混凝机理
第三节 混凝
混凝原理 混凝剂与助凝剂 混凝工艺过程及设备 操作管理 澄清池
钱意
一、混凝原理
混凝就是通过向水中投加一些药剂（常称混凝剂）使水中 难以沉淀的细小颗粒（粒径大致在1~100μ m）及及胶体颗 粒脱稳并互相聚集成粗大的颗粒而沉降，从而实现与水分 离，达到水质的净化。
混凝的原理：双电层作用(低分子电解质对胶体微粒产生 电中和以引起胶体微粒凝聚)和化学架桥作用(胶体微粒对 高分子物质具有强烈的吸附作用，各微粒依靠高分子的连 接作用构成某种聚集体，结合成为絮状物)。
混凝机理简介
压缩双电层机理 吸附电中和机理 吸附架桥机理 沉淀物网捕机理
影响混凝效果的因素
PH值 水中pH值对混凝剂的水解及其形成的难溶盐溶解度、凝聚 效果等有直接影响，不同的混凝剂，对其产生混凝作用时 的最佳pH值有不同的要求。 水温 水温以 20℃~30℃ 为宜。水温低时，因无机盐类混凝剂 的水解是吸热反应，不利于混凝剂如硫酸铝的水解，且水 温低时水的粘度大，颗粒的布朗运动强度减弱，不利于胶 体脱稳和絮凝物的成长。铝盐作为混凝剂时，水温对混凝 效果有较大影响；铁盐作为混凝剂时，水温对混凝效果影 响不大。
胶体粒子的结构及其电位分布
电泳与电渗
电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向 移动的现象。也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间 的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性 固体的现象称为电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的。 当在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶 体微粒带正电；向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电。
W—溶液池的容积，m³ a—混凝剂最大用量，mg/L Q—处理的水量，m³/h c—溶液浓度，一般用10％~20％ n—每昼夜配制溶液的次数，一般为2~6次 溶药池容积：W1=（0.2~0.3）W
水质工程学——第3章 混凝
稳定性原因 双电层结构与电位
•Φ电位：胶核表面的点位，总电位。
扩散层
•电位：滑动面上的电位，动电位。
在数值上等于总电位中和
吸附层
胶 胶粒 核
胶
団
天然水中胶体杂质通常是负电胶 体，如粘土，细菌，病毒，藻类， 腐殖物等。 粘土电位＝-15~-40 mV 细菌电位＝-30~-70 mV 藻类电位＝-10~-15 mV
の
阳离子浓度 阴离子浓度
憎水胶体稳定性的原因：DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用：
排斥势能——静电斥力 排斥势能：ER－1/d2 吸引势能——范德华引力 吸引势能：EA－1/d6（或1/d2，1/d3） 胶体颗粒能否聚集取决于总势能
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
0
a b
高分子投量过少，不足以形成吸附架桥 投加过多，会出现“胶体保护”现象。 •铝盐的多核水解产物： 长度不足，电性中和 •中性氢氧化铝聚合物： 架桥作用 •高分子物质： 吸附架桥 +（电中和）
线性、长度
弹性势能、电性 斥力、水化膜
架桥模型示意图
胶体保护示意图
3.网捕或卷扫 网捕或卷扫 机械作用
金属氢氧化物在形成过
天然水体一般pH=6.5-7.8 ，主要吸附 架桥和电性中和。
作业一
1.什么是胶体稳定性？水中胶体为什么
处于稳定状态（稳定状态的分类）？ 2.用DLVO理论解释胶体稳定性的原因 3.混凝机理有哪些？
3.2 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
混凝剂符合的要求
混凝效果好 对人体无危害
使用方便 货源充足，价格低廉
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定 性对胶体稳定性的影响起关键作用。布朗运动既 是胶体稳定性原因，也是引起碰撞聚结的不稳定 因素。
混凝剂作用机理范文
混凝剂作用机理范文混凝剂是指在水处理、污水处理等领域中用于凝结悬浮物或溶解物质的化学药剂。
它可以将溶液中的悬浮物或溶解物质聚集成较大的颗粒，使其沉降或浮起，从而实现水质的净化和处理。
混凝剂主要通过以下几种作用机理实现凝结作用。
1.电化学中和机理：混凝剂可以通过电化学反应中和溶液中的带电离子。
当混凝剂被加入水中时，其分子中的氢氧根离子（OH-）会与水中的氢离子（H+）结合，形成水分子（H2O）。
