第1节混凝的去除对象
混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物,是一种化学方法。
范围在:1nm~0.1mm(有时认为在1mm)
混凝目的:投加混凝剂使胶体脱稳,相互凝聚生长成大矾花。
水处理中主要杂质:粘土(50nm-4 mm)
细菌(0.2mm-80mm)
病毒(10nm-300nm)
蛋白质(1nm-50nm)、腐殖酸
1637年 我国开始使用明矾净水
1884年 西方才开始使用
混凝过程涉及到三个方面的问题:水中胶体的性质
混凝剂在水中的水解与形态
胶体与混凝剂的相互作用
第2节胶体的性质
一、胶体的稳定性
1.动力学稳定性:布朗运动对抗重力。
2.聚集稳定性:胶体带电相斥(憎水性胶体)
水化膜的阻碍(亲水性胶体)
两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。
k:波兹曼常数,T:温度
Eb<Emax(势垒)
胶体距离x<oa, 凝聚(一次凝聚)
x>oa, 稳定(二次凝聚除外)
以上称为DLVO理论。只适用于憎水性胶体。
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)
胶体的凝聚:
降低静电斥力――z电位¯――势垒¯――脱稳――凝聚
办法:加入电解质,但只适用于憎水性胶体
第3节 水的混凝机理与过程
一、铝盐在水中的化学反应
铝盐最有代表的是硫酸铝Al2(SO4)3×18H2O,溶于水后,立即离解铝离子,通常是以[Al(H2O)6]3 存在。在水中,会发生下列过程。
1.水解过程
配位水分子发生水解:
[Al(H2O)6]3 ――[Al(OH)(H2O)5]2 H
…….
其结果是:价数降低,pH降低,最终产生――Al(OH)3沉淀
2.缩聚反应
-OH-发生架桥,产生高价聚合离子(多核羟基络合物)
……..
其结果是:电荷升高,聚合度增大
同时多核羟基络合物还会继续水解。
因此,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
各种产物的比例多少与水解条件(水温、pH、铝盐投加量)有关。
二、混凝机理
水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。
凝聚(Coagulation)、絮凝(Flocculation )
混凝:包括两者
1.压缩双电层
根据DLVO理论,加入电解质对胶体进行脱稳。
电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――z电位¯――稳定性¯――凝聚
4.网捕或卷扫
金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕
小胶粒与大矾花发生接触凝聚
―――澄清池中发生的现象
根据以上机理,可以解释在不同pH条件下,铝盐可能产生的混凝机理。
pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用
pH=4-5 多核羟基络合物起吸附电性中和
pH=6.5-7.5 多核羟基络合物起吸附电性中和;氢氧化铝起吸附架桥、网捕
天然水体一般pH=6.5-7.8
三、混凝过程
1.凝聚(coagulation)
带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――z电位¯――脱稳――凝聚,生长成约d=10m
特点:剧烈搅拌,瞬间完成
®®在混合设备中完成
2.絮凝(flocculation)
高聚合物的吸附架桥
脱稳胶粒――生长成大矾花d=0.6-1.2mm
特点:需要一定时间,搅拌从强®弱
®®在絮凝中设备完成
第4节 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
种类有不少于200-300种。
分类:
无机 | 铝系 | 硫酸铝 明矾 聚合氯化铝(PAC) 聚合硫酸铝(PAS) | 适宜pH:5.5~8 |
铁系 | 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁(国内生产少) 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 | 适宜pH:5~11,但腐蚀性强 | |
有机 | 人工 合成 | 阳离子型:含氨基、亚氨基的聚合物 | 国外开始增多,国内尚少 |
阴离子型:水解聚丙烯酰胺(HPAM) | |||
非离子型:聚丙烯酰胺(PAM),聚氧化乙烯(PEO) | |||
两性型: | 使用极少 | ||
天然 | 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 | ||
微生物絮凝剂 |
发展方向:
无机复合聚合物混凝剂:聚合硫酸铝铁(PFAS)、聚合氯化铝铁(PFAC)、聚合硫酸氯化铁(PFSC)、聚合硫酸氯化铝(PASC)、聚合铝硅(PASi)、聚合铁硅(PFSi)、聚合硅酸铝(PSA)、聚合硅酸铁(PSF)
无机-有机复合:聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子
有机高分子絮凝剂:阳离子有机化合物
天然改性高分子絮凝剂:无毒易降解,如甲壳素等
多功能絮凝剂:絮凝、缓蚀阻垢、*菌灭藻
微生物絮凝剂
二、助凝剂
可以参加混凝,也可不参加混凝。
1.酸碱类:调整水的pH,如石灰、硫酸等
2.加大矾花的粒度和结实性:如活化硅酸(SiO2 nH2O)、骨胶、高分子絮凝剂
3.氧化剂类:破坏干扰混凝的物质,如有机物。如投加Cl2、O3等
第5节 混凝动力学
颗粒间的碰撞是混凝的首要条件――混凝动力学
一、异向絮凝
由布朗运动造成的碰撞,主要发生在凝聚阶段。
颗粒的碰撞速率 Np=8/(3nr) KTn2
n:颗粒数量浓度
n:运动粘度
凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒数量有关,而与颗粒粒径无关。
当颗粒的粒径大于1mm,布朗运动消失。