第六章   混   凝   6．1混凝机理.  max.book118.com 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。    max.book118.com 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。          max.book118.com  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x oc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）。             max.book118.com  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             max.book118.com 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。        （2）吸附－电性中和    这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低?电位。其特点是：当药剂投加量过多时，?电位可反号。      2．吸附架桥    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，架桥模型示意见图6-5。    高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：       ①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；       ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图6-6；       3．网捕或卷扫          金属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，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。   max.book118.com  硫酸铝的混凝机理         不同pH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、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。     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    氢氧化铝起吸附架桥； 6．2   混凝剂和助凝剂    max.book118.com 混凝剂          混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低廉。          目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为无机与有机两大系列，见表6-1。          与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；④但三氯化铁腐蚀性较强。          硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。                聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算：         聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。   表6-1   常用的混凝剂     max.book118.com 助凝剂 助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类： 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。 6．3    凝聚动力学 max.book118.com 基本概念          混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。          颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。          异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。          同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝       max.book118.com 异向絮凝    颗粒的碰撞速率可按下式计算：  (6-1)    式中：DB： 布朗运动扩散系数，             T为温度，为水的运动粘度，为水的密度；    因此： (6-2)     故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于1?m，布朗运动消失。        max.book118.com 同向絮凝    1.层流理论    层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。    颗粒的碰撞速率按下式计算： (6-3)    在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体，               见图6-8。设在时间    内，隔离体扭转了  角度，于是角速度     为：   (6-4)        转矩      为：  (6-5)      于是单位体积水所耗功率p为：  (6-6)     由于          ，故   (6-7)                 当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由

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