11.水质工程学-I-—混凝-§2-1水的混凝机理(2).ppt

水质工程学第二章第二章 水的混凝水的混凝 2-1 2-1 水的混凝机理（水的混凝机理（2 2）主讲：荣宏伟主讲：荣宏伟 教授教授1、双电层作用机理双电层作用机理（1 1）压缩双电层）压缩双电层 胶核表面的电位即热力电位胶核表面的电位即热力电位 一一般固定的，滑动面上的电位般固定的，滑动面上的电位 电位是电位是表面双电层构造的一个主要指标，如表面双电层构造的一个主要指标，如扩散层的厚度扩散层的厚度d变小，电位曲线变陡，变小，电位曲线变陡，电动电位电动电位自然也下降，斥力势能变小。自然也下降，斥力势能变小。当扩散层厚度压缩到某种程度两个胶当扩散层厚度压缩到某种程度两个胶粒因布朗运动相互碰撞时，由于胶粒粒因布朗运动相互碰撞时，由于胶粒之间的范德华引力不变，而静电斥力之间的范德华引力不变，而静电斥力变小两种力的对比便发生变化，如最变小两种力的对比便发生变化，如最大斥力势能大斥力势能E小于布朗运动的能量时，小于布朗运动的能量时，则胶粒就可以在引力的作用下相互结则胶粒就可以在引力的作用下相互结合起来。合起来。三、混凝机理三、混凝机理扩扩扩扩散散散散层层层层厚厚厚厚度度度度d d可可可可按按按按强强强强电电电电解解解解质质质质溶溶溶溶液液液液理理理理论论论论中中中中的的的的计计计计算离子半径的公式来考虑：算离子半径的公式来考虑：算离子半径的公式来考虑：算离子半径的公式来考虑：d d扩散层厚度。扩散层厚度。A常数。常数。Ci溶液中第溶液中第i种离子的克分子浓度。种离子的克分子浓度。Zi第第i种离子的价数。种离子的价数。CiZi2该溶液的离子强度。该溶液的离子强度。投加电解质后，投加的混投加电解质后，投加的混凝剂提供大量的正离子，由于离凝剂提供大量的正离子，由于离子的扩散作用，大量正离子将涌子的扩散作用，大量正离子将涌入胶体扩散层乃至吸附层，热力入胶体扩散层乃至吸附层，热力电位是不变的，所以全部中和热电位是不变的，所以全部中和热力电位所需要液层的厚度变薄，力电位所需要液层的厚度变薄，电位曲线坡度变陡，电位曲线坡度变陡，电位降低，电位降低，当大量正离子涌入吸附层以至扩当大量正离子涌入吸附层以至扩散层完全消失时，散层完全消失时，电位为零此电位为零此为等电状态。为等电状态。当混凝剂投加量适当时，当混凝剂投加量适当时，就可以使排斥能峰降低到就可以使排斥能峰降低到 EbEb,Eb Eb 小于胶体布朗运动动能时，小于胶体布朗运动动能时，这时两个相互碰撞的胶粒就可以这时两个相互碰撞的胶粒就可以越过排斥能峰而继续接近，最终越过排斥能峰而继续接近，最终结合成一个较大的胶粒。对于胶结合成一个较大的胶粒。对于胶粒而言，这就是由稳定状态解脱粒而言，这就是由稳定状态解脱出来，一般称为胶粒脱稳。脱稳出来，一般称为胶粒脱稳。脱稳胶粒相互凝结，通常称为胶粒相互凝结，通常称为混凝混凝。高价反离子压缩胶体扩高价反离子压缩胶体扩散层，远比低价离子有效散层，远比低价离子有效。以硫酸铝混凝剂为例，只有当水中以硫酸铝混凝剂为例，只有当水中pH3时，水中时，水中出现聚合离子及多核羟基配合物。出现聚合离子及多核羟基配合物。（2 2）电性中和（吸附电性中和）电性中和（吸附电性中和）压缩双电层与电性中和的区别压缩双电层与电性中和的区别 吸吸附附电电中中和和是是异异号号电电荷荷聚聚合合离离子子或或高高分分子子连连接接吸吸附附在在胶胶核核表表面面，总总电电位位发发生生变变化化，而而压压缩缩双双电电层层依依靠靠溶溶液液中中反反离离子子浓浓度度的的增增加加使使胶胶体体扩扩散散层层厚厚度度减减少少，导导致致电电位位降降低低，并并非非反反离离子子被被吸吸附附在在胶胶体体表表面面，不不会会使使胶胶体体变变号号，总总电电荷不发生变化。