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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。15 混凝15.1 混凝机理混凝就是水中胶体粒子及微小悬浮物的聚集过程( 包括凝聚、絮凝 ) , 这一过程涉及三个方面的问题:1.胶体粒子的性质;2.混凝剂在水中水解物种;3.胶体粒子与混凝剂之间的相互作用。一、 水中胶体稳定性定义 : 胶体粒子在水中能够长期保持悬浮状态而不能沉淀的性质 , 称胶体稳定性。在胶体化学中 , 高分子溶液可说是稳定系统。粘土类胶体及其它憎水性胶体都不是真正稳定系统。但从水处理角度而言 , 凡沉降速度十分缓慢的胶体粒子和微小悬浮物 , 均被认为是稳定的。胶体稳定性分为”动力学稳定”和”聚集稳定”两种。1.
2、动力学稳定 : 指颗粒布朗运动对重力的影响能力。和颗粒大小有关。对于大颗粒 , 各方向的撞击力相等, 相互抵消 , 颗粒在自重作用下沉淀。对于小颗粒 , 由于撞击平衡的机率很小, 微粒在水中作不规则运动 , 呈分散状态。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。( 布朗运动的平均动能Eb = 1.5 KT)K 波兹曼常数 ; T 水的势力学温度。2.聚集稳定 : 指胶体粒子之间因表面同性电荷相斥或水化膜的阻碍作用 , 大于吸附作用而使胶粒不能相互聚集的特性。颗粒小 , 比表面积大 , 从而表面能很大 , 在布朗运动作用下 , 颗粒间有相互吸附聚集的倾向。 但由于颗粒表面同性
3、电荷的斥力作用 , 或水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发生。 如果将胶体粒子表面同性电荷或水化膜消除, 使失去聚集稳定性, 小颗粒便互相聚集成大颗粒 , 从而动力学稳定性也被破坏, 沉淀就会发生。 因此 , 胶体稳定性, 关键在于聚集稳定性。对于憎水性胶体, 聚集稳定性主要决定于胶体颗粒表面的动电位 , 即 z 电位。 z 电位越高 , 同性电荷斥力越大 , 两颗粒接触困难。金属氢氧化物胶体、 胶核带正电。天然水中胶体杂质一般是负电扩胶体 , 如粘土 , 细菌 , 病毒 , 藻正 电 荷 离类 , 腐殖物等。胶 粒表 面粘土 z 电位 -15-40 mV 总 电 位胶 粒 表 面细菌 z 电位
4、-30-70 mV压 缩 扩 散 层z 电位的测定 传统电泳法ku( mV)HDu 电泳速度 ;资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 液体粘度 ; 3.14159;D 溶液介电常数 ;H 电场强度梯度 ;K 微粒形状系数 , 对球体 , K 6。 激光多普勒电泳法较先进的方法。可快速同时测出z 电位值和电泳速度。虽然胶体的z 电位是导致聚集稳定性的直接原因, 但研究方法却可从两胶粒之间相互作用力及其之间的距离关系来进行评价。德加根 ( Derjaguin) 、 兰道 ( Landon) ( 苏联 , 1938 年独立提出 , 伏维 ( Verwey) 、 奥贝克 (
5、Overbeek) ( 荷兰 , 1941 年独立提出 ) , 各自从胶粒之间相互作用能的角度, 阐述胶粒相互作用理论, 简称DLVO理论。认为当两胶粒相互接近以至双电层发生重叠时 , 如图 ( a) 便产生静电斥力, 静电斥力与两胶粒表面间距x有关 , 用排斥势能 ER 表示。随 x 增大 , E 按指由图可知 : 当两胶粒表面间距oa x oc时 , E R 占优势 , x = ob资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。时, 排斥势能最大 , 用 Emax 表示 , 称排斥能峰。当 x oc 时 , 吸引势能均占优势。不过, x oc 时虽然两胶粒表现出相互吸引趋势
6、, 但由于存在排斥能峰这一屏障, 两胶粒仍无法靠近。只有当 x oa 时 , EA 随 x 减小而急剧增大 , 凝聚才会发生。要使 x oa, 布朗运动的动能首先要克服排斥能峰Emax 才行。实际上 , 布朗运动动能 ( E b) E max( 几百倍 几千倍 ) 。两胶粒之间距离无法缩短至oa 以内 , 故胶体处于分散稳定状态。用 DLVO 理论阐述典型憎水胶体的稳定性及凝聚机理与叔采哈代法则是一致的。 并可进行定量计算。 其正确性已得到一些化学家的实验证明。水化膜作用 : 除静电斥力外 , 水化膜作用往往也是重要因素。 对憎水胶粒 ( 如粘土胶体 ) 的水化作用对聚集稳定性影响不大。一旦胶
7、体的 z 电位 0, 水化作用也随之消失。 但对典型的亲水胶体 ( 有机物或高分子物质 ) 而言 , 水化作用却是胶体聚集稳定性的主要原因。水化膜形成 : 水是极性分子 , 由于水分子的取向作用 , 强烈吸附在亲水胶粒表面的极性基团上 , 使粒子周围包裹一层较厚的水化膜 , 阻碍胶粒互相靠近。 因而使范德华引力不起作用。实践证明 , 虽然亲水胶体也存在双电层结构 , 但 z 电位对胶体稳定性的影响远小资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。于水化膜的影响。因此亲水胶体的稳定性尚不能用 DLVO 理论予以描述。二、 硫酸铝在水中的化学反应Al 2( SO4) 3 18H2O
8、, 是常见混凝剂之一。溶于水后立即离解出铝离子Al(H 2O)63,(水合离子 )Al 2SO4 318H 2 OH 2O2Al 33SO 4218H 2 O3+AlAl 3+经水解 , 聚合或配合反应可形成多种形态的配合物或聚合物以及氢氧化铝。 各种物质组分的含量多少以至存在与否 , 决定于铝离子水解时的条件 , 包括水温、 pH 值、 铝盐投加量等。水解 产 物 的 结 构 形 态 主 要 取 决 于 羟 铝 比 OH/Al 每摩尔铝所结合的 ( OH) 摩尔数。 P256 表 15 1 列出近年来有关专家的研究结果 , 铝离子水解、聚合反应的几种形式。Al 3H 2 O Al OH 2H
9、例:Al OH2H 2OAl OH 2HAl OH 2H 2 OAl OH 3H一级水解二级水解三级水解对混凝有利以上反应与pH 有关。降低 H + 浓度 , 反应易向右进行。随着 OH - 电荷 ,最终生成Al(OH) 3 沉淀。当 pH 34 时, 水解基本不进行, 在水中以 Al 3+存在 ;pH 45 时 , 一、 二级水解 , 以 Al(OH) 2+、 Al(OH) 2+存在 ;资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。pH Emax, 从而使胶粒脱稳、 凝聚、 沉淀。但要浪费很多能量 , 不可能。办法 : 经过投加电解质( 混凝剂 ) 为办法 , 降低 Emax减小z 电位降低静电斥力, 压缩扩散层厚度, 使得 z 电位 0。当 z = 0 时 , 称等电状态 , 这时排斥势能消失。实际上 , 只要将 z 电位降至一定程度 ( 如 z = zk) , 使 Emax = 0, 胶粒便发生聚集作用。滑动面负离子）原有正离子体固投加正离子（面表核胶混 凝 剂 投 量 适 中 ,经过胶核表面吸附投量过多 , 电荷距离xzk 称临界电位。根据叔采哈代法则, 高价电解质压缩双电层远比低价电解质有效 , 对负电荷胶体 : 脱稳所需不同价数正离子浓度之比为: