中颗粒物的聚集水中颗粒物的聚集 胶体颗粒凝聚的基本原理和方式 水中颗粒物的聚集水中颗粒物的聚集DLVO理论：典型胶体的相互作用是以胶体稳定性理 论（DLVO理论）为定量基础。这种颗粒

2、在溶液中进行热运动，其平均功能为3kT/2，两颗粒在相互作用接近时产生几种作用力，即多分子范德华力、静电排斥力和水化膜阻力。总的综合作用位能为： VT=VR+VAVA由范德华力所产生的位能 VR由静电排斥力所产生的位能DLVO理论理论双电层双电层溶液离子强度较小，出现较大的位能峰（Vmax），排斥作用占较大优势，体系保持分散稳定状态。总的综合作用位能为： VT=VR+VAVA由范德华力所产生的位能 VR由静电排斥力所产生的位能DLVO理论理论双电层双电层溶液离子强度增大，Vmax下降甚至完全消失，颗粒超过位能峰后，吸引力占优势，颗粒继续接近，达到综合位能曲线上近距离的极小值时，两颗颗粒结合在一

3、起。DLVO理论理论双电层双电层 电解质浓度升高压缩扩散层造成颗粒凝聚的典型情况，即一种理想化的最简单的体系，不适用与天然水或其他实际体系。异体凝聚理论异体凝聚理论1. 使用体系：适用于处理物质本性不同、粒径不同、电荷符号不同、电位高低不等之类的分散体系。2. 主要论点：如果两颗电荷符号相异的胶体微粒接近时，吸引力总是占优势。如果两颗电荷符号相同但电性强弱不等，则位能曲线上的能峰高度总是取决于荷电较弱而点位较低的一方。异体凝聚理论异体凝聚理论天然水环境和水处理过程中的颗粒聚集方式：1. 压缩双电层凝聚2. 专属吸附凝聚 3.专属吸附凝聚 4.专属吸附凝聚 5. 第二极小值絮凝6. 聚合物粘结架

4、桥絮凝7. 无机高分子絮凝8. 絮团卷扫絮凝9. 颗粒层吸附絮凝10. 生物絮凝混凝混和凝聚絮凝混凝混和凝聚絮凝吸附吸附混和混和电中和电中和 凝聚凝聚 絮凝絮凝 絮体、絮团絮体、絮团投药投药分离分离颗粒物颗粒物混凝剂混凝剂絮凝剂絮凝剂n +nnn nnnn+纳米纳米- -分子污染物分子污染物+无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂 Inorganic Polymer Flocculants阳离子型 聚合氯化铝 PAC, PACl 聚合硫酸铝 PAS 聚合硫酸铁 PFS 聚合氯化铁 PFC 聚合磷酸铝 PAP 聚合磷酸铁 PFP阴离子型 聚合硅酸 PSi (活化硅酸 ) ASi复合絮凝剂聚合硫酸铝铁

5、PAFS聚合氯化铝铁 PAFC聚合硅酸铝 PASI聚合硅酸铁 PFSI聚合硅酸铝铁 PAFSI无机 +有机复合型聚合铝-聚丙烯酰胺 聚合铝-甲壳素聚合铝-合成有机高分子Al(III)的羟基聚合形态的羟基聚合形态 水解水解络合络合聚合聚合溶胶溶胶沉淀沉淀中间产物中间产物 ：多核羟基络合物：多核羟基络合物 无机高分子无机高分子单单核核物物 Al3+ Al(OH)2+ Al(OH)2+ Al(OH)4- 初聚物初聚物 Al2(OH)42+ Al3(OH)45+低聚物低聚物 Al6 6(OH)12126+6+ Al8 8(OH)20204+4+高聚物高聚物 Al15(OH)369+沉淀物沉淀物 Al

6、(OH)3 n 中聚物中聚物 Al13(OH)327+ Al13O4(OH)247+ Alx(OH)y(3x-y)+ Al(III)聚合态的六元环连续模型聚合态的六元环连续模型 聚合过程：聚合度升高，电荷升高聚合过程：聚合度升高，电荷升高 2Al(OH)(H2O)52+ (H2O)4AlAl(H2O)4 4+ + 2H2O 水解过程水解过程 ：羟化度升高，电荷降低：羟化度升高，电荷降低 Al3(OH)4(H2O)105+ Al3(OH)6(H2O)83+ + 2H+Al(III)羟基聚合物的双水解模式羟基聚合物的双水解模式自发水解自发水解强制水解强制水解 微区加强碱微区加强碱 铝盐溶解铝盐溶解

7、, 稀释稀释 单核物单核物, 初聚物初聚物 H2O H2O H2O Al (OH)2+ 低聚物低聚物 高聚物高聚物 沉淀物沉淀物 H2O Al3+ H2O Al (OH)2+ Al6 (OH)126+ Al13(OH)327+ Al (OH)3 H2O H2O H2O Al(OH)4 (am) Al 2(OH)24+ OH- OH- OH- OH- Al3+ OH- Al (OH)4 + 12 Al toc Al12AlO4 (OH)247+ n Al13 OH- OH- OH- 四面体四面体 八面体八面体 ( Al13 ) 聚集体聚集体 聚十三铝聚十三铝 高纯聚十三铝高纯聚十三铝(HPAC)

8、的生产的生产Al(OH)3 凝胶凝胶 Ca(AlO2)2 HCl To , P喷雾喷雾干燥干燥粉状粉状产品产品Al13 4050%电解化学工艺电解化学工艺超滤组件工艺超滤组件工艺Al13 80%Al13 80% 纳膜分离工艺纳膜分离工艺 纳米技术纳米技术 Nano-TechNano-Tech 纳米材料纳米材料 Nano-materialNano-material精细提纯工艺精细提纯工艺Al13 80%改进化学工艺改进化学工艺Al13 70%现有工艺现有工艺Al13 90%胶体颗粒聚集胶体颗粒聚集胶体颗粒聚集热力学因素：扩散层压缩、表面电位降低、排斥力减小；产生具有远距离吸引力以及存在粘结架桥物

9、质。动力学因素：颗粒之间必须发生碰撞颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学根据碰撞过程的不同有三种情况：（1）异向絮凝：由颗粒的热运动即布朗运动推动 下发生碰撞引起；（2）同向絮凝：在水流速率梯度（G）的剪切作用下， 颗粒产生不同的速率而发生碰撞和絮凝；（3）差速沉降絮凝：在重力作用下，沉降速率不同 颗粒发生碰撞而絮凝。颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学（1）异向絮凝速率d Nd t= p4kTN23p有效碰撞系数k玻尔兹曼常数，1.3810-23J/K绝对粘度，g/（cms）絮凝速率与颗粒数目的平方成比例颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学（2）同向絮凝速率d Nd t=4体积分数d颗粒粒径，m0GN=6d3N当水中同时存在两种絮凝过程时，絮凝速率为两者之和：d Nd t+40GN= p4kTN23当颗粒直径d1m时，异向絮凝可忽略不计；当颗粒直径d1m时，异向絮凝占重要地位；若d=1m而G=10s-1，则两种速率相等。颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学（3）差速沉降絮凝速率g重力加速度，cm/s2颗粒密度，g/cm3d Nd t=sg(1)72(d1+d2)3(d1d2)N1N2动力粘度，cm3/s在絮凝动力学中，颗粒的粒度起着很重要的