荷不发生变化。2 2、吸附架桥作用机理、吸附架桥作用机理作为混凝剂的高分子物质以及作为混凝剂的高分子物质以及AlAl2 2(SO(SO4 4)3 3 ，FeClFeCl3 3溶于水后，经水解溶于水后，经水解和缩聚反应形成高聚物，这些物质均具和缩聚反应形成高聚物，这些物质均具有线型结构，整分子具有一定的长度。有线型结构，整分子具有一定的长度。当高分子物质投量过多时，将产生当高分子物质投量过多时，将产生“胶体保护胶体保护”作作用。胶体保护可理解为用。胶体保护可理解为:当全部胶粒的吸附面均被高分当全部胶粒的吸附面均被高分子覆盖以后，两胶粒接近时，就受到高分子的阻碍而不子覆盖以后，两胶粒接近时，就受到高分子的阻碍而不能聚集。这种阻碍来源于高分子之间的相互排斥。排斥能聚集。这种阻碍来源于高分子之间的相互排斥。排斥力可能来源于力可能来源于“胶粒胶粒胶粒胶粒”之间高分子受到压缩变形之间高分子受到压缩变形(像弹簧被压缩一样像弹簧被压缩一样)而具有排斥势能，也可能由于高分而具有排斥势能，也可能由于高分子之间的电性斥力子之间的电性斥力(对带电高分子而言对带电高分子而言)或水化膜。或水化膜。对于高分子混凝剂特别是有机高分子对于高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂来说，吸附架桥起决定作用；混凝剂来说，吸附架桥起决定作用；对对 Al2(SO4)3 等无机盐混凝剂来说，吸等无机盐混凝剂来说，吸附架桥作用和双电层作用均具有重要作用。附架桥作用和双电层作用均具有重要作用。3、沉淀物的网捕或卷扫作用、沉淀物的网捕或卷扫作用当铝盐或铁盐混凝剂投量过多时，会形成大当铝盐或铁盐混凝剂投量过多时，会形成大量高聚合度的氢氧化物沉淀，可以吸附卷带水中量高聚合度的氢氧化物沉淀，可以吸附卷带水中的胶粒进行沉淀分离，这种现象称为沉淀物的卷的胶粒进行沉淀分离，这种现象称为沉淀物的卷扫或网捕作用。扫或网捕作用。Al2(SO4)318H2O是水厂中常用的混凝剂之一，溶于水后，是水厂中常用的混凝剂之一，溶于水后，立即离解出立即离解出Al 3+Al2(SO4)3 2Al3+3SO4 2-Al 3+并非以这种裸露的简单形态存在，而是结合有并非以这种裸露的简单形态存在，而是结合有6个配个配位水分子的水合离子位水分子的水合离子 Al(H2O)6 3+这是一种最简单络合物，水这是一种最简单络合物，水合离子水解时，配位水分子可以失去合离子水解时，配位水分子可以失去H+而形成单羟基单核络核而形成单羟基单核络核物。反应如下：物。反应如下：Al(H2O)63+H2O Al(OH)(H2O)52+H3O+Al(OH)(H2O)52+H2O Al(OH)2(H2O)4+H3O+Al(OH)2(H2O)4+H2O Al(OH)3(H2O)3+H3O+价数价数，pH ，最终产生，最终产生Al(OH)3沉淀。沉淀。四、硫酸铝的混凝机理四、硫酸铝的混凝机理由上述反应可见，降低水中由上述反应可见，降低水中H+浓度或提高浓度或提高pH，水解反应趋向右方，配位水分子逐渐减少，羟基逐渐水解反应趋向右方，配位水分子逐渐减少，羟基逐渐增多，而水合羟基络合物的电荷却逐渐降低，最终生增多，而水合羟基络合物的电荷却逐渐降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。经研究：成中性氢氧化铝难溶沉淀物。