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混凝

更新時(shí)間:2018-01-08點(diǎn)擊次數(shù):1549

自然沉降不能去除所有的懸浮物和膠體。混凝即是通過(guò)投加化學(xué)藥劑來(lái)破壞膠體和懸浮物在水中形成的穩(wěn)定體系,使其聚集為具有明顯沉降性能的絮凝體,然后用重力沉降法予以分離。

混凝過(guò)程包括凝聚和絮凝兩個(gè)步驟,凝聚是指使膠體脫穩(wěn)并聚集成微絮粒的過(guò)程;絮凝是指微絮粒通過(guò)吸附、卷帶和橋連而成長(zhǎng)為更大的絮體的過(guò)程。凝聚和絮凝統(tǒng)稱為混凝。

一、膠體的穩(wěn)定性和膠體結(jié)構(gòu)

1.膠體的穩(wěn)定性

水中的同種膠體微粒帶有同號(hào)電荷,在靜電斥力的作用下,不易相互聚集,具有一定的穩(wěn)定性。

2.膠體的結(jié)構(gòu)

a. 膠核:由數(shù)十個(gè)至數(shù)千個(gè)不溶于水的分散相

物質(zhì)分子組成的。

b. 膠粒的電位離子:膠核的表面上選擇性地吸

附了—層帶同號(hào)電荷的離子;其來(lái)源于膠核

表層分子電離,或膠核從水中吸附來(lái)的。

---決定了膠粒的帶電符號(hào)和電荷多少,構(gòu)

成雙電層的內(nèi)層。

c. 反離子:電位離子層通過(guò)靜電作用而吸引的水

中相反電荷的離子,構(gòu)成雙電層的外層。

d. 反離子吸附層:反離子與電位離子之間。當(dāng)膠

核運(yùn)動(dòng)時(shí),它也隨著一起運(yùn)動(dòng)。構(gòu)成膠團(tuán)的固定層。

e. 反離子擴(kuò)散層:固定層以外。電位離子對(duì)其引力較弱,不隨膠核一起運(yùn)動(dòng),并有向水中擴(kuò)散的趨勢(shì)。

f. 膠粒:固定層和擴(kuò)散層之間的交接面稱為滑動(dòng)面,滑動(dòng)面以內(nèi)的部分稱為膠粒。

g. 膠團(tuán):膠粒與擴(kuò)散層一起構(gòu)成了電中性的膠團(tuán)。

h. 膠體的電動(dòng)電位(ξ電位)

      當(dāng)膠粒運(yùn)動(dòng)時(shí),擴(kuò)散層中的大部分反離子就會(huì)脫離膠團(tuán),向溶液主體擴(kuò)散。其結(jié)果必然使膠粒產(chǎn)生剩余電荷,使膠粒與擴(kuò)散層之間形成一個(gè)電位差,其可反映膠粒帶電的多少,衡量膠體穩(wěn)定性的大小。ξ愈高,穩(wěn)定性愈高。

I.總電位(Ψ電位)

     膠核表面的電位離子與溶液主體之間的電位差。--- Ψ電位一定時(shí),擴(kuò)散層愈厚,ξ愈高。

二、機(jī)理

不同的化學(xué)藥劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn),其機(jī)理可歸結(jié)為四種:

(1)壓縮雙電層

膠體的穩(wěn)定性取決于兩種力何者占主導(dǎo)地位。

當(dāng)距離很近時(shí),范得華力占優(yōu)勢(shì),合力為吸引力,兩個(gè)顆粒可以相互吸住,膠體脫穩(wěn);

當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí),庫(kù)侖斥力占優(yōu)勢(shì),合力為斥力,兩個(gè)顆粒相互排斥,膠體將保持穩(wěn)定。

當(dāng)膠體顆粒間距離大于3nm時(shí),顆粒總處于相斥狀態(tài)

對(duì)憎水膠體顆粒而言,其膠核表面間隔著兩個(gè)滑動(dòng)面內(nèi)的離子層厚度,使其總處于相斥的狀態(tài),這就是憎水膠體保持穩(wěn)定的根源;

對(duì)親水膠體顆粒而言,因其吸附大量的水分子而構(gòu)成水殼,使它們不能靠近而保持穩(wěn)定。

投加電解質(zhì)后,水中與膠粒上反離子具有相同電荷的離子濃度增加了。這些離子可與吸附的反離子發(fā)生交換或擠入吸附層,使膠粒帶電荷減少,降低ξ電位,并使擴(kuò)散層厚度縮小。--------壓縮雙電層

