混凝剂絮凝剂

混凝剂絮凝剂第1页，共84页，2023年，2月20日，星期一第二章絮凝剂一、定义及分类二、絮凝与混凝作用的理论三、絮凝剂的结构、制备和性能四、影响絮凝剂作用效果的工艺条件五、絮凝剂的卫生安全性第2页，共84页，2023年，2月20日，星期一一、定义及分类天然水或工业水中除了含有泥砂、颗粒很细的尘土、腐殖质、淀粉、纤维素、细菌、藻类等微生物。这些杂质与水形成溶胶状态的胶体微粒，由于布朗运动和静电排斥力而呈现沉降稳定性和聚合稳定性，通常不能利用重力自然沉降的方法除去，必须加入混凝剂以破坏溶胶的稳定性，使细小的胶体微粒凝聚再絮凝成较大的颗粒而沉淀。第3页，共84页，2023年，2月20日，星期一1.定义絮凝剂或混凝剂：凡是能使水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状沉淀的水处理剂。凝聚剂、絮凝剂、混凝剂复合絮凝剂代号：XN（HG2762-1996）表2-1第4页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.分类无机絮凝剂合成有机高分子絮凝剂有机絮凝剂天然有机高分子絮凝剂微生物絮凝剂第5页，共84页，2023年，2月20日，星期一二、絮凝与混凝作用的理论1.固体微粒的双电层结构水中的悬浮物或固体微粒通常呈胶体状态分布，它们具有巨大的比表面，可吸附液体中的正离子或负离子或极性分子，使固液两相界面上的电荷分布不均匀而产生电位差。第6页，共84页，2023年，2月20日，星期一胶核：构成水溶胶粒子的核心（杂质）电位离子：胶核表面的离子（胶核表层部分电离或胶核从水中吸附离子）同类胶核带有同样的电位离子，有相同的电荷（细菌、粒土是带负电荷的胶体，Fe(OH)3、Al(OH)3等微晶体是带正电荷的胶体），由于同性相斥，使胶体微粒相互不能凝聚而保持沉降稳定性。电位离子同胶核结合紧密，很难分开。第7页，共84页，2023年，2月20日，星期一反离子：胶核表面的电位离子层通过静电作用又将水中电荷符号相反的离子吸引到胶核周围，该类离子称为反离子。双电层：由电位离子与反离子形成。吸附层：能同胶核一起运动的离子层。扩散层：不随胶核一起运动的离子层。胶粒：胶核和吸附层构成一体。胶团：胶粒与扩散层第8页，共84页，2023年，2月20日，星期一第9页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.固液分散体系的稳定性固体微粒之间存在着排斥力和引力。排斥力：胶体微粒的双电层作用力，是固体颗粒间距离的函数。引力：范德华引力，是固体颗粒间距离的函数。第10页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.絮凝剂作用机理当胶体颗粒脱稳即原来均匀分散的胶体颗粒结合成较大的颗粒从液体中沉淀称为凝聚。絮凝：胶体颗粒可逆性聚集（简单的搅拌即可重新分散）凝结：胶体颗粒不可逆性聚集（简单的搅拌不可重新分散）第11页，共84页，2023年，2月20日，星期一絮凝机理：（1）电解质对双电层的作用加入电解质，使固体颗粒的表面形成的双电层有效厚度减少，使范德华引力占优势而达到彼此吸引，最后达到凝聚。胶体中的反离子吸附层的厚度一般很薄，只有单层或数层的离子，而反离子扩散层却要厚的多，其厚度与水中的离子强度有关。第12页，共84页，2023年，2月20日，星期一μ=½*∑CiZi2μ：离子强度Ci：存在于溶液中的第i种离子的浓度Zi：第i种离子的价数当水中电解质的浓度增大，离子价数增高，离子强度增大，双电层的厚度减小。高价离子对扩散层厚度影响更大。第13页，共84页，2023年，2月20日，星期一A.离子强度增大，同号离子间相互排斥作用增强，致使扩散层空间容积缩小；B.高价离子把部分反离子压缩到反离子吸附层中，使电位降低，从而减少扩散层厚度；C.胶粒对高价离子有强烈的吸附作用，使高价离子可进入扩散层和吸附层，置换出低价离子，使双电层中的离子数目减少而压缩扩散层，降低电动电位；第14页，共84页，2023年，2月20日，星期一因此，电解质加入到水溶胶中，一是直接压缩，二是高价离子的离子交换和吸附作用，最终使胶团的扩散层减小，电动电位降低，直到全部反离子由扩散层进入吸附层，电动电位为零。这时，胶粒的吸附层中正负电荷相等，胶粒变为电中性，达到等电状态，消除了水溶胶体系的稳定性，胶粒间的排斥作用大大减弱，胶体之间发生凝聚沉淀。第15页，共84页，2023年，2月20日，星期一（2）吸附架桥作用机理当加入少量高分子电解质时，由于胶粒对高分子物质有强烈的吸附作用，高分子长链一端吸附在一个胶粒表面上，另一端又被其他胶粒吸附，形成一个高分子链状物。高分子长链像各胶粒间的桥梁，将胶粒联结在一起形成絮凝体，最终沉降。第16页，共84页，2023年，2月20日，星期一高分子聚合物的吸附架桥作用第17页，共84页，2023年，2月20日，星期一（3）沉淀物卷扫作用机理当水中加入较多的铝盐或铁盐等药剂后，在水中形成高聚合度的氢氧化物，可以吸附卷带水中胶粒而沉淀。第18页，共84页，2023年，2月20日，星期一第19页，共84页，2023年，2月20日，星期一三、絮凝剂的结构、制备和性能1.无机絮凝剂天然水体中大多数金属能与许多配位体(其中最重要的无机配位体是OH-、Cl-、SO42-和HCO3-)形成各种络合物，分子结构的不同决定了其在水体中化学行为的差异。高价金属离子的配位化合物可以呈单核和多核两种配位形式存在于水体中。第20页，共84页，2023年，2月20日，星期一（1）分类铝系铁系聚硅酸第21页，共84页，2023年，2月20日，星期一铝系低分子型：硫酸铝钾（明矾）Al2(SO4)3·K2SO4·24H2O、硫酸铝Al2(SO4)3、结晶氯化铝AlCl3·nH2O、铝酸钠Na2Al2O4

