化工絮凝技术培训

1、1 絮凝技术胡勇有华南理工大学环境科学与工程学院2007年3月7月2n胡勇有n办公室电话：3 授课方式n课堂学时：30学时n讲座方式：讲7次，5次理论，2次实例n讨论：1 2次n课外：100学时4 考试方式n闭卷考试n大作业：v工程实例（包括：水质水量、工艺流程简图及流程说明、主要构筑物参数、药剂、运行参数、运行结果等）v论文（研究论文、综述论文等）要求按正式编辑论文格式5 cacl3 h2so4 fecl3 助凝剂 反冲出水回储水池 naoh 进水 清水反冲 污泥 h2so4 naoh ph报警器 出水 图1 工艺流程框图 ph 调节反应罐 絮凝反应罐 沉 淀槽 砂 滤器 板框压滤 污 泥浓

2、 缩罐 离子交换系统 出水 ph调节罐 储水罐 安全槽 放流槽 6 问题n为什么要调节ph值？n加入cacl3的作用是什么？n加入fecl3的作用是什么？n加入助凝剂的作用是什么？n沉淀后为什么还要过滤？又为什么还要经离子交换处理？7 第一章 概 论 第一节 前 言v掌握凝聚的基本理论v絮凝作用机理、动力学v影响絮混凝效果的各种因素v掌握絮凝技术的研究方法：性能、机理、药剂制备、应用(筛选、工艺条件优化）v了解絮凝技术的发展方向和前沿问题8 第二节 参考书目水化学天然水体化学平衡导论 aquatic chemistry w.stumm j.j.morgan 汤宏霄译，科学出版社，1987当代给

3、水与废水处理原理讲义许保玖、胡家骏编著，清华大学出版社，2001论水的混凝 巴宾科夫著，郭连起译，中国建筑工业出版社，1986高分子水处理剂（日）永泽编，译本絮凝技术（英）r.艾克斯著，原子能出版社，1981絮凝化学和絮凝剂马青山，贾瑟等，中国环境科学出版社，1988theory and practice of solid-liquid seperation uni.of houston 1975固液分离，（英）l.svarovsky著 ，原子能出版社投药与混合技术朱月海编著，中国环境科学出版社，1992化学絮凝剂作用原理徐晓军，2005科学出版社微生物絮凝剂胡勇有，2006，化工出版社9 第

4、三节第三节 中文现刊中文现刊qx1 环境科学学报qx2 环境科学研究qx3 环境科学与技术qx7 化工环保qx8 环境qx9 环境保护科学qx16 环境科学丛刊qx17 环境工程10 中文现刊中文现刊qx18 环境污染与防治qx19 中国环境科学qx21 中国环境监测qx22 环境导报qx2.0 国外环境科学技术qx 环境化学qx1 环境科学11 中文现刊px1.10 长江流域资源与环境qtq08.6 工业水处理qtq08.2 水处理技术qtq08.8 化工给排水设计qtu79-7 给水排水qtu719 中国给排水12 第四节 英文现刊qx51/c07 water researchqx5/b1

5、4 environmental progressqx5/lb02 water air &soil pollutionqx503/b10 eco-toxicology & environmental safetyqx505/b03 pollution engineeringq715b84-2 research journal of water pollution control federation (jwpcf)13 英文现刊qtu991/b05 water environmental researchqtu991/c03 water servicesqx/b12 enviro

6、nmental science & technologyqtu993/c06 water &waste treatmentq057/lb02 surface scienceq0648/lb03 advances in colloid & interface science14issn 号号 外外文文刊刊名名 确确保保 重重要要 订订购购刊刊号号 0043-1354 water research 水水研研究究（英英） 0006-3568 bioscience 生生物物科科学学（美美） 8756-7938 biotechnology progress 生生物物技技术术进进展

7、展（美美） 0022-1260 journal of general & applied microbiology、the 普普通通与与应应用用微微生生物物学学杂杂志志（英英） 0343-8651 current microbiology 现现代代微微生生物物学学（德德） 0175-7598 applied microbiology and biotechnology 应应用用微微生生物物学学与与生生物物技技术术（荷荷） 0916-8451 bioscience biotechnology and biochemistry 生生物物科科学学、生生物物技技术术与与生生物物化化学学（日日）

8、 0954-5824 environmental engineering 环环境境工工程程（英英） 1355-770x environment and development economics 环环境境与与发发展展经经济济学学（英英） 0032-3640 pollution engineering 污污染染工工程程（美美） 0147-6513 ecotoxicology and environmental safety 生生态态毒毒物物学学与与环环境境安安全全（美美） 0278-4491 environmental progress 环环境境进进展展（美美） 1061-4303 water

9、environment research 水水环环境境研研究究（美美） 0894-0630 journal of the air & waste management asso.空空气气和和废废物物管管理理协协会会志志（美美） 0013-936x environmental science & technology 环环境境科科学学与与技技术术（美美） 0736-2501 noise control engineering journal 噪噪声声控控制制工工程程（美美） 0095-0696 journal of environmental economics and ma 环

10、环境境经经济济学学与与环环境境管管理理杂杂志志（美美） 0276-5055 biocycle 生生物物循循环环（美美） 0730-7268 environmental toxicology & chemistry 环环境境毒毒物物学学与与化化学学（美美） 1075-9565 environmental geosciences 环环境境地地球球科科学学（美美） 0306-7319 inter.journal of environmental analytical chemistry 国国际际环环境境分分析析化化学学杂杂志志（英英） 0950-6551 water & waste

11、treatment 水水与与废废水水处处理理（英英） 15issn 号号 外文刊名外文刊名 确保确保 重要重要 订购刊号订购刊号 0269-7491 environmental pollution 环境污染（英）环境污染（英） 0273-1223 water science & technology 水科学与技术（英）水科学与技术（英） 0020-7233 inter.journal of environmental studies 国际环境研究杂志国际环境研究杂志,a、b（英）（英） 0143-2060 environmental technology 环境技术环境技术（英英） 09

