固液分离技术固液系统的性质PPT课件

1、 在第二章的学习中，我们了解到固体颗粒的粒度对于固液分离过程的 影响是多方面的： 第二章内容回顾 Chapter 3 固液系统的性质 1）颗粒粒度是决定固液两相间相对运动速度的主要因素之一； 2）颗粒粒度在过滤过程中对滤饼结构影响很大； 3）颗粒粒度与固液界面的面积紧密相关。 固液分离过程中根据什么来选择何种固液分离方法和设备？ 粒度(m) 浓度 方法与 设 备 d55d50d50 低高低低高 絮凝、凝聚 深层过滤 筒式过滤 预涂层过滤 沉淀离心机 滤饼过滤 真空过滤机 压滤机 沉降槽 离心机 旋流器 筛分机 过滤 离心机 筛分机 依据处理对象中固体颗粒的粒度、固相的浓度以及固液系统的性质。

2、浓缩机浓缩机 1）水的极性（polarity） 在由氢和氧组成的水分子中，电子云分布成不规则四面体形式，其中氧原子在中心，两个 氢原子则位于四面体一个晶面上的两个对角处。氧原子的两对不可分的电子偶则在和氢电 子云相反的方向形成支链。 3.1 固液系统的分离性质 水有什么性质？ 3.1.1 液相的性质 在绝大多数工业部门，构成悬浮液的液相是水，这里首先介绍水的基本性质。 显然，水分子结构中的正负电荷的中心是不重合的，因此水分子是极性分子。正是这种分子极性 使水具有一系列独特的性质。 从上图中水分子的电子云分布可以看出，氢原子在给出自己唯一的电子与氧原子 形成共价键后，原子核几乎“裸露”出来，这使

3、它很容易吸引其它强负电性元素（如 O、N、F、Cl等）的电子云而形成“氢键”。 “氢键”是水分子极性的重要体现之 一，它一方面影响到液态水的结构， 一方面还影响到水与固体物料的作用 方式。 研究表明，水分子之间由于氢键可以 发生强烈的缔合作用，以至在液态水 中除了单个的水分子外，还存在所谓 的“瞬时复合体”（如左图所示）。 水的氢键对固液分离会 产生什么影响？ 在存在强负电性元素的固体物料表面，氢键将强化水分子在物料表面的附着状态而不利于固液分离 的进行，要去除这些水分子，必须额外提供打断氢键所需要的能量，这无疑会增加固液分离的难度。 增加难度水分子极性氢键强化附着状态 2）水的粘性（visc

4、osity） 粘性是流体反抗变形的一种性质，这种性质只有当流体在外力作用下发生变形 时才体现出来。从本质上来说，粘性反映的是流体分子间的相互作用。研究流体粘 性的学科称为流变学。 根据流变学的研究，流体所受的剪切应力 与流体的变形率 存在一定的数学关系， 当流体的剪切应力与变形率之间满足线性关系时，即满足牛顿定律 ，该流体 就叫做牛顿流体，如水等。其中 称为动力粘度，通常所说的粘度就是指动力粘度。 水的粘性对于固液分离过程会产生什么影响？ 自然界中的水、空气、各种气体和某些油类都属于牛顿流体。 非牛顿流体有塑性流体、拟塑性流体和胀流型流体。 牙膏就是塑性流体； 高分子溶液、纸浆、泥浆是拟塑性流

5、体； 滤饼、糊状物、油漆、乳化液属于胀流型流体。 粘度主要影响颗粒沉降及过滤时的阻力 粘度越大，颗粒沉降时受到的阻力越大，沉降速度下降，浓缩时间延长，所需浓缩 面积增大； 粘度增大，滤饼比阻增大，过滤速度降低； 液体温度下降，粘度增大，保持矿浆恒温，可降低水的粘度。 水的粘度是温度的函数，在20时为0.001Pas；温度每增高1 ，水的粘度大约降低2%。 可以提高固液体系的温度降低介质粘度从而提高分离效率。 早在人类出现之前，非牛顿流体就已存在，因为绝大多数生物流体都属于现在所定 义的非牛顿流体。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的 “半流体”都属于非牛顿流体。 近几十年来，

6、促使非牛顿流体研究迅速开展的主要动力之一是聚合物工业的发展。 聚乙烯、聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、尼龙6、PVS、赛璐珞、涤纶、橡胶溶液、各种 工程塑料、化纤的熔体等都是非牛顿流体。 化工行业中石油、泥浆、水煤浆、陶瓷浆、纸浆、油漆、油墨、牙膏、家蚕丝再生 溶液、钻井用的洗井液、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、泥石流等也都是非牛 顿流体。 非牛顿流体简述 非牛顿流体在食品工业中也很普遍，如番茄汁、淀粉液、蛋清、酱油、果酱、炼乳、熔 化巧克力以及鱼糜、肉糜等各种糜状食品物料。 有时为了工业生产的目的，在某种牛顿流体中，需加入一些聚合物，在改进其性能的同 时也将变成为非牛顿流体，如为提高石油产量使用的压

7、裂液、新型润滑剂等。 非牛顿流体的奇妙特性及应用 a. 射流胀大 如果非牛顿流体被迫从一个大容器，流进一根毛细管，再从 毛细管流出时，可发现射流的直径比毛细管的直径大。对牛 顿流体，它依赖于雷诺数，其值约在0.881.12之间。而对 于高分子熔体或浓溶液，其值大得多，甚至可超过10。 模片胀大现象，在口模设计中十分重要。 如果要求生产出的产品的截面是矩形的，口模的形状就不能 是矩形，而必须是四边中间都凹进去的形状。 奶酪生产情景 b. 爬杆效应 在一只盛有流体的烧杯里，旋转实验 杆。对于牛顿流体，由于离心力的作 用，液面将呈凹形；而对于非牛顿流 体，却向杯中心流动，并沿杆向上爬， 液面变成凸形