高分子型：聚合氯化铝[Al2(OH)nCl6-n·xH2O]m聚合硫酸铝[Al2(OH)n(SO4)3-n/2]m第22页，共84页，2023年，2月20日，星期一铁系低分子型：硫酸亚铁FeSO4、硫酸铁Fe2(SO4)3、三氯化铁FeCl3

高分子型：聚合氯化铁[Fe2(OH)nCl6-n]m

聚合硫酸铁[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m第23页，共84页，2023年，2月20日，星期一聚硅酸类聚硅氯化铝、聚硅硫酸铝、聚硅硫酸铁AlA(OH)B(SO4)C·(SiOX)D·(H2O)E第24页，共84页，2023年，2月20日，星期一铝、铁等多价金属离子在水溶液中首先形成水合离子，也可以视为水分子作配位体的络合离子，通过水合离子的酸性离解即水解作用生成氢氧化物或羟基络离子。（2）铝盐、铁盐的水解过程与络合平衡第25页，共84页，2023年，2月20日，星期一通过水解作用，配位体H2O逐步为OH-置换，生成氢氧化物或羟基络离子12第26页，共84页，2023年，2月20日，星期一通过羟基桥联作用，把单核络合物转化为多核羟基络合物第27页，共84页，2023年，2月20日，星期一多核络离子可通过水解使生成物的电荷降低，羟基数增加，生成更高级的多核络合物水解和羟基桥联作用的交替进行，最终生成聚合度无限大的难溶氢氧化铝沉淀：第28页，共84页，2023年，2月20日，星期一（3）铝系无机絮凝剂A.硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O

理化性质：白色结晶体，易溶于水，室温时溶解度可达50%，水溶液pH＜2.5。混凝作用机理：①吸附脱稳带正电的铝盐水解产物吸附在带负电的胶体表面，部分或全部中和胶体颗粒表面电荷，胶体脱稳并相互碰撞粘结为大颗粒而絮凝②卷扫沉淀絮体沉降过程卷扫其他胶体颗粒后共同沉淀第29页，共84页，2023年，2月20日，星期一第30页，共84页，2023年，2月20日，星期一使用特点使用方便；水温低时水解困难，形成絮凝体松散；使用范围较窄（pH5.5～8），加入量过多，水的pH值下降，影响混凝效果，使水发混。加入量：20～100mg/L性状：白色或灰白色粉末或块状结晶，易吸潮结块。第31页，共84页，2023年，2月20日，星期一B.聚合氯化铝(polyaluminiumchloride,PAC)也称聚铝或碱式氯化铝

