第16章 物理化学处理(混凝)

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1、第一节第一节 化学混凝法化学混凝法第二节第二节 过滤法过滤法第三节第三节 吸附法吸附法第四节第四节 离子交换法离子交换法 污水的化学处理是利用化学反应的作用以去除污水的化学处理是利用化学反应的作用以去除水中的杂质。水中的杂质。 处理对象主要是污水中无机的或有机的处理对象主要是污水中无机的或有机的(难于生难于生物降解的物降解的)溶解物质或胶体物质。溶解物质或胶体物质。 常用的化学处理方法有化学混凝、中和法、化常用的化学处理方法有化学混凝、中和法、化学沉淀法和氧化还原法。物理化学法有吸附法、离学沉淀法和氧化还原法。物理化学法有吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法等。子交换法、萃取法和膜析法等。第一节

2、 化学混凝法v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。v凝聚 ：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。v絮凝 ：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。v混凝过程涉及：水中胶体的性质；混凝剂在水中的水解；胶体与混凝剂的相互作用。v一、 混凝机理（一）（一） 水中胶体的稳定性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。浮状态的特性。v胶体稳定性分胶体稳定性分“动力学稳定性动力学稳定性”和和“聚集稳定聚集稳定”两两种。种。v动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的

3、能力强。响的能力强。v聚集稳定性包括：聚集稳定性包括：胶体带电相斥（憎水性胶体）；胶体带电相斥（憎水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）v 在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定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。性对胶体稳定性的影响起关键作用。1. 胶体颗粒的双电层结构v胶核（胶体分子聚合而成的胶体微粒）胶核（胶体分子聚合而成的胶体微粒），表面吸附，表面吸附了某种离子（电位形成离子）而带电，由于静电引了某种离子（电位形成离子）而带电，由于静电引力，势必吸引溶液中异号离子到微粒周围（反离力，势必吸引溶液中异号离子到微粒周围（反

4、离子），这些反离子同时受到静电引力和热运动扩散子），这些反离子同时受到静电引力和热运动扩散力。力。v吸附层吸附层Stern layer（随胶核一起运动）（随胶核一起运动） 靠近胶靠近胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密核表面处，异号离子浓度大，结合紧密v扩散层扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩掉（大部分运动时被甩掉，甩掉后剩下的面，叫滑动面）后剩下的面，叫滑动面） 离胶核远，反离子浓离胶核远，反离子浓度小，结合松散。度小，结合松散。 胶核滑动面图4-1 胶体双电层结构示意d1 结构式：结构式： 反离子层反离子层 胶核胶核吸附层吸附层 扩散层扩散层 胶胶 粒粒 胶团胶团 滑

5、动面上的电位，称为滑动面上的电位，称为 电位电位，决定了憎，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当化膜的阻碍，当 电位降低，水化膜减薄及至电位降低，水化膜减薄及至消失。消失。v电位电位 ：胶核表面上与外层溶液内部之间形成的：胶核表面上与外层溶液内部之间形成的总电位差。总电位差。v 电位电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位。：胶体滑动面上的电位，称作动电位。v带负（正）电荷的胶核表面带负（正）电荷的胶核表面与与扩散于溶液中的正扩散于溶液中的正（负）电荷离子（负）电荷离子正好电性中和，正好电性中和，构成双电层结构构成双电层结构（The e

6、lectrical double layerThe electrical double layer）。）。v 越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强。越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强。 v2. 胶体之间的相互作用胶体之间的相互作用v 胶体颗粒之间的相互作用决定于胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能排斥能与与吸引吸引能能，分别由静电斥力与范德华引力产生。，分别由静电斥力与范德华引力产生。v图中可看画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间图中可看画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系。当胶体距离的关系。当胶体距离xoc时，吸引势能占时，吸引势能占优势；当优势；当oa x oc时，排斥势

7、能占优势；当时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为时，排斥势能最大，称为排斥能峰排斥能峰Emax。 0时称等电状态此时排斥势能消失图 4-2 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rrEmaxEa0c (a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x2b 胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。能发生凝聚。 以上理论称为以上理论称为DLVO理论理论。 只适用于憎水性胶体，由德加根（只适用于憎水性胶体，由德加根（Derjaguin）兰道（兰道（Landon）(苏联，苏联，1938年独立提出，伏维年独立提

8、出，伏维（Verwey）、奥贝克（）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，）（荷兰，1941年年独立提出）。独立提出）。 （二） 混凝机理1电性中和作用机理（1）压缩双电层 加入电解质，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。 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：混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；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。 （2）吸附电性中和）吸附电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶直接吸附带异号电荷的

9、聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低粒等，来降低 电位。其特点是：当药剂投加量过多电位。其特点是：当药剂投加量过多时，时， 电位可反号。电位可反号。 2吸附架桥吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥。粒与胶粒之间的架桥。 高分子絮凝剂投加后，可能出现以下两个现象：高分子絮凝剂投加后，可能出现以下两个现象： 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； 投加过多，会出现投加过多，会出现“胶体保护胶体保护”现象，见下图。现象，见下图。 3网捕或卷扫网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与金属

10、氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。胶粒高分子胶粒高分子胶粒高分子图 6-5 架桥模型示意图 6-6 胶体保护示意排斥排斥4-34-4 4、 硫酸铝的硫酸铝的混凝机理混凝机理 不同不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。、温度等。 实际上，几种可能同时存在。实际上，几种可能同时存在。 pHpH3 3

11、 简单的水合铝离子起压缩双电层作用；简单的水合铝离子起压缩双电层作用； pHpH4-5 4-5 多核羟基络合物起吸附电性中和；多核羟基络合物起吸附电性中和； pH=6.5-7.5 pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；氢氧化铝起吸附架桥； 如果分子量不同的两种高分子物质同时投入水中，分子如果分子量不同的两种高分子物质同时投入水中，分子量大者优先被胶粒吸附；如果先让分子量较低者吸附然后再量大者优先被胶粒吸附；如果先让分子量较低者吸附然后再投入分子量高的物质，会发现分子量高者将慢慢置换分于量投入分子量高的物质，会发现分子量高者将慢慢置换分于量低的物质。在给水处理中，因天然水的低的物质。在给水处