8、，甚至在实验杆旋转速 度很低时，也可以观察到这一现象。 在设计混合器时，必须考虑爬杆效应 的影响。同样，在设计非牛顿流体的 输运泵时，也应考虑和利用这一效应。 非牛顿流体的奇妙特性及应用 c. 无管虹吸 对于牛顿流体来说，在虹吸实验时， 如果将虹吸管提离液面，虹吸马上就 会停止。 但对非牛顿流体，将管子慢慢地从容 器拨起时，可以看到虽然管子己不再 插在液体里，液体仍源源不断地从杯 中抽出，继续进行虹吸。 这种无管虹吸的特性，是合成纤维具 备可纺性的基础。 非牛顿流体的奇妙特性及应用 d. 湍流减阻 湍流一直是困扰理论物理和流体力学 界未解决的难题。然而在牛顿流体中 加入少量高聚物添加剂，却出现

9、了减 阻效应。 减阻效应也称为Toms效应。 在消防水中添加少量聚乙烯氧化物， 可使消防车龙头喷出的水的扬程提高 一倍以上。应用高聚物添加剂，还能 改善气蚀发生过程及其破坏作用。 怎样判断一种流体是否是牛顿流体？ 非牛顿流体的奇妙特性及应用 利用粘度计测试在不同转速下溶液的粘度。如果在不同转速下粘度数据基本一致，就为牛顿流体， 否则为非牛顿流体。 水的表面张力存在增加了固液分离的难度。一般说来，液体介质的表面张力越大，固液分离就越困难。原 因主要是水的表面张力可能增加固体物料中的孔隙水和附着水的含量。由于水的强极性，水具有很高的表 面张力。 3）水的表面张力（surface tension）

10、由于物质表面分子比内部分子，其化学键总处于不平衡状态，从而表面分子比内部分子具有更高的能 量，水表面分子比内部分子高出的能量就是水的表面自由能（即表面张力）。 因此，降低水的表面张力就成为提高固液分离效率的有效途径之一。实际工作中向固液体系中添 加表面活性物质是降低水的表面张力的行之有效的方法! 固相与液相的单独性质和固液系统（悬浮液）有什么关系？ 3.1.2 固液悬浮液的性质 悬浮液中固体含量较低时，通常用固体浓度表示它的一般性质，常见的固体浓度表示方 法如下。 常见浓度表示方法： （1）重量浓度（W） W固体重量悬浮液重量100% （无单位） （悬浮液重量固体重量+液体重量） （2）容积浓

11、度（C） C固体重量悬浮液体积 （tm3） （3）液固比（R） R液体重量固体重量 （无单位） 提高固体浓度，对沉降和过滤等固液分离方法都能达到降低设备尺寸及操作成本的目的。 1）固液体系的稳定性 固液体系的稳定性指固体物料在液相介质中保持均匀分散的能力。影响体系稳定性的因 素见下表。 因素 变化 固体密度 增大 固体浓度 上升 固体粒度 变大 粒度组成 变宽 界面电位 增大 体系温度 上升 搁置时间 延长 稳定性下降增加下降下降增加增加下降 2）悬浮液的流变性 与流变性相关的参数为粘度，一般来说，在相同的体积浓度下， 悬浮液的粘度随分散相粒度的降低及分散度的提高而增大； 颗粒形状越不规则，表

12、面溶剂化作用越强，表面电位越高，体系温度越低，悬浮液的粘度 就越大，固液分离也就越困难。 3）水在固体物料中的赋存状态 固液分离在很大程度上就是固体物料与水的分离，因此，十分有必要了解水在固体物料中 的赋存状态。 水的存在方式有以下几种： 自由水：存在于固体颗粒之间，含量远大于其它形式的水。 易去除，可以借重力作用而无需任何其他外力就可以从固液体系中分离。 毛细水：当固体物料自身含有裂隙，或当 体系的局部浓度较大从而颗粒之间间隙足 够小时，在这些裂隙与间隙中存在的水， 也叫孔隙水。 由于毛细管内外液面上存在着压力差，即 毛细压力，驱动管外的液体进入管内，故 重力作用对排除毛细水无能为力。必须施

13、 加至少等于毛细压力的外压才可能去除毛 细水。 表面水：由于水是极性很强、表面张力很大的液 体，当固体物料具有极性时，水很容易在固体表 面形成一层“水化膜”，这种水化膜就是表面水。 水化膜（表面水）在普通的固液分离过程中与固 体表面之间不发生相对运动，即使在压力作用下 也很难去除，实际工作中通过添加表面活性物质 降低水的表面张力以达到减少表面水的目的。 包裹水：包藏在固体颗粒内部孔隙（这种孔隙是封闭的或通过极细的毛细管与外界相连）中的水称为包裹 水，也叫内在水。 包裹水不能依靠机械分离的方法去除，只有减小颗粒粒度使内部孔隙暴露出来才能释放其中的包裹水，一 般需采用加热的方法。 配位水和结晶水：