12、58-305x energy & environment 能源与环境能源与环境（英英） 0733-9372 journal of environmental engineering(asce)环境工程杂志环境工程杂志（美美） 1090-0241 journal of geotechnical and geoenvironmental engineering: journal of geotechnical engineering 土工技术与地质环境工程杂志土工技术与地质环境工程杂志（美美） 0926-3373 applied catalysis b: environmental 应用催

13、化作用应用催化作用,b:环境环境 （荷荷） 0099-2240 applied & environmental microbiology 应用与环境微生物学应用与环境微生物学（美美） 0741-1669 cabs current advances in applied microbiology and biotechnology 应用微生物学与生物应用微生物学与生物技术近期文献题录技术近期文献题录（英英） 0262-5318 derwent biotechnology abstracts 德温特生物技术文摘德温特生物技术文摘（英英） 0099-2240 applied & en

14、vironmental microbiology 应用与环境微生物学应用与环境微生物学（美美） 0920-5861 catalysis today 0021-9797 journal of colloid & interface science 1387-1811 microporous and mesoporous materials 16 第五节 絮凝技术的主要内容n絮凝剂的研究与开发应用n絮凝反应器和混凝构筑物的研究与开发n絮凝反应过程控制与自动化17 絮凝剂的定义凡是用来将水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状物沉淀的物质都叫做絮凝剂在一个水溶液中使用两种或两种以上的物质使

15、其产生絮状沉淀时，可把这些物质称作复合絮凝剂絮凝剂与聚电解质的区别无机高分子絮凝剂 有机高分子絮凝剂18n 无机阳离子絮凝剂n 无机低分子絮凝剂n 无机阴离子絮凝剂 无机絮凝剂n 铝盐无机高分子絮凝剂 无机高分子絮凝剂n 铁盐无机高分子絮凝剂絮凝剂n 人工合成阳离子n 有机高分子 人工合成有机高分子n 人工合成阴离子n 有机高分子n n 人工合成非离子n 有机高分子 有机絮凝剂 n 微生物絮凝剂 天然有机高分子絮凝剂n 改性天然高分子19 无机阳离子絮凝剂v三氯化铝（a1c13.6h2o）v硫酸铝 a12（so4）3.18h2ov硫酸亚铁 (feso4.7h2o)v三氯化铁 (fecl3.6h

16、2o)v硫酸铁 fe2(so4)3.nh2ov等20 无机阴离子v氧化钙 caov氢氧化钙（石灰水） ca(oh)2v氢氧化钠 naohv氯化钙 cacl3v碳酸钠 na2co3v等21 无机高分子絮凝剂v聚合氯化铝 a12(oh)mcl6-mnv聚合硫酸铝 al2(oh)m(so4)3-m/2nv聚合氯化铁 fe2(oh)mcl6-mnv聚合硫酸铁 fe2(oh)m(so4)3-m/2n22 合成阳离子型有机高分子絮凝剂n丙烯酰胺-甲基丙烯酸-2-羧基丙脂基三甲基氯化铵共聚物n丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙脂基三甲基氯化铵共聚物n丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙脂基三甲基铵硫酸甲脂共聚物n丙烯酰胺-丙烯酸乙脂

17、基三甲基铵硫酸甲脂共聚物n聚二甲基二烯丙基氯化铵n丙烯酰胺-二甲基二乙烯丙基氯化铵共聚物n乙-羧基丙基二甲基氯化铵-二（乙-羧基丙基）烷基氯化铵共聚物n聚2-羧基丙基二甲基氯化铵n聚三聚氰胺缩甲醛23n丙烯酰胺-丙烯酸乙胺的共聚物n丙烯酰胺-甲基丙烯酸-n-二甲基乙胺脂的共聚物n丙烯酰胺-n-n-二甲基胺基丙烯酰胺共聚物n聚n、n-二甲基-1-羧基乙基-2-羧基丙胺n聚亚胺n聚环眯基乙烯n聚苯乙烯四甲基氯化铵n聚乙烯咪唑啉n聚2-羧基丙基-n-二甲基氯化铵n聚二烯丙基二甲基氯化铵24合成阴离子型有机高分子絮凝剂n聚丙烯酸钠n聚苯乙烯磺酸钠n丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物n顺丁烯二酸酐-乙酸乙烯脂共聚

18、物n甲基乙烯基醚顺丁烯二酸酐共聚物n甲基丙烯酸甲脂-顺丁烯二酸钠共聚物n苯乙烯-丙烯酸钠共聚物n聚乙烯醇-丙烯酸钠共聚物n丙烯酰胺-乙烯基磺酸钠共聚物n三聚氰胺缩甲基-丙烯酸钠共聚物25 合成非离子型有机高分子絮凝剂n聚乙烯醇n聚乙烯基甲基醚n聚丙烯酰胺n聚氧化乙烯n聚乙烯吡咯烷酮n聚乙烯乙烯脂水解产物n聚烷基酚-环氧乙烷26 天然有机高分子絮凝剂n微生物絮凝剂n纤维素n三醋酸纤维素n淀粉n阳离子改性淀粉n淀粉醚n丙烯酰胺-淀粉接枝共聚物n环糊精27n植物树胶 cg-a f691n甲壳素n果胶n多糖n木质素的双环氧化物n聚乙二醇交联的木质素n蜡n藻类n蛋白质n动物胶 骨胶28第三章 胶体和悬浮