[Al2(OH)nCl6-n·xH2O]mm≤10，n=3～5理化性质固体为无色至黄色树脂状，易潮解；易溶于水，溶液为无色至黄褐色透明液体。第32页，共84页，2023年，2月20日，星期一混凝作用机理1.对胶体颗粒电性中和脱稳作用；2.对已凝聚的次生粗大颗粒进行吸附架桥作用；3.除去水中有害离子的吸附和络合作用。第33页，共84页，2023年，2月20日，星期一使用特点:形成絮凝体快且颗粒大而重，易沉淀，适用的pH值范围大（5～9），投加量比硫酸铝低，对高浊度、低浊度，高色度及低温水都有较好的混凝效果。但由于水解过程有H+解离，对水解不利，对最终形成Al(OH)3不利。第34页，共84页，2023年，2月20日，星期一（4）铁系无机絮凝剂特点：适应的pH范围大，受水温影响小，形成氢氧化物凝絮体快且密度和强度大，沉降速度快，净水效果显著。价格便宜。可除去重金属、硫化物，生成的絮体矾花可吸附去除油类和聚合物，并能有效地降低水中含磷量。但酸性较强，有较强的腐蚀性，且Fe2+与水中杂质形成溶解性络合物，使水带黄色。第35页，共84页，2023年，2月20日，星期一A.三氯化铁水合物FeCl3·6H2O

理化性质：黄褐色晶体，极易吸潮和溶于水，溶解度随温度升高而增大，溶液呈强酸性。混凝机理：P33第36页，共84页，2023年，2月20日，星期一使用特点：适宜的pH范围宽5～11；水解速度快，产物溶解度小，密度大，投加浓度可以更少；腐蚀性强，要注意设备的防腐；处理后的色度比用铝盐时高。第37页，共84页，2023年，2月20日，星期一B.硫酸亚铁FeSO4·7H2O

理化性质：半透明绿色晶体，易溶于水，溶解度随温度升高而增大，有腐蚀性，易被氧化为黄色或黄褐色碱式硫酸铁Fe(OH)SO4，水溶液呈弱酸性。第38页，共84页，2023年，2月20日，星期一混凝机理：Fe2+只能形成单核络合物，应将其氧化为Fe3+，机理与铝盐同。使用特点：pH＞8时，Fe2+易被水中溶解氧氧化为Fe3+，pH＜8时，适当加石灰，以提高碱度和pH值，如水中溶解氧不足时，和通氯气或加次氯酸盐。第39页，共84页，2023年，2月20日，星期一C.聚合硫酸铁(polymerizedferroussulfate,PFS)[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m

理化性质：红褐色粘稠状液体，可以与水以任意比例快速混合。混凝机理P39第40页，共84页，2023年，2月20日，星期一使用特点：适用的pH范围宽，一般为4～11，絮凝速度快，矾花颗粒大且重，沉降快，投药剂量低，具有脱色、除重金属离子、降低水中COD和BOD，混凝效果比聚铝好。第41页，共84页，2023年，2月20日，星期一（5）复合无机高分子絮凝剂(inorganicpolymerflocculant)含有铝盐、铁盐和硅酸盐等多种絮凝或助凝作用的物质。聚合硅酸铝PASC；聚合硅酸铁PFSC；聚合氯化铝铁；聚合硅酸铁铝；聚合硫酸氯化铝等。第42页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.有机高分子絮凝剂（1）分类合成有机高分子絮凝剂

特点：分子量大、分子链官能团多、市场占优、残留单体毒性限制了在食品加工、给水处理、发酵工业的应用；天然有机高分子絮凝剂

特点：来源广、价格低廉、无毒、易于生物降解；按官能团分类：阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型第43页，共84页，2023年，2月20日，星期一（2）合成有机高分子絮凝剂的制备①非离子型合成有机高分子絮凝剂

PAM是其中用量最大、应用最广的一种PAM第44页，共84页，2023年，2月20日，星期一催化体系：过硫酸盐、硝酸盐（无机化合物体系）；过氧化酰基、偶氮二异丁腈（有机化合物体系）；聚合方法：本体法、溶液法、沉淀法、反相悬浮法、乳液法等第45页，共84页，2023年，2月20日，星期一②阴离子型合成有机高分子絮凝剂A.部分水解聚丙烯酰胺：制备法1——后处理法使PAM部分水解第46页，共84页，2023年，2月20日，星期一A.丙烯酰胺与丙烯酸共聚物：制备法2——AM与丙烯酸通过溶液、乳液或丙酮水溶液沉淀。羧基含量5%-30%相对分子质量5×106第47页，共84页，2023年，2月20日，星期一B.2-丙烯酰胺基-异丁基磺酸-丙烯酸三元共聚物通过调节单体聚合的比例控制共聚物的分子量和电荷密度第48页，共84页，2023年，2月20日，星期一C.丙烯酸钠-乙烯醇共聚物通过调节m和n的比例控制共聚物的电荷密度第49页，共84页，2023年，2月20日，星期一③阳离子型有机高分子絮凝剂