14、在水分子的电子云中，氧原子两对不可分的电子偶和氢电子云 相反的方向形成支链，这两个支链使水分子能以配位基形式进入配位化合物中而 形成配位水；水分子中的两个氢原子可以以氢键与固体中的强负电性元素相互作 用而成为结晶水。在同一种化合物中，配位水和结晶水可以同时存在，例如 Cu(H2O)4SO4H2O在化合物中，有四个配位水分子和一个结晶水分子。 配位水和结晶水已经成为固体分子的组成部分，在固液分离过程中一般不考虑。 固液分离过程中水的去除难易程度（由易到难）为：自由水、毛细水、 表面水、包裹水。 4）颗粒表面的电性及润湿性 A颗粒表面的电性 由于水溶液是一种极性介质，当固体物料在水中分散时，其表面

15、与极性水分子相互作用，发生溶解、 吸附、表面电离等现象，从而使颗粒表面荷电。 a. 优先溶解机理：当颗粒在水溶液中时，其表面晶格上的正、负离子受水分子的吸引可能脱离晶 格进入水中，从而使颗粒表面带电。颗粒中正、负离子溶解能力的差异，决定颗粒表面荷电的电性 和电量。 如CaF2(萤石)、BaSO4（重晶石）、PbSO4（铅钒）表面带正电；而CaWO4（白钨矿）表面带负 电。 b. 优先吸附机理：水溶液中不同离子在固体表面上吸附能力 的差异，发生正离子或负离子的优先吸附，从而可使固体表面 带上相应的电荷；许多固体物料在水中带负电，是因为阳离子 半径较小、水化作用较强，因而比阴离子有更大的趋势留在水

16、 中而不被吸附。 c. 电离作用机理：有些固体物料，如石英、锡石等难溶矿 物，在水中先形成酸类化合物，然后部分电离，颗粒表面 则带上负电。 石英零电点为pH=2。pH小于等电点，表面荷正点；大于零电点，表面荷负电。 固液界面电荷的存在，导致所谓的界面双电层，进而影响固液体系的稳定性。 B 颗粒表面的润湿性 润湿角越小，固体表面的润湿性越好，即固体表面的亲水性好。在固液分离过程 中，希望固体物料的润湿性越差越好。一般可通过加入适当的表面活性物质达到 此目的，助滤剂就能够起到这个作用。 固体颗粒表面荷电后会对固液系统产生什么样的影响？ 3.2.1胶体的凝聚（coagulation）与絮凝（floc

17、culation） 根据分散在液相中的固体颗粒的粒度大小，可将固液混合体系分为胶体和悬浮液两大类。 固体粒度为10-610-9m的固液分散体系称为胶体； 固体颗粒大于10-6m的称为悬浮液。 3.2 固液系统的胶体性质及絮凝理论 当悬浮液中的颗粒达到胶体级别时，胶体粒子在溶液中作布朗运动，重 力场对它的作用已经微不足道，普通的过滤、沉降都不能有效地进行固 液分离，这时采用凝聚与絮凝是最有效的手段。 凝聚与絮凝的目的：使微细粒子聚合成大的凝聚体，以加速细粒沉降和 过滤，提高澄清能力，从而达到固液分离的目的。 凝聚与絮凝都是使胶体或悬浮液中微细颗粒聚集而使颗粒尺寸变大的过 程，但其机理有很大区别。

18、 凝聚：依靠电解质（即凝聚剂通常为含多价离子的电解质）对固 体悬浮颗粒表面上的双电层的压缩或消除，而降低微细颗粒间的排斥 能，使悬浮液中微细颗粒聚集而使颗粒尺寸变大的过程。 原互相排斥的颗粒： 消除表面电荷，压缩双电层，发生电性中 和相互凝聚成团 一般凝聚对于胶体粒子或悬浮液中的微细粒子作用明显，所产生的凝聚体粒度小、密实、易碎， 但碎后又可重新凝聚，即过程可逆。 特点 絮凝：通过高分子聚合物（即絮凝剂通常为含有极性官能团的聚合物）在分子 上吸附多个微粒，依靠架桥作用，使多个微粒形成絮团。 絮凝产生的聚集物要大得多（凝聚体或小絮团也可被絮凝），絮凝体粒度粗、疏松、强度较大， 但碎后一般不再成团

19、，即过程不可逆。 特点 3.2.2 凝聚 3.2.2.1 颗粒间的相互作用 (1) 范德华（van der Waals）引力作用UA 范德华引力存在于一切分子、原子之间。 分子间的范德华（van der Waals）力作用，主要有： 德拜（debye）诱导（inducement）作用：永久偶极子与诱导偶极子之间的作用； 基轰（keesom）定向（orientation）作用：永久偶极子与永久偶极子之间的作用； 伦敦（london）色散（dispersion）作用：瞬时偶极子与瞬时偶极子之间的作用。 一般色散作用占支配地位。同一物质颗粒间的范德华作用永远是相互吸引的。 Debye London

20、Keesom d h A U a A 12 物理学中，把大小相等、符号相反、彼此相距为d的两个电荷(+q和-q)组成的体系称为偶极 子，其电量与距离之积就是偶极矩（)。 【永久偶极】又称固有偶极。指极性分子本身具有的偶极。这是由于极性分子中电荷分布不 均匀，正电荷重心与负电荷重心不重合造成的。每个极性分子就是一个偶极子。 极性分子具有的极性，与电场无关。在电场中， 极性分子的固有偶极取向发生取向极化。 【诱导偶极】分子在外电场的作用下，正、负电荷重心分化而产生的偶极叫做诱导 偶极。 外电场作用下，分子发生变形极化，产生诱导偶极，使分子的极性增加。电场撤去，诱导偶极消 失。 【瞬时偶极】由于分子