19、物胶体和悬浮物 第一节第一节 胶体的性质胶体的性质n胶体带电荷n胶体的布朗运动n胶体的丁达尔效应29 第二节第二节 胶体和悬浮物颗粒大小胶体和悬浮物颗粒大小n表3-1颗粒大小分类n n 体系 cm nm n 溶质 10-7 1 10n 胶体 110-7110-4 1103 10-104n 悬浮物 10-410-2 103105 104-106n 可沉淀物 10-2 105 106n=10-8cm=0.1nm30胶体：0.10.001的粒子，工程范围：10.001能通过滤纸，扩散极慢，不能渗透金属氢氧化物、蛋白质、有机高分子、粘土等线性分子：含有103109个原子的分子都属于胶体颗粒，而不论其绝

20、对尺寸水中绝大部分粘土颗粒（4），大部分细菌（0.280nm）,病毒(10300nm)都为胶体蛋白质为线性分子分子量约1043105,聚丙烯酰胺在分子量500万时,展开长度约为20,相当于含有7105个原子的线性分子,亦为胶体颗粒31胶体：10-104 悬浮物：104-106水：0.958 1百万pam：3.5104 32第三节第三节 胶体和悬浮物颗粒的电荷来源胶体和悬浮物颗粒的电荷来源n电离作用n离子溶解n离子吸附n晶格取代33 第四节第四节 扩散双电层扩散双电层nhelmhollz提出平行板双电层理论n扩散双电层理论ngouy扩散双电层理论nstern理论模型ngrahame模型34 图3

21、-1 斯恩特双电层示意图35图3-2 固体颗粒的斯恩特双电层模型36 图3-3 双电层和扩散层的厚度37 图3-4 双电层厚度38 图3-5 格雷厄姆双电层模型39 第四章絮凝剂的性质絮凝剂的性质 第一节无机絮凝剂的性质第一节无机絮凝剂的性质硫酸铝分子式为：a12（so4）3.18h2o白色粉末状或块状 有涩味在水中发生水解反应，水解速度缓慢工业品含约2025%；含2030%不溶物，使用时需清除残渣化学纯含约5060%使用ph值范围6.07.8。当ph=45.7时，去除水中有机物为主；当ph=5.77.8时，去除水中悬浮物为主；当ph=6.47.8时，可以处理高浊度废水和低色度废水适合的水温：

22、2040通常用量15100mg/l高浓度的水溶液有腐蚀性40 硫酸亚铁又名绿矾 分子式：feso4.7h2o 呈蓝绿色 含铁20% 颗粒状 、粉末状、晶体状 具有还原作用 使用ph值范围8.19.6 易水解 水温影响较小 适用于浓度大，碱性强的废水 絮凝作用稳定，反应快，絮凝效果良好 缺点是需要调碱度，投量大，出水带颜色 腐蚀性强41 三氯化铁分子式：fecl3.6h2o片状和块状，六方晶系吸湿性强，易溶于水，同时水解生成棕色絮状的氢氧化铁沉淀。溶解于水时，产生氯化氢气体，污染环境强氧化剂，能溶于乙醇、乙醚、苯胺等有机溶剂残渣量少可用于活性污泥脱水使用的ph值范围6.011.0，最佳ph值范围

23、6.08.4通常的用量为51000mg/l1絮凝体粗大，沉淀速度快，不受温度的影响处理高浊度水效果显著腐蚀性大，腐蚀混凝土，并使某些塑料变形42 聚合氯化铝化学通式为：a12(oh)mcl6-mn n10，m=15无色或黄色固体（粉末、结晶状，与碱化度相关）属无机高分子化合物具有架桥作用和专属吸附性能使用的ph值范围59水温影响不大用量少，絮凝效果好腐蚀性小43 聚合硫酸铁化学通式为：fe2(oh)m(so4)3-m/2n n10，m=15使用的ph值范围5.08.5适合的水温为2040絮凝效果良好，沉淀速度快残留铁比三氯化铁少，腐蚀性也比三氯化铁小在无机絮凝剂中，它对cod的去除率和脱色效果

24、最好44 al（iii）的水解nal(h2o)6+3+h2o h3o+al(h2o)5(oh)+2nal(h2o)5(oh)+2+h2o h3o+al(h2o)4(oh)2+nal(h2o)4(oh)2+ +h2o h3o+al(h2o)3(oh)3nal(h2o)3(oh)3 +h2o h3o+al(h2o)2(oh)4-nal(h2o)2(oh)4- +h2o h3o+al(h2o)(oh)52-nal(h2o)(oh)52-+h2o h3o+al(h2o)63-45 图4-1 al(oh)3溶液平衡时的组成 a.气浮和澄清分离 b.过滤分离 c.al(oh)4- d. al13(oh)5

25、+ e. al7(oh)174+ f.al3+ g. al(oh)3+46 fe（iii）的水解n fe(h2o)63+ + h2o fe(h2o)5(oh)2+ + h3o+nfe(h2o)5(oh)2+ h2o fe(h2o)4(oh)2+ h3o+nfe(h2o)4(oh)2+ h2o fe(h2o)3(oh)3+ h3o+n fe(h2o)3(oh)3+ h2o fe(h2o)2(oh)4-+ h3o+47 图4-2 fe(oh)3溶液平衡时的组成 a. 气浮和澄清分离 b.过滤分离 c.fe(oh)4- d. fe(oh)2+ e. fe(oh)2+ f. fe3+ g. fe(oh

26、)24+48 图4-1、4-2的意义两个图是根据溶解度和水解平衡常数计算得出来的图的a区适合于使用空气气浮法和澄清法的固-液分离b区适合于直接过滤法，其ph范围为6.08.5絮凝剂的用量：在a区为33200mg/l；在b区为3.320mg/l在b区范围内进行分离操作时，需要添加阳离子型有机高分子絮凝剂这两个图，对于使用空气气浮法处理水是很有用的49 图4-3 铁和铝的水合氧化物 的z电位与ph值的关系50 图4-4 al(h2o)63+离子51 图4-5 al2(h2o)2(oh)84+双分子离子52 图4-6 al16(h2o)24(oh)3612+高分子53 第二节第二节 无机低分子絮凝剂

