混凝反应

混凝

第一节混凝机理

一、混凝

1.什么是混凝：

“混凝”就是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。

2. 混凝涉及的三方面问题：

①水中胶体粒子(包括微小悬浮物)的性质；

②混凝剂在水中的水解物种；

③胶体粒子与混凝剂之间的相互作用。

3.关于“混凝”与“凝聚”和“絮凝”。

“混凝”一词的概念，目前尚无统一规范化的定义。“混凝”有时与“凝聚”和“絮凝”相互通用。

不过，现在较多的专家学者一般认为水中胶体“脱稳”——胶体失去稳定性的过程称“凝聚”；脱稳胶体相互聚集称“絮凝”，“混凝”是凝聚和絮凝

的总称。在概念上可以这样理解，但在实际生产中很难截然划分。

二、混凝机理

·当前，看法比较一致的是，混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用有3种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。

·这3种作用究竟以何者为主，取决于混凝剂种类和投加量、水中胶体粒子性质、含量以及水的pH值等。

·这3种作用有时会同时发生，有时仅其中1~2种机理起作用。目前，这3种作用机理尚限于定性描述，今后的研究目标将以定量计算为主。实际上，定量描述的研究近年来也已开始。

(一)双电层压缩的机理

溶液中离子浓度与扩散层厚度的关

系

胶团双电层的构造决定了在胶粒表面处反离子的浓度最大，随着胶粒表面向外的距离越大则反离子浓度越低，最

终与溶液中离子浓度相等，见图

11-3(a)。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度将从图上的oa减小至ob。

当两个胶粒互相接近时，由于扩散层厚度减小，ξ电位降低，因此它们互相排斥的力就减小了，也就是溶液中离子浓度高的胶间斥力比离子浓度低的要小。胶粒间的吸力不受水相组成的影响，但由于扩散层减薄，它们相撞时的距离就减小了，这样相互间的吸力就大了。由图11-3(b)、(c)可见其排斥与吸引的合力由斥力为主变成以吸力为主(排斥势能消失了)，胶粒得以迅速凝聚。

这个机理能较好地解释港湾处的沉积现象，因淡水进入海水时，盐类增加，离子浓度增高，淡水挟带胶粒的稳定性降低，所以在港湾处粘土和其它胶体颗粒易沉积。

根据这个机理，当溶液中外加电解质超过发生凝聚的临界凝聚浓度很多时，也不会有更多超额的反离子进入扩散层，不可能出现胶粒改变符号而使胶

粒重新稳定的情况。这样的机理是藉单纯静电现象来说明电解质对胶粒脱稳的作用，但它没有考虑脱稳过程中其它性质的作用(如吸附)，因此不能解释复杂的其它一些脱稳现象，例如三价铝盐与铁盐作混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降，甚至重新稳定；又如与胶粒带同电号的聚合物或高分子有机物可能有好的凝聚效果：等电状态应有最好的凝聚效果，但往往在生产实践中ξ电位大于零时混凝效果却最好。

实际上在水溶液中投加混凝剂使胶粒脱稳现象涉及到胶粒与混凝剂，胶粒与水溶液，混凝剂与水溶液三个方面的相互作用，是一个综合的现象。

(二)吸附电中和作用的机理

吸附电中和作用指粒表面对异号离子，异号胶粒或链状离分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了它的部分电荷，减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而互相吸附。此时静电引力常是这些作用的

主要方面，但在不少的情况下，其它的作用了超过静电引力。举例来说，用Na ＋与十二烷基铵离子(C12H25NH3+)去除带负电荷的碘化银溶液造成的浊度，发现同是一价的有机胺离子脱稳的能力比Na+大得多，Na＋过量投加不会造成胶粒再稳，而有机胺离子则不然，超过一定投置时能使胶粒发生再稳现象，说明胶粒吸附了过多的反离子，使原来带的负电荷转变成带正电荷。铝盐、铁盐投加量高时也发生再稳现象以及带来电荷变号。上面的现象用吸附电中和的机理解释是很合适的。

(三)吸附架桥作用机理

吸附架桥作用机理主要是指高分子物质与胶粒的吸附与桥连。还可以理解成两个大的同号胶粒中间由于有一个异号胶粒而连接在一起。

聚合物在胶粒表面的吸附来源于各种物理化学作用，如范德华引力、静电引力、氢键、配位键等，取决于聚合物同胶粒表面二者化学结构的特点。这个

机理可解释非离子型或带同电号的离子型高分子絮凝剂能得到好的絮凝效果的现象。

(四)沉淀物网捕机理

当金属盐(如硫酸铝或氯化铁)或金属氧化物和氢氧化物(如石灰)作凝聚剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3、Mg(OH)2或金属碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒可被这些沉淀物在形成时所网捕。当沉淀物是带正电荷(Al(OH)3及Fe(OH)3在中性和酸性pH范围内)时，沉淀速度可因溶液中存在阴离子而加快，例如硫酸银离子。此外水中胶粒本身可作为这些金属氧氧化物沉淀物形成的核心，所以凝聚剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越少。