21、中电子和原子核的不断运动，经常发生电子云与核之间的瞬时位移 而产生的偶极，称作瞬时偶极。这种现象是不断消失又不断发生的，时间虽短暂，但经常 存在。 瞬时偶极存在时间极短，却反复发生。分子 产生瞬时偶极后，瞬时偶极必定采取异极相 邻状态，此状态不断重复而产生的吸引力就 是色散力。 (2) 双电层静电作用UR 荷电的颗粒表面吸引分散介质中的反离子，排斥同名离子，结 果在固液相界面两侧产生电荷符号相反、数量相等的双层电荷 分布结构。 带电的颗粒和双电层中的反离子作为一个整体是电中性的，因此，只要彼此的双电层不交联，两个 带电质点之间就不存在静电斥力。 当质点接近到一定位置，它们的双电层发生重叠，改变

22、了双电层的电势与电荷分布，就产生排斥作 用。 )exp( n64 2 0 2 0 ha T U R (3) 溶剂化作用Us 颗粒表面的溶剂化膜的存在是溶剂化作用的来源。当两颗粒相互接近时，除了分子吸引及 静电排斥作用外，当间距减小到溶剂化膜开始接触时，便产生溶剂化作用。 水化膜的排斥能为US。 (4) 疏水化作用UHy 疏水化作用是发生在水中的疏水颗粒间的相互吸引作用。 颗粒间疏水作用发生在1025nm的范围内，其作用能很 大，通常比颗粒间静电作用及分子作用能大10100倍。 位阻效应是有非离子表面活性剂，尤其是高分子聚合 物存在的体系，使胶体或悬浮液稳定的一个重要作用。 当吸附有高分子的颗粒

23、相互靠近，使高分子吸附层开 始接触、重叠时，便会产生吸附物之间的相互穿插或 吸附层之间的相互压缩。穿插作用可表现为引力或引 力，压缩过程则总表现为斥力。 (6) 高分子桥联作用 高分子聚合物借助于其长碳链的活性基团的作用，可以吸附在液相中的固体颗粒上， 又由于其较长的线状结构，并且每个高分子聚合物一般都有众多的可吸附于颗粒表 面的基团，所以同一个分子的聚合物可以同时吸附在多个颗粒上，将颗粒联结在一 起的作用称为“架桥”或“桥联”作用。 (5) 位阻效应（steric effect）Uster 3.2.2.2 DLVO理论 1941年前苏联的德查金（Derjaguin）和兰丹（Landau） ，

24、1948年荷兰的瓦韦（Verwey）和 奥弗贝克（Overbeek）分别提出了经典的DLVO理论。 这一理论认为，带电胶体之间存在着两种相互作用力：颗粒间的长程范德华引力和双电层重叠时 的静电排斥力。根据DLVO理论，胶体和悬浮液的稳定或凝聚取决于它们之间的相对关系，颗粒 间的作用势能可用下式表示 UT=UA+UR 在很大或很小的间距时，UA往往超过UR占支配地位，在中等间距时，UR在数值上可能大于或小 于UA。 DLVO理论是关于憎液溶胶的稳定性理论。或称之为同相凝聚理论。它 是用粒子间引力和斥力的大小来说明同性粒子的分散和凝聚的一种理论。 3.2.2.3 DLVO理论的扩展 经典的DLVO

25、理论除范德华作用和双电层静电作用外，并没有考虑前面提到的溶剂化作用等 其他形式的作用能。而在许多特定的场合，这些作用对分散体系的稳定和凝聚的贡献非常 大，有时甚至可以占支配地位。因此，许多学者对DLVO理论进行了扩展，扩展的的作用能 可以这样表示 UT=UA+UR+UHy+Uster+ 即分散体系凝聚与否取决于体系中各种作用势能的相互关系。 3.2.3 胶体表面的双电层模型 一般，颗粒表面都会带有一定的电荷，颗粒表面带电的原因在前面已经介绍过，这里不再重 复，这里主要介绍双电层模型。 荷电的颗粒表面对液相中的反号离子进行静 电吸引，对同号离子进行静电排斥，其结果 是在固/液相界面两侧出现电荷符

26、号相反， 数量相等的电荷分布的双层结构，即双电层 模型。 由附着的阳离子构成的第一层称为stern层， 它与颗粒表面连接紧密，当颗粒运动时也一 起运动，故也称为紧密层，一般厚度仅为 0.6nm；其界面称为剪切面。 剪切面与分散介质之间的电位叫zeta电位（ 电 位）。 电位的值就是前面提及的双电层斥力作 用能UR， 电位是使得胶体和悬浮液稳定存在的 重要因素，在固液分离过程中，经常需要采取一 些方法改变电位。 一般是加入电解质，引入相关的高价离子破坏颗 粒的双电层，从而降低电位和斥力作用能UR， 使颗粒凝聚。 一般情况下： 电位的大小取决于：表面电位以及反离子的浓度和所 带电荷。 反离子的电荷

27、及浓度越高，电位就越低。 可由下图中看出： 10-8 10-6 10-4 10-1 电位的作用：降低电位可导致颗粒凝聚。 反离子的电荷愈大， 电位降低愈厉害。 反离子对双电层的影响 如何降低电位？ .通过改变pH或改变离子的种类和浓度来实现； .通过加入高电荷的反号离子来达到降低电位的目的。 反号离子对电位的影响： 凝聚作用原理 电解质的凝聚作用在于：破坏分散体系的稳定性。 在分散体系中能够保持固体颗粒分散的因素有以下二个： 一是：双电层斥力 双电层斥力使颗粒带同样电荷而互相排斥。 二是：水化膜的存在 水化膜的存在可阻止颗粒直接接触，形成亲液胶体。 上述二个原因，使颗粒保持分散状态。 对于颗粒