27、无机低分子絮凝剂 存在的问题存在的问题铝盐：常受盐类影响。当水中含盐量高时，需增加药量，活性污泥的含水率增高，体积大，水分高，增加污泥处理难度氯离子的影响，很活泼、不水合、带负电荷，穿透性含硫化合物废水（例如：纺织印染废水、石油工业废水、酸法造纸废水、某些化工废水），用铁盐不利。硫化物使fe3+ 还原成fe2+ ，同时生成三硫化二铁和硫化亚铁的混合物。该混合物呈胶体状态，带负电荷，很难形成絮凝沉淀使用铁盐的另一个问题是，三氯化铁具有很强的腐蚀性和在水中残留铁离子。设备受到限制，水质受影响使用无机低分子絮凝剂时，一般反应较慢，沉淀速度较慢54第三节 有机高分子絮凝剂的性质有机高分子絮凝剂的性质l

28、分子量大小l分子结构l电荷密度大小l电荷性质55分子量（平均分子量）分布范围1千万 分子量很（极）高的高分子絮凝剂1百万1千万 分子量高的高分子絮凝剂二十万1百万 分子量中等的高分子絮凝剂十万二十万 分子量低的高分子絮凝剂五万十万 分子量比较低的高分子絮凝剂五万 分子量很（极）低的高分子絮凝剂56 图4-7 高分子絮凝剂的分子量分布57 电荷密度来源：带电的官能团通过控制共聚物分子中带电荷的链节与不带电荷链节的摩尔比，便可控制有机高分子絮凝剂的电荷密度聚丙烯酰胺的链节不带电荷，因此，用阳离子高分子与聚丙烯酰胺共聚能够得到很高的分子量。所以，常用聚丙烯酰胺与带电荷的离子型单体接枝共聚来降低电荷密

29、度和增加分子量电荷密度高的絮凝剂，其带电荷的链节占的比例大，这部分的价格高，成本高，且絮凝效果不如电荷密度低、分子量高的絮凝剂效果好58有机高分子絮凝剂的结构和形态伸展结构和无规线团结构高分子絮凝剂是线形结构时，絮凝效果良好，环状结构能使絮凝效果降低电场电位59 图4-8 具有短侧链和长侧链 的伸展型高分离子60图4-9 高分子离子形态和电位剖面61 图4-10 伸展开的高分子离子 和它的电场62 图4-11 最大电位值和电位隧道 的立体示意图63 图4-12 无规线团高分子离子的四个电位区 a.无电位作用溶液 b.影响到高分子离子球面上的弱电位 c.电位隧道 d.带电官能团附近的电位极大值6

30、4 第四节第四节 有机高分子絮凝剂的特点有机高分子絮凝剂的特点 和存在的问题和存在的问题用量小，絮凝能力强，沉淀速度快，处理时间短，效率高，产生的污泥较容易处理绝大多数人工合成的有毒性有些产品只能是稀溶液，运输、储存有困难产生的污泥体积庞大硫化物与阳离子型有机高分子絮凝剂起化学反应，形成共价键。会降低电荷的中和作用和桥联作用，对絮凝作用干扰很大。会增加用药量65提问n胶体的特性是什么？n胶体的大小、水体中哪些物质能形成胶体？n无机低分子絮凝剂存在哪些缺点？n有机高分子絮凝剂的分子量发布怎样？n有机高分子絮凝剂的特点与缺限？66 第五章第五章 絮凝作用机理絮凝作用机理格鲁奇(grutsh)定义凝

31、聚作用：中和胶体和悬浮物颗粒表面电荷，使其克服胶体和悬浮物颗粒的静电排斥力，从而使颗粒脱稳的过程称作凝聚作用絮凝作用：胶体和悬浮物颗粒在高分子絮凝剂的作用下，桥连成为粗大的絮凝体的过程凝聚作用是颗粒由小到大的量变过程；絮凝作用是量变过程达到一定程度时的质变过程絮凝化学：研究絮凝作用机理、絮凝剂性质、胶体或悬浮物颗粒的性质、影响絮凝作用的各种条件的科学67 第一节第一节 dlvodlvo理论理论dlvo理论是用胶体颗粒间的吸引能和排斥能的相互作用，产生的相互作用能，来解释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀的原因胶体颗粒间的排斥能胶体颗粒间的吸引能胶体颗粒间的相互作用能68 图5-1 颗粒表面电荷相互作用

32、能曲线 va吸引能 vr排斥能 vt相互作用能 vm能峰 d颗粒表面间距离69颗粒间的距离很小和很大时，相互作用能以吸引能为主，能够形成絮凝体当颗粒间的距离处于中等程度时，相互作用能以排斥能为主，颗粒处于稳定状态，不能形成絮凝体颗粒相距很远时，吸引能和排斥能都等于零曲线vt有两个最小能量值。颗粒间的相互作用能达到第一或第二最小能量值时，便产生絮凝沉淀曲线vt存在能量障碍。颗粒间相互作用能曲线vt有一个能量峰vm。能量峰vm是颗粒凝聚和絮凝的能量最大障碍70 图5-2 电解质对相互作用能的影响 va吸引能 vr1、vr2、vr3排斥能的降低 vt1、vt2、vt3对应vr1、vr2、vr3的相互