第二节混凝剂和助凝剂

一、混凝剂

（一）应用于饮用水处理的混凝剂的基本要求

应符合以下基本要求：混凝效果好，对人体健康无害，使用方便，货源充足，价格低廉。

（二）混凝剂的种类

按化学成分可分为无机和有机两大类。

·无机混凝剂：品种较少，目前主要是铁盐和铝盐及其水解聚合物，但在水处理中用的最多。

·有机混凝剂：品种很多，主要是高分子物质，但在水处理中用虽比无机的少。有机混凝剂分人工合成和天然两种，为巨大的–线形分子，由许多链节组成，根据–基团带电情况分为阳离子型、阴离–子型、非离子型和两性型。

（三）三氯化铁

1.外观及腐蚀性：

固态产品呈半透明绿色结晶体，腐蚀性较大。

2.对水温和PH值的适应性：

受水温影响小；PH = 8.5—11时，主要处理碱度和浊度高的原水。

3.配制浓度：

一般在5%~10%，小水厂可为1%~2%，大水厂可为10%~15%。

4.适用条件：

絮体易沉淀，价格低，但需经氯氧化，不适宜处理色度和含铁量高的原水，适宜处理低浊。

（四）聚合氯化铝

1.外观及腐蚀性：

有固液两态产品，固态为无色或黄色树脂状，腐蚀性较小。

2.配制浓度：

最低浓度为5%。

3.适用条件：

应用范围广，效果好，用量少，成本低，沉速快，适宜处理多种水质，但不够稳定。

（五）高分子絮凝剂

用量少，絮凝能力高，效果好，成本低，应用范围广。

絮凝体粗大，沉降速度快，处理时间短，效率高，所产污泥易处理。

共存离子影响小。 PH值影响小。

缺点：有毒，不能用来处理饮用水，只能用来处理工业废水。

二、助凝剂

1. 作用

①通过高分子物质的吸附架桥，改善絮凝体结构，促使细小而松散的絮粒变的粗大而密实。

②另外一类助凝剂是绒体核心，用来加快絮凝过程和增加絮凝牢固性，如粘土、活性炭等。

③第三类助凝剂是调节和改善混凝条件，如碱、氯等

2.常用的助凝剂：

通常用高分子物质，如聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸，骨胶等。

第三节影响混凝效果主要因素

影响混凝效果的因素比较复杂，其中包括水温、水化学特性、及水力条件等。

一、水温

低温水絮凝体形成慢、细小松散，原因：

1．无机盐水解是吸热反应，水解困难。

2．水温下降，水的粘度大，布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶体凝聚。同时，水流剪力增大，影响絮凝体成长。

3．水温下降，胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚。

常用方法：增加混凝剂投量；投加高分子助凝剂。

二、水的pH值和碱度

1．水的pH值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态，混凝机理不同，对混凝影响较大。

2．每一种混凝剂都有各自的pH值最优范围。

3．碱度能保持水解反应顺利进行。对pH值起缓冲作用。

三、水中悬浮物浓度

1．浓度低

颗粒碰撞几率减小，混凝效果差。为提高混凝效果，常用措施：

（1）投加铝（铁）盐同时，投加高分子助凝剂，通过吸附架桥作用，使絮体尺寸密度增大。

（2）投加矿物颗粒

（3）采用直接过滤法：原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。

2．高浓度

铝盐和铁盐投加量增大。为减少混凝剂投加量，常加高分子助凝剂。

聚合氯化铝对高浊水效果较好。

四、水力条件

1．异向絮凝

由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为异向絮凝。

2．同向絮凝

由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为同向絮凝。

控制混凝效果的水力条件用G和GT 作控制参数。

G速度梯度（Velocity gradient）：－指相邻两水层中两个颗粒的速度差与

垂直于水流方向的两流层之间的距离的比值。

3．混凝工艺中G、GT的控制－校核参数

（1）混合阶段－异向凝聚占主导，药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快，故要求混合快速剧烈。10～30秒，不超过2分钟，一般700～1000秒-1（s-1）之内。

（2）絮凝阶段－同向絮凝为主

适当的紊流程度，G由大到小，既要保证碰撞吸附，又要防止絮体破碎。时间一般10～30分钟。平均G＝20～70秒-1（s-1）

G max=100~120 s-1（起）

G中间＝Gp

G min=5~10 s-1（末）

GT＝104～105