28、的凝聚来说，可以通过下列两个作用达到凝聚： 压缩双电层：加入与颗粒电荷相反的离子，降低电位。使静电斥力减小，颗粒相互聚合。 除去水化膜：当颗粒的电位降低至接近0时，实际失去电性，同时解除水化膜，颗粒凝聚。 对它们的作用可通过以下示意加以说明： 带电荷的亲液溶胶 带电荷的憎液溶胶 水合作用（产生水化膜） 水合作用（产生水化膜） 去水作用（除去水化膜） 去水作用（除去水化膜） 充电（产生定位离子）充电（产生定位离子） 放电（压缩双电层） 无电荷的亲液胶体沉淀微粒 上述这一过程为可逆过程。 颗粒的凝聚机理 3.2.4 临界聚沉浓度和凝聚剂 3.2.4.1 临界聚沉浓度 胶体的稳定性主要取决于总势能上

29、势垒的大小，势垒高度随溶液中电解质浓 度的加大而降低，当电解质浓度达到某一数值时，势垒曲线最高点恰好为零， 势垒消失，体系由稳定转为凝聚，这是的电解质浓度即是该胶体临界聚沉值。 根据Stern双电层模型，影响双电层的主要是反离子浓度，起聚沉作用的主要是 反离子，反离子的价数越高，聚沉效率越高。一般来说聚沉值与反离子的价数 的六次方成反比，即为Schulze-Hardy规则。 3.2.4.2 凝聚剂 无机盐凝聚剂的金属离子应和颗粒所荷离子的电性相反，且离子价态越高，凝 聚作用就越强。 由于大部分物质的颗粒带负电，因此工业上常用的凝聚剂多为阳离子型。主要 有： （1）无机盐类 硫酸铝，硫酸铝钾（明

30、矾），硫酸铁和硫酸亚铁，碳酸镁、铝酸钠；氯化铁， 氯化铝，氯化锌等。 （2）金属氢氧化物 氢氧化铝，氢氧化铁，氢氧化钙 （3）聚合无机盐 聚合铝，聚合铁等。 3.2.5 絮凝 如前所述，絮凝是通过高分子聚合物在分子上吸附多个微粒，依靠架桥作用，使多个微粒团聚成较 大颗粒。絮凝剂在颗粒表面主要有以下一些吸附机理。 3.2.5.1 絮凝剂在颗粒表面上的吸附力 絮凝剂分子是依靠多个官能团在颗粒表面多个位置上吸附的，吸附作用可以是物理吸附（长距力） 也可以是化学吸附（短距力）或两者都有。 1）物理吸附 a 静电作用：这是聚电解质型絮凝剂在带异号电荷颗粒表面上吸附的主要作用，其作用能大于 41.84kJ

31、/mol。 因此，这种作用产生的吸附几乎是不可逆的，典型的例子是阴离子型的聚丙烯酰胺在荷正电荷的萤 石、重晶石、方解石上的吸附，以及阳离子型的聚丙烯酰胺在荷负电的粘土上的吸附。 1）物理吸附 b 偶极吸引作用：非离子型絮凝剂可由偶极或诱导偶极在离子晶体上吸附。如非离子型的 聚丙烯酰胺在萤石上的吸附，这种作用的键能较弱，小于8.368kJ/mol。 c 范德华作用：这种作用是暂时偶极作用，其能量范围为8.36841.84 kj/mol，在分散 颗粒间普遍存在这种相互作用。 d 疏水作用：絮凝剂分子的某些非极性基（如苯环等）与疏水颗粒表面的作用。 2） 化学吸附 a 化学键：絮凝剂的官能团与固体表

32、面上金属离子通过共价键或 离子键形成不溶解的化合物。如聚丙烯酸在含钙矿物如方解石、 白钨矿上的吸附，在固体表面上形成了丙烯酸钙的沉淀。这种化 学键的键能通常大于41.84kJ/mol。 b 配位键：絮凝剂可借配位键在固体表面上形成络合物或螯合物而 固着。如聚乙烯亚胺对碳酸铜的絮凝及螯合，聚合物聚丙烯酰胺乙 二醛的双羟缩苯胺（PAMG）对铜矿物的絮凝等。 2） 化学吸附 c 氢键：当有机化合物中的氢原子与负电性强的原子连接时，这个氢原子能够从固体 表面的原子接受电子而形成氢键，键能为8.36841.84 kJ/mol。 当颗粒表面和絮凝剂所带电荷的符号相同时，氢键往往是絮凝剂分子在颗粒表面上吸

33、附的主要作用力之一。如聚丙烯酰胺在氧化物表面氢氧基上的吸附。 3.2.5.2絮凝作用原理 絮凝作用主要两种： 吸附絮凝作用（又称疏水凝聚）：即关于表面活性物质的吸附絮凝作用。 这种吸附是指：表面活性物质在颗粒表面上的定向吸附，在它们吸附之后，它们的非极性 端向水，形成所谓的不润湿表面，使颗粒彼此粘合而形成絮凝体。 架桥絮凝作用：即高分子聚合物的架桥絮凝作用。 这种作用是指：用高分子絮凝剂（如淀粉或聚电解质），通过桥键的作用， 把微粒联结成一种松散的、网络状的聚集状态，使颗粒形成絮凝体。 高分子聚合物可分为非离子型和离子型聚合物二种。 a、非离子型聚合物作用原理 非离子型聚合物：如天然多醣类（淀