33、作用能 d带电颗粒表面间的距离71 四种絮凝作用机理q通过絮凝作用捕集和“清扫”胶体颗粒q压缩双电层，减少表面电荷q高分子絮凝剂的桥连q由于吸附作用而使电荷中和72 第二节第二节 胶体的捕集胶体的捕集为了捕集胶体，要使用大量的絮凝剂清扫过程：水解 高分子 三维空间立体结构 捕获胶体颗粒随着高分子化合物体积的收缩、沉淀物和悬浮物象多孔的网子一样，从水中将胶体颗粒清扫下来，形成絮状沉淀适合于此机理的分离方法有澄清法和溶解空气气浮法当使用“清扫”机理进行固液分离时，产生的絮凝物是粘稠状的。可以加入0.050.4mg/l的阴离子型有机高分子絮凝剂，以利于沉淀分离。特别是应用溶解空气气浮法时，效果非常好

34、应用“清扫”机理时，要避免使用过滤法进行固液分离“清扫”缺点：污泥量大，难以脱水，耗药量大73 第三节 压缩双电层从dlvo理论可知，比较薄的双电层能够降低排斥能如果排斥能（z电位）降低到相当小时，颗粒就能够被第二最小能量值的吸引力所吸引，产生疏松的絮凝体，这样的絮凝体不易沉降，容易扩散，而且只适合于静止沉积分离74 第四节 电荷的中和作用电荷的中和作用电荷中和作用：胶体颗粒的z电位降低到足以克服能量障碍而产生絮凝沉淀的过程胶体颗粒间的相互作用能处于第一最小能量值形成稳定的絮凝体75电荷中和作用是吸附作用引起的它导致胶体颗粒与水之间界面的改变，从而使物理化学性质改变电荷中和作用能够使水中的胶体

35、和悬浮物颗粒被分离除去的效果最佳适合于气浮分离、过滤分离以及澄清沉淀分离76用不同类型、不同分子量的有机高分子絮凝剂，测定其z电位，出现以下几种情况：带大量电荷的阳离子表面活性剂很容易使悬浮物颗粒表面改变电荷符号。然而看不见絮凝现象，也不容易看到有z 电位由负值变为正值的过程分子量很低的阳离子高分子絮凝剂的作用与表面活性剂相类似分子量50，000200，000的有机高分子絮凝剂电荷中和时，形成细小疏松的絮凝体，如果再加入0.1mg/l含有少量阴离子官能团的有机高分子絮凝剂，便能改变细小絮凝体的状态，使其变得粗大分子量高到2，000，000的阴离子有机高分子絮凝剂，电荷中和时，形成的絮凝体很容易

36、被发现。絮凝效果非常好77 图5-3 中和电荷降低z电位和扩散层 有效厚度达到脱稳和絮凝作用示意图78 第五节 桥连n带不同电荷的物质的桥连n这类桥连是带负电荷的胶体颗粒与带正电荷的阳离子高分子絮凝剂的桥连n这类桥连也涉及到电荷中和机理n其脱稳作用是由于库仑引力的原因79所用的阳离子有机高分子絮凝剂丙烯酰胺-丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲脂的共聚物（am-aeta-ms）丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙酯基三甲基铵硫酸甲酯（am-metams）的共聚物丙烯酰胺-甲基丙烯酸乙酯基三甲基氯化铵（am-metac）的共聚物丙烯酰胺-甲基丙烯酸-2-羧基丙烯基三甲基氯化铵（am-maptac）的共聚物丙烯酰胺-二甲

37、基二烯丙基氯化铵（am-dmdaac）的共聚物80带相同电荷的物质的桥连-是带同种电荷的胶体颗粒与带负电荷的有机高分子絮凝剂的桥连颗粒表面的电荷是净的库仑电荷，表面带有正电荷，也带有负电荷。虽然总的负电荷多于总的正电荷，但表面仍有只带正电荷的区域（比如，沿着晶面边沿上就只带正电荷）这些只带正电荷的区域成为吸引点，它吸引带负电荷的阴离子有机高分子絮凝剂的羧基官能团，与其结合形成絮凝体当固体颗粒具有很高的负z电位时，庞大的絮凝体将颗粒包裹在里面，由于周围都是带负电荷的絮凝体，颗粒受各方面的排斥作用，不能从絮凝体中逃脱。与絮凝体一同沉淀下来。但当庞大的絮凝体破裂时，排斥力不能平衡，颗粒容易从絮凝体中

38、跑掉。故絮凝体一定不要遇到剪切力，以免破坏絮凝体。只能采用沉积澄清法固液分离反号离子的作用，分子量非常高的极性有机高分子絮凝剂的特性和反号离子的迁移81 例子n首先用无机絮凝剂，将固体颗粒的z电位调到-1-5mv，或者，用分子量为250，000的阳离子有机高分子絮凝剂，降低固体颗粒的z电位，然后使用少量的阴离子有机高分子絮凝剂，效果非常好n用活性污泥作阴离子有机高分子絮凝剂来处理活性污泥（微生物絮凝剂），絮凝效果极好82提问n什么叫凝聚？什么叫絮凝？n简述胶体颗粒间的相互作用能曲线n简述絮凝作用的四大机理n“捕集”和“清扫”作用主要针对什么絮凝剂？n压缩双电层与电荷中和对絮凝而言有何区别？n带

39、相同电荷的物质的桥连的主要原因是什么？83第六节 化学絮凝模型和生物絮凝模型化学絮凝模型和生物絮凝模型 化学絮凝模型（一）高分子絮凝剂带电荷的球面，把位于胶体颗粒表面双电层中的反号离子吸引住，使反号离子保持在双电层中，而不被溶剂的静电引力拉走在胶体颗粒表面与高分子絮凝剂的球面相接近的地方，电荷不平衡，负电荷过剩，负的库仑电位增加增加的负库仑电位，将高分子絮凝剂电位隧道中的可流动反号离子吸引过来高分子絮凝剂的电位隧道作为反号离子的导管，反号离子从此导管中流出，中和一部分胶体颗粒表面电荷由于电荷的中和作用，降低了胶体颗粒表面上的局部地区的排斥能。颗粒间的距离变小，相互作用能以吸引能为主局部地区上正

40、的相互作用能，使高分子絮凝剂胶体颗粒间的第一或第二最小能量的吸引力起作用，并反应形成絮凝体84 图5-4 同种电荷的化学絮凝模型 a.表示出电位隧道，影响球面和流动的反号离子的极化阴离子有机高分子絮 凝剂 b.充满反号离子的双电层 c.絮凝剂和颗粒形成化学键85 第七节第七节 生物高分子（微生物）生物高分子（微生物） 的电学性质的电学性质胶体颗粒的z电位是切面和溶液间的电荷差微生物的切面较小，在荚膜的外边，没有固定的距离假设切面以外的部分类似于胶体双电层模型中反号离子的扩散层部分，切面边上的荚膜类似于-电位隧道在细菌软层的最外层表面上，酸性聚糖至少会部分地使细菌表面带上负电荷易流动反号离子在荚

41、膜和溶液之间建立平衡。荚膜中被束缚的反号离子能平行地移动到微生物的细胞壁上高分子絮凝剂的电位隧道和生物电位隧道（荚膜）的主要区别是荚膜的体积大86图5-5 活性污泥絮凝体电位模型87 化学絮凝模型（二）胶体和悬浮物颗粒带的电荷与絮凝剂带的电荷符号相反的絮凝模型高分子絮凝剂很容易与带相反电荷的胶体颗粒起反应许多研究人员假设这种反应是定量吸附的 ，吸附使电荷中和直到等电点电荷中和效果取决于高分子絮凝剂的类型和官能团的含量分子量高的阳离子有机高分子絮凝剂的桥连作桥连作用和镶嵌作用用和镶嵌作用的原因88 图5-6 颗粒表面的正电荷区和负电荷区89 图5-7 分子量高电荷密度高的 有机高分子絮凝剂的吸附

42、模型90 图5-8 分子量高电荷密度低的 有机高分子絮凝剂的吸附模型91图5-9 有机高分子絮凝剂的吸附模型92图5-10 絮凝体表面的残余负电荷示意图93第六章第六章 化学处理的必要条件化学处理的必要条件第一节第一节 影响絮凝作用的因素影响絮凝作用的因素v溶液的ph值v温度v搅拌速度，时间v絮凝剂的性质、结构v分子量v用量v分离方法和工艺设计94 第二节 z电位从切面到溶液之间的电位是z电位z电位表示扩散层的厚度和电荷密度的特性z电位能够反映出胶体颗粒的稳定性可以测定出来对絮凝化学中， z 电位是非常重要的参数95 扩散层厚度；颗粒的电荷密度； d 水的介点常数dz496 电泳速度与z电位有

43、下列关系,水的动力粘滞系数,z电位单位为mvdvz4979899提问n影响絮凝作用的七个主要因素是什么？影响絮凝作用的七个主要因素是什么？n简述化学絮凝模型一简述化学絮凝模型一n简述化学絮凝模型二简述化学絮凝模型二n生物絮凝模型属于哪类絮凝模型，为什生物絮凝模型属于哪类絮凝模型，为什么？么？100作业作业i i（案例赛）（案例赛）n分组：分4个组，每组7人n交钱：每人20元，工程硕士学员30元n基本要求：v完成案例具体各项内容，提交案例报告v制成powerpoint的形式v案例主讲，时间20分钟v裁判（每组1人）101作业作业i i（案例赛）（案例赛）n题目： 印染废水处理工程实例102项 目

44、 要 求 评分标准 备 注 概况 工程的位置、生产排污、 周边情况及处理要求 5 设计依据和原则 环评、 监测数据、 标准、规范及法律文件及设计原则 5 设计范围 5 自然条件 污水站址的自然条件 5 污水处理规模及水质 5 污水处理要求 出水执行的标准、 是否有回用要求 5 处理工艺流程 流程框图 15 工艺说明 特点、药剂 15 处理工艺参数 工艺参数的选择及计算 10 主要构筑物 材质及尺寸 10 主要设备 型号及产地 10 总平面图布置 10 103烧杯试验烧杯试验 n快速、简便n了解絮凝效果如何，投药量和现 场运行的好坏 104仪器设备 n正式的烧杯搅拌试验需要六联搅拌机，ph酸度计

45、（或精密ph试纸），浊度仪，微量加药管，烧杯若干。定浓度的稀酸、稀碱液，试验用药剂标准溶液。n 若是粗略估计试验，则烧杯，量筒，搅拌棒，滴管或移液管，药剂，精密ph试纸等。 105试验方法 n试验条件应尽可能地反映出实际情况。要考虑的内容主要包括：被处理的n水、固体颗粒的大小、离子强度（溶解的盐量）、温度和ph值。n g值（速度梯度）、gt值即搅拌时间和搅拌强度，应尽可能地与实际反应动力条件一致，只有这样，得到的结果才能与实际的反应情况一致。模拟效果。 106n试验结果估计nz电位n脱水试验 107脱水试验方法n1）将污泥加入到几个1000ml的量筒中。n2）用带孔的活塞作为搅拌器，在垂直方向

46、做上下搅拌。n3）加入各种浓度的絮凝剂。n4）轻轻地将污泥和絮凝剂混合。n5）混合后，令其自然沉降，记录分层的高度和时间。 108烧杯试验和量筒试验简要总结归纳可烧杯试验和量筒试验简要总结归纳可以得出如下八条结果：以得出如下八条结果： 1）选择最有效的絮凝剂，最佳ph值。n2）最佳投加量。n3）不同絮凝剂絮凝效果（絮凝过程）比较。n4）加药的最有效顺序。n5）混合时间和絮凝反应时间。n6）絮凝体沉降特性。n7）澄清后的水质。n8）污泥的质量。 109絮凝化学动力学絮凝化学动力学 n絮凝化学动力学是研究絮凝化学反映速度的科学，也就是研究絮凝沉淀的速度的科学。n排斥能量曲线和吸引能量曲线相加而得到

