第六章混凝
第六章 混 凝
6.1混凝机理。 611基本概念 ■混凝:水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集 过程称为混凝,是凝聚和絮凝的总称。 凝聚:胶体失去稳定性的过程称为凝聚。 絮凝:脱稳胶体相互聚集称为絮凝。 混凝过程涉及:①水中胶体的性质;②混凝 剂在水中的水解;③胶体与混凝剂的相互作 用
6．1混凝机理. 6.1.1 基本概念 ◼ 混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集 过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。 ◼ 凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。 ◼ 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。 ◼ 混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝 剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作 用
612水中胶体的稳定性 胶体稳定性:是指胶体粒子在水中长期保持分散 悬浮状态的特性 胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定” 两种。 动力学稳定性:无规则的布朗运动强,对抗重力 影响的能力强。 聚集稳定性包括:①胶体带电相斥(憎水性胶 体);②水化膜的阻碍(亲水性胶体) ■在动力学稳定性和聚集稳定两者之中,聚集稳 定性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒 的双电层结构见图6-1。 ■滑动面上的电位:称为电位,决定了憎水胶体 的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍, 当ξ电位降低,水化膜减薄及至消失
6.1.2 水中胶体的稳定性 ◼ 胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散 悬浮状态的特性。 ◼ 胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定” 两种。 ◼ 动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力 影响的能力强。 ◼ 聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶 体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体） ◼ 在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳 定性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒 的双电层结构见图6-1。 ◼ 滑动面上的电位：称为电位，决定了憎水胶体 的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍， 当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失
滑动面 胶核 图6-1胶体双电层结构示意
Ⅰ δ d Ⅱ 胶 核 滑动面 ζ の 图 6-1 胶体双电层结构示意
613DLⅴO理论 胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能, 分别由静电斥力与范德华引力产生 排斥势能:ER-1(d2 吸引势能:EA-1/d6(有些认为是1/d2或1d3) 由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间 的关系,见图6-2。当胶体距离x0a或x>oc时,吸引 势能占优势;当oa<x<oc时,排斥势能占优势; x=ob时,排斥势能最大,称为排斥能峰。 胶体的布朗运动能量Eb=1.5kT,当其大于排斥 能峰时,胶体颗粒能发生凝聚。 以上称为DLVO理论,只适用于憎水性胶体,由德加 根( derjaguin)、兰道( Landon)(苏联,1938年 独立提出),伏维( Verwey)、奥贝克( Overbeek) 荷兰,1941年独立提出)
6.1.3 DLVO理论 胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能， 分别由静电斥力与范德华引力产生。 排斥势能：ER－1/d2 吸引势能：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3） 由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间 的关系，见图6-2。当胶体距离xoc时，吸引 势能占优势；当oa <x< oc时，排斥势能占优势；当 x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。 胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT，当其大于排斥 能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。 以上称为DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加 根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年 独立提出〕，伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek） （荷兰，1941年独立提出）
排斥势能 max 间距x 吸引势能E 图6-2相互作用势能与颗粒距离关系 (a)双电层重叠;(b)势能变化曲线
图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系 （a)双电层重叠； (b)势能变化曲线 r r Emax E a 0 c (a) Er 吸 Ea 引 势 能 EA 排 斥 势 能 ER 间距x
6.1.4硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝A2(SO4)·18H2O溶于水后,立 即离解出铝离子,通常是以[A(H2O)F存 在,但接着会发生水解与缩聚反应,形成不 同的产物。产物包括:未水解的水合铝离子 单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化 铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件 (水温、p、铝盐投加量)有关,见图6-3
6.1.4 硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝Al2（SO4）·18H2O溶于水后，立 即离解出铝离子，通常是以[Al(H2O)6 ] 3+存 在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不 同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、 单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化 铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件 （水温、pH、铝盐投加量）有关，见图6-3
13.32 13.32 1.1 图6-3在不同P值下,铝离子水解产物[AM2(OH)]3x)+的相对含量(曲线旁数字分别表示x和y) (1)铝总浓度为0.1mo/L:(2)铝总浓度为105moL,水温25℃
2 4 6 8 10 12 20 40 60 80 100 1.0 13.32 1.4 1,3 3.4 1.1 2.2 PH A1(Ⅲ)（％） A1(Ⅲ)（％） PH 100 80 60 40 20 2 4 6 8 10 12 13.32 1.1 1.2 1.0 1.3 1.4 (3x-y)+ 图 6-3 在不同 x y PH值下，铝离子水解产物[AL（OH）] 的相对含量（曲线旁数字分别表示x和y） (1) 铝总浓度为0.1mol/L ； （2）铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃
615混凝机理 1.电性中和作用机理 电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和 作用机理,见图6-4。 (1)压缩双电层 加入电解质加入,形成与反离子同电荷离子,产 生压缩双电层作用,使ξ电位降低,从而胶体颗粒 失去稳定性,产生凝聚作用。 压缩双电层机理适用于叔采一哈代法则,即:凝 聚能力∝离子价数6。 该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以 下两种现象:①混凝剂投加过多,混凝效果反而 下降;②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也 有良好的混凝效果
6.1.5 混凝机理 1．电性中和作用机理 电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电 中和 作用机理，见图6-4。 （1）压缩双电层 加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产 生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒 失去稳定性，产生凝聚作用。 压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝 聚能力离子价数6。 该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以 下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而 下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也 有良好的混凝效果
滑动面 负离子 滑动面 十原有正离子 滑动面 投加的正离子 ④ 十 距离x 图6-4压缩双电层和吸附-电中和作用
滑动面 负离子 原有正离子 投加的正离子 （1） 距离 距离 （2） 滑动面 电位Φ Φ （-） δ δ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ δ Φ （-）电位Φ 滑动面 距离 Ⅱ Ⅲ δ δ （3） 图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用