34、粉（C6H10O5）n等）。 特点：分子量大， 聚合度n可达几千， 分子为长线形并含大量的羟基官能团-OH。 作用原理：多醣类分子依靠自身羟基官能团-OH上的H，与固体颗粒表面形 成氢键并吸附于颗粒上，此时分子的一部分吸附于一颗粒上，另一部分则吸附于 另一个颗粒上，使颗粒彼此联系成为凝聚体。 氢键 多醣类分子（长线型） 矿粒 絮凝体 多醣类的絮凝机理（氢键） b、离子型聚合物（又称聚合电解质）作用原理 絮凝作用包括：表面电性中和（即吸附）架桥二个过程。 1）对表面带负电的颗粒：选择阳离子电解质，通过电性中和，吸附 于颗粒表面，而后通过架桥作用形成絮凝体。 这一过程可以如下图解示出： 由上图可以

35、看出聚合电解质的絮凝作用分三步实现： （）电性 中和产生静电吸附 （）架桥 （）絮团 注意：聚合物的絮凝能力取决于它的电荷密度及分子量，用量不宜过多。 适宜的用量应为：适宜用量为：0.10.15mg/L 当高分子聚合物过量时，将会出现胶溶作用，无法架桥，各粒子间被聚合 电解质包围而不能互相粘结成絮团。 2）对表面带正电的颗粒：选择阴离子电解质。 3）对带负电的颗粒，若使用阴离子电解质时，应先加低分子的无机电 解质（Ca2+、Al3+），先行中和电性后再加入阴离子型聚合物进行絮团。 3.2.5.3 絮凝剂 1）无机物 包括酸碱、铝盐、铁盐和活性硅。 2）天然高分子 包括淀粉、胶与明胶、瓜尔胶、丹

36、宁等。 3）合成高分子 包括非离子型、阳离子型和阴离子型。 如聚丙烯酰胺、聚乙烯胺等。 絮凝剂的选用方法 由于不同的悬浮液对应的最佳絮凝剂也有很大的区别，因此实际生产中絮凝剂的用量、浓度、搅拌 强弱、添加快慢、处理时间等都需要通过试验来确定。 在颗粒沉降的过程，不同颗粒具有不同的特征，但根据固相浓度的不同，可以将沉降分为 自由沉降和干涉沉降。沉降过程中，最重要的参数就是沉降速度，下面主要讨论自由沉降 速度和干涉沉降速度。 3.3.1 自由沉降速度 斯托克斯方程见下式 斯托克斯方程的适用范围： 颗粒处于自由沉降状态下 （一般要求溶液的浓度不大于3%）； 雷诺数小于1.0； 处于层流区。 3.3

37、颗粒的沉降性质与悬浮性质 0.1Re,18/ 2 gdu Lspt 另外，在自由沉降状态下，当雷诺数大于1.0时，则到达湍流区和过渡区，相应的沉降速 度方程见下式 3.3.2 干涉沉降速度 当悬浮液的浓度增大后，由于颗粒之间运动的相互影响，使得颗粒沉降不再满足自由沉 降，此时称为干涉沉降。 50000Re,/741.1 2/1 LLspt gdu 50000Re0 .1 ,/1528.0 4 .1/1 4 .0 6 .0 6 .1 LLspt gdu 艾仑公式 牛顿公式 利用重力作为推动力进行沉降作业，由于不需另外的能量，一般来说是最经济的沉降分离方法， 即重力沉降。 但对于某些微细颗粒，仅依

38、靠重力达不到沉降的要求，需要人为的引入离心力来强化沉降，此时 即为离心沉降。 3.4.1 重力沉降 重力沉降可以分为3种类型： 1）澄清（clarification）：目的在于回收溶液。 2）浓密（thickening）：也叫浓缩，目的在于回收固体。 3）分离（separation） ：澄清与浓缩兼顾，同时回收溶液和固体，一般需与过滤作业配合。 3.4 重力沉降与离心沉降 3.4.2 重力沉降理论及相关模型 重力沉降在实验室内操作和在工业生产中连续作业是两个不同的概念。 重力沉降：是利用固体与液体的密度差，颗粒受自身重力作用沉降，使悬浮液分为澄清液和浓浆，最 终达到固液分离目的。这种过程称为浓

39、缩式浓密过程。 浓缩机 浓浆 c=5070% 有时70% 悬浮液 c：125% 澄清液 此方法耗电低、费用少，是细粒悬浮液进行的初步脱水的最常见单元操作。 3.4.2.1 间歇沉降实验 实验室一般采用量筒进行间歇沉降实验。在以澄清液面随时间的改变表示沉降速度的时候， 沉降曲线和沉降过程见下图。 实验目的： 确定悬浮液的沉降速度，得出沉降曲线。 实验方法： 在刻有刻度的量筒中，将悬浮液给入量筒，经均匀搅拌，静置观察。 A清液区 B等浓度区 C变浓度区 D沉淀区 间歇沉降过程特点： 沉降开始之前：上下浓度均匀，存在单一B区； 沉降开始之后：颗粒粒度大沉降快； 底部：经一段时间沉降，浓密的浆体和粗颗

40、粒逐渐堆起，形成压缩区D区； 澄清区（A区） 沉降区（B区） 过渡区（C区） 压缩区（D区） 把B区消失时称为：临界点 上层：随沉降时间推移，在上层，澄清液体出现，称为A区 澄清区； 沉降区B区：在澄清区以下是沉降区，沉降区的浓度与开 始沉降前的悬浮液浓度相同； 沉降区与压缩区之间存在一个过渡区C区。这一区域在沉 降区与压缩区之间并无一明显界限。 沉降结束时：沉降区逐渐减少以至消失，过渡区也随之消失， 最后仅剩下澄清区和压缩区。 澄清区（A区） 沉降区（B区） 过渡区（C区） 压缩区（D区） 由右图也可以看出： 沉降开始前，悬浮液分布均匀，只存在B区沉降 区； 经过短暂时间后，量筒中出现若干分

41、区。最上层 是澄清区A，其下是沉降区B，有时AB两区分界 面不清，难以判断。D区为压缩区，在该区内颗 粒或絮团借自身的压挤和相互干涉作用而沉降， 其沉降速度比B区的沉降速度小得多，BD两区间 没有明显的分界面； 沉降过程中，AB界面等速下移，该速度为为该 浓度悬浮液的表观沉降速度。 到达沉降终点时，B区消失，压缩区达到最终浓 度。 从以上分析的间沉降过程可知 在ab的过程中，沉降速度是恒量，即此时的浓度仍能基本保证自由沉降； 等到bc段，由于浓度增大，颗粒开始干涉沉降，沉降速度逐渐减小。 所以在沉降实验中，一般开始时记录时间间隔较短，随着沉降过程的进行，记录时间间隔增大， 最后一次读数距试验开

42、始可达24h以上。 根据沉降作业目的的不同，沉降过程的决定性因 素也不同： 澄清作业中，为了取得尽可能清的溶液，主要关 心澄清液面的沉降速度，其他的均为次要因素； 浓密作业时，为了获得稠厚的产品，不但要考虑 沉降速度，还要对底部固体浓度、积累速度、压 缩速度等进行调整，以获得最佳的生产指标，并 且沉降设备也要具有相应的特点，如较高压缩段。 3.4.2.2 连续生产的浓密机 道尔沉降槽（Dorr thickenner）是工业上使用的标准浓密机。待分离的悬浮液从导流桶上部 给料，然后从导流桶下端按水平方向分布在浓密机的截面上。在这个过程中固体颗粒受重力不 断下沉，经历等速沉降段、过渡区、最后经压缩

43、区，然后由底部的耙齿耙向中心，于槽底中央 排出，即底流。 排浓缩物 A B C D E A区：澄清区 B区：沉降区 C区：过渡区 D区：压缩区 E区：耙子区 给料(浆体) 在连续操作的浓缩机中，浆 体沉淀过程的分区情况与沉 降实验基本相同，分ABCD 区，不同的是，在压缩区D 区下面，增加了一耙子运动 的锥形区E区，主要用作 有效排除沉淀物质。 以上过程是理论才可能存在的，但在实际工作中，为了简化，可以假定固体颗粒在整个截面上 均匀分布。在这种情况下，有浓密机的物料平衡式P65公式（3-31）（3-35）。 ouF QQQ oouF QQQ uF ）（）（）（ oouF QQQ111 uF u

44、F QQ uF 0 o ouF QQQ）（）（ uF 11 总物料 固体 液体 其中下标F、u、o分别表示进料（Feed）、底流（underflow）和溢流（overflow）。 若则 3.4.2.3 科-克来文杰（Coe-Clevenger）模型（简称C-C模型） 科-克来文杰对于前面所说的连续沉降过程，提出三个假设： （1） 等速沉降区，即B区：固体浓度等于进料悬浮液中固体的浓度。该区内为等速沉降阶段，有 uB=H/ t=（Ha-Hb）/（tb-ta） （2） 干涉沉降区，即C区：对已知粒度及密度的颗粒，其沉降速度为该区固体浓度的函数 uc=f（） 其中uc为颗粒的沉降速度；f（ ）为固体

45、的体积浓度。 （3） 在稳态下操作的浓密机，需满足Ql/A uB 。其中A为浓密机的水平截面积。 当满足上述三个假设，且溢流中不含有固体时，可得到以下关系式 该方程即C-C方程，可以用于计算浓密机的面积。须对于不同浓度（浓度范围在给料和底流之间） 的悬浮液进行沉降实验，确定各浓度悬浮液的沉降速度，取最小值进行设计。计算出浓密机的面积 结果一般偏小。 uF QQQ uF 固体流量： ）（）（ uuo 11QQQ液体流量： 两式联立： FFuFFuuFF /)1(1QQQQQQ）（ )/1/1(/ uFFuFF QQQ 两边同除以A： )/1/1)(/(/ uFFo AQAQ ） u /1/1(

46、Gu c 或改写为： 3.4.3 离心沉降 （1）离心力 （2）分离因数 指固体颗粒在离心力场中所受的离心力与重力场所受力之比。即 （3）离心力场中的沉降分离 离心力场中颗粒沿径向加速沉降，将重力场的加速度换成离心加速度可得离心力场中各区的沉降速 度，见P71式（3-55）（3-56）（3-57）。 离心沉降的效率在层流区最高。 （4）离心沉降的分离极限 一般重力沉降分离很难处理5m以下的颗粒。离心沉降也有个极限直径的问题 P71式（3-58） 临界分离因数为 P72式（3-59） )4( 222 nmrmrF r grnmgmrFFf grr /4/ 222 4/12 )/(732.1)(r