47、胶体颗粒的相互作用能量曲线。相互作用能量曲线能够反映出胶体颗粒是否能够形成絮凝沉淀和絮凝反应的快慢。并且具有两个最小能量值。当胶体颗粒的相互作用能量达到第一最小能量值时，能够发生反应，产生絮凝沉淀，所生成的絮凝体坚实，粗大，反应速度快，而且，是不可逆反应。我们把研究这个反应速度的科学，称作为快速絮凝化学动力学。n当胶体颗粒的能量达到第二最小能量值时，也能够发生絮凝反应，不过，产生的絮凝体疏松，细小，反应速度缓慢。而且，当加入适当量的电解质时，疏松细小的絮凝体又可能消失，重新形成带电的胶体颗粒，所以说，反应是可逆的。我们研究后一个反应速度的科学，称作为缓慢絮凝化学动力学。 110快速絮凝化学动力

48、学快速絮凝化学动力学 n在不停的运动着的胶体颗粒的絮凝作用与其所带电荷的性质和数量有关，也与胶体颗粒的布朗运动有关。n当胶体颗粒表面带有许多电荷时，颗粒间由于静电排斥力的作用，运动着的颗粒不能接近，相互碰撞的次数很少，碰撞的作用力也很小，因此，不能结合在一起，不能起反应。n当颗粒的表面电荷被中和后，排斥能减弱，排斥力变小，由于颗粒的布朗运动而造成相互碰撞次数增多，碰撞作用力增大，碰撞结果能够结合在一起，发生反应，形成絮凝体。因此，絮凝体形成速度和颗粒间的碰撞频率成正比。 111假设体系中单位体积里的胶体颗粒数量为 n，颗粒的体积大小都相同，都是球形。胶体颗粒之间的任何碰撞都是有效的，结合成絮凝

49、体，并且是不可逆的。这样，胶体颗粒在单位时间内，通过面积 a 的数量，即扩散速度，就应该等于絮凝反应速度。 胶体颗粒的扩散速度等于dtdn，它与胶体颗粒的浓度梯度 dxdn成正比，这是菲克（fick）第一扩散定律。 dtdn=dadxdn （7-1） 式中：dn 在 dt 时间内，通过面积 a 的胶体颗粒数量； d 扩散系数 dn 在垂直于面积 a 的方向上，距离为 ds 时，胶体颗粒减少的数量，dxdn是浓度梯度。 用体系的体积 v 除式（7-1）的两边，则得： dtvnd)(= -dxdnvda 即：dtdn= -dxdnvda （7-2） 112dn 是单位体积内，在 dt 时间里，颗粒

50、减少的数量。所以， dtdn 是单位体积的颗粒扩散速度。 在上述假设的前提下， 单位体积的颗粒扩散速度就应该等于絮凝体生成的速度，也就等于反应速度 vf。所以， fv = -dtdn = dxdnvda 即 fv = dxdnvda 或 fv = vdaxn （7-3） n 表示单位时间内，通过扩散层的颗粒数量；x 表示扩散层的厚度。 113从式（7-3）可以得出下列结论： （a）絮凝体的生成速度与扩散层的厚度成反比。当扩散层厚时，絮凝速度慢，所以，加入电解质时，使扩散层的厚度变薄，即x值变小，vf增大。加快絮凝沉淀的速度。 （b）絮凝沉淀速度 vf与扩散系数 d 成正比，所以，当适当搅拌溶液

51、时，提高扩散能力，d 值增高，使絮凝沉淀速度加快。但是，搅拌的速度要适当，不能过快，因为搅拌速度太快时，能将形成的絮凝体粉碎，不利于絮凝沉淀。 （c）絮凝体的生成速度与温度成正比。因为扩散系数 d = ofnrt (7-4) 式中：t 绝对温度，k； r 气体常数（8.31j/mol） ； n0 阿佛加德罗常数（6.021023） 。 当胶体颗粒是球形时，则有下列关系式，即，斯托克斯定律： rf6 式中： r 固体颗粒半径； 固体的粘度。 114将此式代入（7-4）中，则得： d ornrt6 (7-5) 将式（7-5）代入（7-3）中，则得： fv= rvnrtao6xn (7-6) 从式（

52、7-6）可见，vf与 t 成正比。所以当温度升高时，絮凝反应速度加快，有利于絮凝体的形成。 （d）从式（7-6）可见，vf与成反比关系。溶液的粘度小时，对絮凝作用有利，加快反应速度。所以当温度降低时，溶液的粘度增加，使絮凝反应速度变慢。 115还可以把二个固体颗粒的碰撞视为二个分子的反应。根据化学反应动力学，则有： dtdn = 2kn (7-7) 式中：n 溶液中的固体颗粒数； dn 在 dt 时间内，固体颗粒减少的数量，所以，dtdn是反应速度。当固体颗粒是球形时，其半径为 r，扩散系数为d，则式（7-7）中的k等于 16rd，即 krd16 所以 dtdn=216 rdn 即， rddt

53、ndn162 将此式积分： torddtnn ndno162 则得： n1-on1=rdt16 所以 oordtnnn161 116令 ofrdnt81 ， 并代入式(7-8)中，则得： nfottn21 (7-9) 式中：n0体系中最初的固体颗粒数； t 时间； tf絮凝时间，它是两个固体颗粒相互碰撞结合在一起所需要的时间。 将式 （7-5）代入絮凝时间ft的公式中，可得到下式： rtrnrntoof86 oortnn43 (7-10) 在 25时，t=298k,水的=0.01 r = 0.8314108(erg/k.mol) n0 = 6.021023 将这些数值代入式（7-10）中，则得