经研究：当当 pH4 时，水解受到抑制水中存在的主要是时，水解受到抑制水中存在的主要是Al(H2O)63+当当 pH=4 时，水中将出现时，水中将出现Al(OH)(H2O)52+单羟单羟基水合铝离子、基水合铝离子、Al(OH)2(H2O)4+双羟基水合铝离子双羟基水合铝离子及少量及少量Al(OH)3(H2O)3当当 pH=7-8 时时，水水 中中 主主 要要 是是 中中 性性 的的Al(OH)3(H2O)3沉淀物。沉淀物。在在 它它 们们 之之 间间 再再 进进 一一 步步 结结 合合，还还 可可 以以 生生 成成 如如:Al3(OH)4(H2O)105+以以及及更更多多的的聚聚合合物物，缩缩聚聚反反应应结结果果，使使聚聚合物水解反应仍继续进行。合物水解反应仍继续进行。当当pH 8.5时时，由由于于氢氢氧氧化化铝铝是是典典型型的的两两性性化化合合物物，它它又又重新溶解重新溶解,并继续水解，生成可溶性的阴离子。并继续水解，生成可溶性的阴离子。Al(OH)3(H2O)3+H2OAl(OH)4(H2O)2-+H3O+同时，在水解过程中还产生许多聚合离子，这是由于同时，在水解过程中还产生许多聚合离子，这是由于羟基架桥作用而产生。其最简单的形式是：羟基架桥作用而产生。其最简单的形式是：2Al(OH)(H2O)52+Al2(OH)2(H2O)84+2H2O水解反应与羟基桥联反应相反，聚合度并无变化，但降低水解反应与羟基桥联反应相反，聚合度并无变化，但降低了聚合物电荷，化合物中的羟基数目不断增多，这样，缩聚和了聚合物电荷，化合物中的羟基数目不断增多，这样，缩聚和水解交错进行，便形成多种形态高聚物，经研究，存在可能性水解交错进行，便形成多种形态高聚物，经研究，存在可能性最大的化合物形态有：最大的化合物形态有：Al3(OH)4(H2O)105+H2OAl3(OH)5(H2O)94+H3O+Al6(OH)144+、Al6(OH)153+、Al8(OH)204+、Al7(OH)174+、Al13(OH)345+等等。等等。这这些些物物质质，在在水水中中都都可可能能以以一一定定比比例例同同时时存存在在，一一般般说说来来，在在在在低低低低pHpH值值值值下下下下高高高高电电电电荷荷荷荷低低低低聚聚聚聚合合合合度度度度的的的的络络络络合合合合物物物物占占占占主主主主要要要要地地地地位位位位；在在在在高高高高pHpH值值值值下下下下，低低低低电电电电荷荷荷荷高高高高聚聚聚聚合合合合度度度度的的的的络络络络合合合合物物物物占占占占主主主主要要要要地地地地位位位位；当当当当pH=7pH=78 8时时时时，聚聚聚聚合合合合度度度度极极极极大的中性大的中性大的中性大的中性Al(OH)Al(OH)3 3(H(H2 2O)O)3 3 将占绝大多数。将占绝大多数。将占绝大多数。将占绝大多数。upH偏低时，水中高电荷低聚合度的络合物占主导地偏低时，水中高电荷低聚合度的络合物占主导地位，它能对水中胶体杂质发挥压缩扩散层及电中和作位，它能对水中胶体杂质发挥压缩扩散层及电中和作用，使杂质发生凝聚，即起脱稳凝聚作用，吸附架桥用，使杂质发生凝聚，即起脱稳凝聚作用，吸附架桥居次。居次。upH值高时，低电荷高聚合度的高聚物占主要地位，值高时，低电荷高聚合度的高聚物占主要地位，它能在胶体杂质微粒之间粘结架桥，使之发生凝聚，它能在胶体杂质微粒之间粘结架桥，使之发生凝聚，即起架桥凝聚作用，电中和脱稳居次。即起架桥凝聚作用，电中和脱稳居次。upH值值=7-8时，聚合度极大的中性时，聚合度极大的中性Al(OH)3(H2O)3 将占绝对多数，它能生成微小的凝聚，吸附和粘结水将占绝对多数，它能生成微小的凝聚，吸附和粘结水中的胶体杂质，卷带它们一起从水中分离出去，即起中的胶体杂质，卷带它们一起从水中分离出去，即起吸附卷扫作用，高聚物具有十分优异的絮凝作用。吸附卷扫作用，高聚物具有十分优异的絮凝作用。