47、Td lscr gdTf lscrpcrr )()/(732.1)( 44 过滤是指采用某种介质以阻挡或截留悬浮液中的固体，达到固液分离的目的。 3.5.1 过滤介质的材质及结构 凡能使工作介质通过又将其中固体颗粒或液滴截留以达到分离或净化目的的多孔物流称为 过滤介质。 它是各种滤芯滤器的关键组成部分，过滤介质的选用直接关系到过滤系统工作能力高低及 过滤效果的好坏。 3.5 固液系统的渗流理论及过滤介质 3.5.1.1过滤介质的种类及性能 按滤除固体颗粒的机理可分为：表面型过滤介质，深度型过滤介质，磁性过滤介质。 （1）表面型过滤介质 这种过滤介质在工作时靠一个表面截留固体颗粒，达至工作介质净

48、化分离的目的。由于固 体颗粒都容易聚积在靠近上游的一个几何平面上，因此容易被颗粒堵塞，失去过滤能力。 所以它的过滤容量一般较低，需经常进行清洗或更换。编织多孔网属于典型的表面型过滤 介质。 （2）深度型过滤介质 深度型过滤介质为可透性材料，内部具有大量的半通孔及贯通孔。它的过滤作用发生在 整个厚度上。一部分固体颗粒被阻挡在靠近上游的表面，一些较小的粒子进入过滤介质 内部，在收缩，膨胀，水力效应等作用下吸附在孔壁上，或因桥架、流体方向改变引起 沉积得到滤除。 因此，深度型过滤介质的过滤容量较大， 过滤效果较表面型过滤介质为好，寿命也较长。 但清洗效果相对较差。 （3）磁性过滤介质 这种过滤介质以

49、滤除铁屑类颗粒为主，利用磁性作用吸附固体颗粒，应用范围较小。 过滤介质为多孔材料，一些过滤介质的类型见P73表3-7。 常见的包括：金属丝编织网 、多孔陶瓷 、多孔塑料 、打孔板 、聚合膜 、滤纸 、滤毡 、 单丝编滤芯 、金属粉末烧结滤芯 等。 3.5.1.2 过滤介质的选择应用 过滤介质的种类繁多，性能各异。如何选择合适的过滤介质，是过滤器、过滤机及液压系统设计中重 要的一环。下面介绍过滤介质选择对应着重考虑的几点。 （1）工作介质中固体颗粒的大小及分布 根据工作介质中固体颗粒的大小及分布决定滤除固体颗粒所需的过滤精度，然后选择能满足该过滤精 度的过滤介质。 （2）固体颗粒的浓度 固体颗粒

50、在工作介质中浓度越大，过滤介质单位时间为滤除的颗粒就越多，流量压降越大，就越容易 堵塞孔道。因此就需要选择具有大过滤容量的过滤介质。 （3）工作介质pH值 根据工作介质pH值的大小，选择适于该pH值环境的过滤介质。 （4）环境温度 不同的过滤介质耐受温度的能力相差很大，所选择过滤介质必须能适应正常的工作温度。 （5）工作状态 过滤介质的选择应考虑系统的工作状态。在振动，冲击较大时，工作状态就需要过滤介质有较大的 强度。因价格或拆装困难等原因对寿命有一定要求时，就要考虑过滤介质的过滤容量、耐磨性、流 阻特性等。 （6）经济性 在过滤介质满足性能要求的同时，其经济性也是不容忽视的。在非重要场合就可

51、能不用价格昂贵的 过滤介质。 （7）对工作介质的适应性 在食品，饮料，医药等行业，应避免使用能给人体带来危害的过滤介质。 3.5.2 过滤机理 下面介绍四种过滤机理： 1 ）表面拦截（surface straining） 对于粒径大于介质滤孔的颗粒进行拦截。 2） 深层拦截（depth straining） 当介质的内部孔道不规则，一些较小的颗粒，在 介质孔道内穿行时遇到微孔或孔道变窄而受到拦 截。 多发生在滤毡类介质中。 3）深层过滤（depth filtration） 当颗粒尺寸小于介质孔道直径时，不能在过滤介质表面形成 滤饼，这些颗粒便进入介质内部，借惯性和扩散作用趋近孔 道壁面，并在静

52、电和表面力的作用下沉积下来，从而与流体 分离。 深层过滤会使过滤介质内部的孔道逐渐缩小，所以过滤介质 必须定期更换或再生。用砂滤法过滤饮用水是深层过滤的实 例。 这种过滤适于悬浮液中颗粒小、含量甚微（固相体积分数在 0.1% 以下）的场合。 4）滤饼过滤（cake filtration） 在一般情况下，过滤开始阶段会有少量小于介质通 道直径的颗粒穿过介质混入滤液，但颗粒很快在介 质通道入口发生架桥现象，使小颗粒受到阻拦且在 介质表面沉积形成滤饼。此时，真正对颗粒起拦截 作用的是滤饼，而过滤介质仅起着支撑滤饼的作用。 滤饼过滤适于处理固体含量较高的悬浮液。（固相 体积分数约在 1% 以上） 课后作业一 1.试推导出球形颗粒在某介质中自由沉降的速度公式。 2.某料浆中1kg固体颗粒带有5kg的水，要在一连续沉降槽中浓缩到1kg固体颗粒只带 1.5kg的水，若给料固体质量流量为8kg/s,固相密度为2100kg/m3,试计算该沉降槽理 论上所需的最小面积。 附：通过间歇沉降试验测得的料浆表观沉降速度为 料浆固液比 C kg（固）/kg(液） 1/5.01/4.21/3.71/3.11/2.5 表观沉降速度ut（mm/s) 0.2000.1200.0940.0700