54、： ofnt111082. 1 (7-11) 从式（7-11）可知，絮凝时间与单位体积中的颗粒数目成反比关系。 一般情况下，胶体溶液每立方厘米含有颗粒数为 1014，所以，絮凝时间为 1/500s 左右。 这说明胶体颗粒间的反应速度是很快的。 117缓慢絮凝化学动力学缓慢絮凝化学动力学 当胶体颗粒的能量达到第二最小能量值时，胶体颗粒的相互碰撞也能产生絮凝沉淀。但是，这时的胶体颗粒的双电层厚度大，z电位高，颗粒间的排斥能大，两个颗粒之间的距离长，颗粒之间的相互碰撞受到阻力障碍。这种阻力障碍与溶液中的电解质的性质和浓度关系密切。因此，缓慢絮凝反应速度与溶液中的电解质性质和浓度有关。把这个因素考虑进

55、去后，颗粒在时间dt内扩散通过面积a的颗粒数dn，菲克的第一扩散定律应该加上阻力因素p。 dtdn=d adxdn+p (7-12) p 是阻力障碍因素。在此方程式中，如果没有 p，这个方程式是表达快速絮凝速度的。加上 p 之后，就是表达缓慢絮凝速度。从第一节中知道，快速絮凝的反应速度很大，即颗粒相互碰撞而产生絮凝的絮凝时间很短，所以缓慢絮凝的速度取决于 p 的大小。p 是阻力障碍因素，是阻止颗粒通过面积 a 产生碰撞，使颗粒相互排斥。因此，p 是排斥能的函数。排斥能量大时，p 值也大。排斥能又可以通过z电位反映出来。即负 z 电位高时（这里指绝对值） ，排斥能大。所以可以得出结论，负 z 电

56、位（绝对值）高时，p 值大，反应速度小，即絮凝速度小。而 z 电位是可以通过实验测出来的。这样，通过测定 z 电位，来了解和控制絮凝速度。因此，可以向溶液中加入电解质，降低 z 电位，来提高反应速度。 118将 p 表示为排斥能函数，它能反映出胶体溶液的稳定性。把絮凝反应速度，即颗粒减少速度按着两个颗粒相反应的动力学方法来处理，再根据 dlvo 理论适当的处理，最后可以得到如下的关系式： 21lglgkckp (7-13) 式中：p快速絮凝和缓慢絮凝速度之比； c电解质浓度 mmol/l, 1k 2k为常数。 当p =1 时，plg=0,则 lgc=12kk=ck ck:絮凝速度常数。 这说明

57、快速絮凝时，絮凝速度常数与溶液中电解质的浓度无关。 当plg0 时，plg与 lgc 成线性关系。其斜率是-k1。可用实验方法测定plg和 lgc，再求出k1。不同胶体溶液的k1值也不同。 119还有一些学者从不同角度研究絮凝化学动力学。smoluchowshi 对胶体颗粒絮凝体的研究是以颗粒碰撞为基础。他认为，胶体颗粒在布朗运动作用下，互相碰撞，结果产生絮凝。 在单位时间单位体积内，颗粒碰撞的次数为nb时，则有： 28rndnbb （7-14） 式中：db 布朗扩散系数； r 颗粒的半径； n 单位体积里的颗粒数目。 而式（7-14）中db的可按下式求得： rktdb6 （7-15） 式中：

58、k 为波尔兹曼常数； t 绝对温度； 水的粘滞度（g/cm.s） ；r 颗粒半径。 将式（7-15）代入式（7-14）中，则得： 234 ktnnb （7-16） 由式（7-16）可见，颗粒由于布朗运动而产生絮凝的速度取决于相互碰撞次数，所以絮凝速度与介质的粘度成反比关系，而与温度成正比，以及与单位体积里的颗粒数目的平方成正比关系。 120由此可见在常温条件下， 由于布朗运动而引起的颗粒絮凝的速度是缓慢的， 而且不能形成较大的颗粒，因为只有微小的胶体颗粒才能作布朗运动，较大的颗粒不能作布朗运动。 斯特恩和坎普提出在水流运动的情况下，颗粒相互碰撞次数sn，则有： dxdvrnns3234 （7-

59、17） 式中：n 单位体积内的颗粒数目； r 颗粒半径； ns 单位时间单位体积内的碰撞次数； dxdv水流速度梯度。 并且， 2121)()(vptvwdxdv （7-18） 式中：w 投入水中的功（kgm） ； v 水池的容积（m3） ； t 时间（s） ； 水的动力粘滞度（kgfs/m2） ； p投入水中的功率（kgfm/s） 。 如果颗粒间的碰撞是有效的碰撞，那么，絮凝速度就取决于碰撞频率。 121 dv/dx及p分别代表反应器中的平均速度梯度及所施加的搅拌功率。dv/dx一般用g表示。式（718）为camp和stein于1943年发表的，以后即成为混凝理论中的最基本公式，已得到广泛应

60、用。但在推导式（718）的过程中，是按层流考虑的，而水流速度梯度这个公式则系应用于紊流的情况，因此，近年来已有人提出异议。 当反应器中利用机械设备进行搅拌以产生速度梯度g时。 gt是一个无量纲数，直接反映了在时间t时颗粒数n的值，它实际上也反映了颗粒的大小，所以是有高低限的。根据实际给水处理反应池的资料统计，g值一般在2070s-1之间，gt数在104105之间，文献中的最大g值范围为10100s-1。 对于混合设备来说，推荐数据为：混合时间小于2min时，可用g=5001000s-1；混合时间达5min时，g10000s-1时，产生有害影响。122123124125126 微生物絮凝剂微生物絮凝剂v微生物絮凝剂是利用生物技术，从微生物体或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效，能自然降解的新型