聚丙烯酸酯季铵盐型：R1～3为C4以下的烷基，X为卤族元素。第50页，共84页，2023年，2月20日，星期一十六烷基三甲基溴化铵别称:西曲溴铵、溴棕三甲基铵、溴烷铵，鲸熔三甲基溴化铵；CTAB；CTMAB；HTAB；CTABr；阳性皂③阳离子型有机高分子絮凝剂第51页，共84页，2023年，2月20日，星期一性质本品呈白色或浅黄色结晶体至粉末状，有刺激气味；易溶于异丙醇，可溶于水，震荡时产生大量泡沫；能与阳离子、非离子、两性表面活性剂有良好的配伍性；具有优良的渗透、柔化、乳化、抗静电、生物降解性及杀菌等性能。

十六烷基三甲基溴化铵

第52页，共84页，2023年，2月20日，星期一十六烷基三甲基溴化铵

用途本品为天然、合成橡胶、硅油和沥青乳化剂；合成纤维、天然纤维和玻璃纤维的抗静电剂、柔软剂；护发素的调理剂；相转移催化剂；乳液起泡剂、表面活性剂，分析试剂，涤纶真丝化剂，皮革加脂剂，它还用于助焊剂、焊锡膏生产里起表面活性剂作用，活性强，对亮点、虚焊、焊电饱满都有一定作用。第53页，共84页，2023年，2月20日，星期一聚丙烯酸酯季铵盐型季铵盐型聚合物为多功能水处理剂：絮凝、杀菌、分散阻垢、缓蚀阳离子型絮凝剂对水中带负电荷的胶体颗粒具有强烈的吸附作用，且非极性基团具有疏水性，能明显改变胶体颗粒表面的截面状态和表面能，使胶体脱稳能力和沉降性能显著提高。第54页，共84页，2023年，2月20日，星期一（3）合成有机高分子絮凝剂的结构和性能①结构特点分子量在103~107数量级之间；由于具有多种官能团，具有电解质的特征。第55页，共84页，2023年，2月20日，星期一（3）合成有机高分子絮凝剂的结构和性能①结构特点A.平均相对分子质量及其分布相对分子质量分布不同，凝聚能力不同。低分子量聚丙烯酰胺（分散剂）M＜100万中分子量聚丙烯酰胺（纸张干强剂）M100～1000万高分子量聚丙烯酰胺（絮凝剂）M1000万～1500万超高分子量聚丙烯酰胺（三次采油）M＞1700万第56页，共84页，2023年，2月20日，星期一三次采油通常把利用油层能量开采石油称为一次采油；向油层注入水、气，给油层补充能量开采石油称为二次采油；而用化学的物质来改善油、气、水及岩石相互之间的性能，开采出更多的石油，称为三次采油。又称提高采收率(EOR)方法。提高石油采收率的方法很多，主要有以下一些：注表面活性剂；注聚合物稠化水；注碱水驱；注CO2驱；注碱加聚合物驱；注惰性气体驱；注烃类混相驱；火烧油层；注蒸汽驱等。第57页，共84页，2023年，2月20日，星期一B.平均离子的电荷密度与聚合物的相对活性电荷密度的大小影响聚合物在胶体颗粒上的吸附，即影响絮凝活性。阳离子型：多用于水处理阴离子型：多用于造纸和水处理两性型：多用于污泥脱水第58页，共84页，2023年，2月20日，星期一②物理性质（以PAM为例）