各種電解質(zhì)壓縮能力是不同的。在濃度相同的條件下,破壞能力隨離子價(jià)的增高而加大。

Schulze-Hardy法則:

    能力與離子價(jià)的2-6次方成正比。

    對(duì)同一膠體體系,要獲得相同的壓縮雙電層效果時(shí),用一價(jià)離子的濃度需要25~150mmol/L;二價(jià)離子需要0.5~2mmol/L三價(jià)離子需要0.01~0.1mmol/L

 

            在電解質(zhì)作用下膠團(tuán)雙電層的變化                吸附電中和

 

(2)吸附電中和

膠體表面對(duì)異號(hào)離子、異號(hào)膠粒或鏈狀高分子帶異號(hào)電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用。

由于這種吸附作用中和了它的部分或全部電荷,減少了靜電斥力,因而容易與其它顆粒接近而相互吸附。

(3)吸附架橋作用

若藥劑是具有能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物,或者兩個(gè)同號(hào)膠粒吸附在同一個(gè)異號(hào)膠粒上,膠粒間就能連結(jié)、團(tuán)聚成絮體而被除去。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

高分子聚合物的吸附架橋作用

 

(4)卷掃作用(網(wǎng)捕作用)

若藥劑含金屬離子,由于金屬離子的水解和聚合,會(huì)以水中的膠粒為晶核形成膠體狀沉淀物,或者在這種沉淀物從水中析出的過(guò)程中,會(huì)吸附和網(wǎng)捕膠粒而共同沉降下來(lái)。

 

沉淀物卷掃作用

1-原水中懸浮微粒;2-絮狀沉淀物;3-殘留懸浮微粒

 

三、影響的因素

1、水溫

無(wú)機(jī)劑溶于水時(shí)是放吸反應(yīng),水溫低時(shí)不利于劑的水解。

水溫低時(shí),水的黏度大,膠粒的布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱,彼此間碰撞機(jī)會(huì)減少,不易凝聚。

水的黏度大時(shí),水流阻力增大,使絮凝體的形成長(zhǎng)大受到阻礙,從而影響效果。

2、 pH 和 堿度

無(wú)機(jī)鹽劑對(duì)水的pH值都有一定的要求。如,鋁鹽:5.5~8.5;鐵鹽:>8.5

堿度對(duì)pH有緩沖作用。以保證鋁、鐵鹽在水解時(shí)引起pH變化而效果下降。

3、水質(zhì)

當(dāng)水的濁度較低,顆粒細(xì)小而均一,投加的劑又少,僅靠劑與懸浮微粒之間相互接觸,很難達(dá)到預(yù)期目的,可以加大劑用量。

當(dāng)水中濁度較高時(shí),用量要控制適當(dāng),防止過(guò)量而引起膠粒再穩(wěn)。

對(duì)高濁度水,劑主要起吸附架橋作用,用量隨捉度的增加而增大。

水中的有機(jī)物質(zhì)會(huì)降低效果。

四、劑

1. 無(wú)機(jī)金屬鹽類劑

如硫酸鋁、氯化鋁、氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵等;•鋁鹽的水解

(1)當(dāng) pH≤4,Al3+以六水合鋁離子[Al(H2O)6]6+為主要存在形態(tài),pH升高,發(fā)生水解:

           [Al(H2O)6]6+==[Al(OH)(H2O)5]2+ +H+

    

       [Al(OH)(H2O)5]2+==[Al(OH)2(H2O)4]+ + H+

[Al(OH)2(H2O)4]+== Al(OH)3(H2O)3↓ +H+

 

(2)當(dāng)pH≥4時(shí),羥基合鋁離子增加,各離子的羥基之間還可能發(fā)生架橋連接(羥基架橋),產(chǎn)生多核羥基配合物,繼續(xù)水解。水解與縮聚交錯(cuò)進(jìn)行,生成聚合度極大的中性氫氧化鋁,終沉淀。

 

 

                                          OH

2[Al(OH)(H2O)5]3+ ==[(H2O)4Al        Al(H2O)4]4+ +2H2O

                                          OH

 

在鋁鹽的水溶液中,存在著:

①簡(jiǎn)單成分:Al3+、AlOH2+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等;

②聚合成分:[Al6(OH)14]4+、[Al7(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等。

均發(fā)揮作用,其中以高價(jià)的聚合正離子作用尤為重要。

下圖是水中無(wú)其它復(fù)雜離子干擾時(shí),濃度為10-4mol/L的鋁鹽在達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),個(gè)種水解產(chǎn)物的濃度與水的pH值間的關(guān)系。

 

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