A.溶解性（相对分子质量、分子结构、温度、PH值、含盐量等因素）分子量对水溶性影响不明显，高分子量PAM浓度超过10%，可能形成凝胶状结构；提高T可轻微促进PAM溶解，T>50℃发生降解；在水中溶解速率不受pH影响，部分水解产品如果pH值偏碱性，溶解速率会有所增高；pH>10.5，水解；未水解的PAM稀溶液不受大多数无机盐的影响，但高价金属盐与羧基可能形成不溶物，使PAM（水解度>45%）析出。第59页，共84页，2023年，2月20日，星期一②物理性质（以PAM为例）B.粘度（受浓度、PH、温度、剪切速度、共存盐及聚合物相对分子质量的影响）PAM稀水溶液的粘度和浓度近似于对数线性关系，升高温度能降低粘度，且在同一数量级范围内变化；纯PAM易水解，当稀水溶液pH由酸变碱时，非离子型PAM水解度提高，溶液粘度随着增加。第60页，共84页，2023年，2月20日，星期一②物理性质（以PAM为例）C.对盐类、微生物等的容忍度PAM对许多无机盐电解质都有很好的容忍性，与表面活性剂也能相容；PAM耐霉菌侵蚀，但不耐其它微生物侵蚀，储存时需添加杀菌剂。D.降低流体的动力学阻力水溶性聚合物可降低含悬浮物流体通过管线时所需的能量，流体的阻降取决于聚合物浓度和流体线速度。第61页，共84页，2023年，2月20日，星期一③化学性质侧链官能团酰胺基的活性酰胺基的化学活性很大，易与多种化合物反应生成各种PAM衍生物，还能与多种化合物结合成氢键，使之具有许多特殊性能，如絮凝、增粘性、表面活性等。侧链官能团改性可利用官能团的化学性质进行改性处理，针对颗粒物的性质，制备更好的产物满足实际需要。第62页，共84页，2023年，2月20日，星期一④絮凝作用机理A.机理：中和电荷、吸附架桥、沉淀卷扫B.影响因素聚合物结构和浓度的影响介质性质、温度、pH值、离子强度等的影响第63页，共84页，2023年，2月20日，星期一（4）天然高分子絮凝剂无毒、易生物降解、原料来源广泛、价格低廉等，具有良好的应用前景。纯天然天然的但经化学改性第64页，共84页，2023年，2月20日，星期一①多聚糖类化合物A.存在于植物中：淀粉、纤维素、半纤维素、木素、单宁等B.特点：含多羟基、酚羟基等活性基团可酯化、醚化、氧化、交联、接枝共聚等化学改性，增加活性基团第65页，共84页，2023年，2月20日，星期一C.改性产物：羧甲基化：羧甲基淀粉钠第66页，共84页，2023年，2月20日，星期一羧甲基纤维素钠（CMC-Na）②接枝共聚物淀粉-丙烯酰胺接枝共聚③阳离子化改性产物④黄原酸化反应产物⑤海藻酸钠⑥甲壳素、壳聚糖类第67页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.微生物絮凝剂（1）直接利用微生物细胞的絮凝剂（2）利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂（3）利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂第68页，共84页，2023年，2月20日，星期一四、影响絮凝剂作用效果的工艺条件1.pH值对絮凝作用的影响P96选择合适的pH值环境，可节省絮凝剂用量，降低成本，提高絮凝效果。阳离子型：酸性和中性环境（季铵盐型也适用于碱性环境阴离子型：中性和碱性环境非离子型：强酸性到碱性环境第69页，共84页，2023年，2月20日，星期一2.温度对絮凝作用的影响较适宜的水温：20～30℃水温过低：水解速度慢，时间增加，影响处理水量；黏度增大，使絮凝体变细小，不易分离。水温过高：反应速度太快，絮凝体细小，耗能第70页，共84页，2023年，2月20日，星期一3.搅拌速度和时间的影响适宜的搅拌速度：40～80r/min适宜的搅拌时间：2～4min搅拌速度过慢，时间过短，浓度不均，絮凝剂与胶体颗粒不能充分接触，不利于捕捉胶体颗粒搅拌速度过快，时间过长，大颗粒搅碎成小颗粒，降低絮凝效果。第71页，共84页，2023年，2月20日，星期一4.性质和结构对絮凝作用的影响线型高分子絮凝剂效果较好；官能团量适中，电荷密度适中，絮凝剂效果较好，成本低；5.相对分子质量对絮凝作用的影响

M＞300006.絮凝剂用量对絮凝作用的影响通过实验确定用量第72页，共84页，2023年，2月20日，星期一7.分离方法和工艺设计对絮凝作用的影响8.无机絮凝剂与有机高分子絮凝剂复合使用效果更好特点：使用量小得到大颗粒絮凝体第73页，共84页，2023年，2月20日，星期一五、絮凝剂的卫生安全性1.药剂本身的毒性铝的毒性：使微量元素流失，干扰破坏各部位的生理功能，导致铝性脑病、铝性骨病、铝性贫血等残留铝＜0.2mg/L（世界卫生组织）美国0.05mg/L

我国0.2mg/L

铁盐混凝剂无