这样就会减少溶液中的酸性或碱性离子，使溶液中的电荷减小，有利于水中悬浮物或溶解物质的凝结。
2.凝聚机理：混凝剂可以通过凝聚机理将细小的悬浮物或溶解物质聚集成较大的团状结构。
混凝剂在水中形成的聚集体有助于吸附、沉降或浮起悬浮物或溶解物质。
这一过程主要涉及混凝剂与悬浮物或溶解物质之间的物理作用力，如吸附力、静电力等。
3.缔合机理：混凝剂可以通过与溶液中的金属离子结合形成难溶的沉淀物质，从而将金属离子从溶液中移除。
混凝剂中的一些成分可以与金属离子发生络合反应，形成金属离子与混凝剂之间的络合物，这些络合物通常具有较大的离子化合物或难溶的沉淀物质，可以从溶液中凝结出来。
4.吸附作用机理：混凝剂可以通过表面吸附作用与悬浮物或溶解物质发生作用。
混凝剂的分子结构通常具有较大的表面积和活性位点，可以吸附住悬浮物或溶解物质的分子或离子。
这样可以使悬浮物或溶解物质相互靠近，形成较大的凝结体，有利于其沉降或浮起。
混凝剂的作用机理并不是单一的，通常是多种机理共同作用的结果。
在实际应用中，选择合适的混凝剂需要考虑水质特点、溶液成分、混凝剂的性质等因素。
不同的混凝剂可能具有不同的机理，因此在具体应用中需要选择适宜的混凝剂来实现水处理和净化的目的。
4.1 混凝
ζ 电位
临 界 电 位
ζ 电位
等电点状态！！
胶粒间的静电斥力消失，胶粒最容易发生聚结
第四章 物理化学处理单元
4.1 混凝
4.1.1 混凝的机理
3. 混凝机理——3.1 胶体的凝聚机理——3.1.1 压缩双电层
ζ电位
胶粒失去稳定性
胶粒脱稳 相互凝结
凝 聚
第四章 物理化学处理单元
4.1 混凝
4.1.1 混凝的机理
第四章 物理化学处理单元
4.1 混凝
4.1.1 混凝的机理
1. 概述
混凝可去除的颗粒是胶体及部分细小的悬浮物，范围在： 1nm~1m 水处理中主要杂质：
粘土（50nm-4
m）
细菌（0.2m-80m）
病毒（10nm-300nm）
蛋白质（1nm-50nm）腐殖酸
第四章 物理化学处理单元
3. 混凝机理——3.1 胶体的凝聚机理——3.1.1 压缩双电层
该理论不能解释：
混凝剂投加过多，混凝效果反而下降
这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来
源于范德华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或
高分子物质存在时）。
第四章 物理化学处理单元
4.1 混凝
4.1.1 混凝的机理
无 机
铁系
适宜pH：5~11，但腐蚀性强
人工 合成 有 机 天然
国外开始增多，国内尚少
淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂
第四章 物理化学处理单元
4.1 混凝
4.1.2 混凝剂和助凝剂
1. 混凝剂
发展方向 无机复合聚合物混凝剂 聚合硫酸铝铁、聚合氯化铝铁、聚合硫酸氯化铁、 聚合硫酸氯化铝、聚合铝硅、聚合铁硅、聚合硅酸 铝、聚合硅酸铁
混凝的机理
混凝的机理混凝是一种常用的水处理技术，广泛应用于污水处理、自来水处理、工业废水处理等领域。
混凝的目的是通过添加混凝剂使悬浮在水中的颗粒物聚集成较大的团簇，便于后续的沉淀或过滤，从而达到水的净化和澄清的目的。
本文将从混凝剂的种类、作用机理、影响因素等方面介绍混凝的机理。
一、混凝剂的种类混凝剂是混凝过程中最关键的因素之一，根据其化学成分和作用机理，可以将混凝剂分为以下几类：1. 无机混凝剂：主要包括铁盐、铝盐、钙盐等。
其作用机理是通过电化学反应或水解反应产生氢氧化物或氢氧根离子，使悬浮颗粒带有正电荷或负电荷，从而发生凝聚作用。
2. 有机混凝剂：主要包括聚合物、界面活性剂等。
其作用机理是通过分子间的吸引作用，使颗粒物和混凝剂形成复合物，从而发生凝聚作用。
3. 天然混凝剂：主要包括淀粉、蛋白质等。
其作用机理是通过分子间的吸引作用和空间位阻作用，使颗粒物和混凝剂形成复合物，从而发生凝聚作用。
二、混凝剂的作用机理混凝剂的作用机理可以归纳为以下几个方面：1. 电化学作用：无机混凝剂通过电化学反应或水解反应产生氢氧化物或氢氧根离子，使悬浮颗粒带有正电荷或负电荷，从而发生凝聚作用。
2. 吸附作用：有机混凝剂通过分子间的吸引作用，使颗粒物和混凝剂形成复合物，从而发生凝聚作用。
3. 空间位阻作用：天然混凝剂通过分子间的吸引作用和空间位阻作用，使颗粒物和混凝剂形成复合物，从而发生凝聚作用。
4. 铵基作用：有机混凝剂中的铵基可以与悬浮颗粒表面的负电荷形成离子对，从而发生凝聚作用。
5. 桥联作用：有机混凝剂中的分子可以同时与两个或多个颗粒物形成桥式结构，从而发生凝聚作用。
6. 溶胶-凝胶转变作用：混凝剂可以通过溶胶-凝胶转变作用，使悬浮颗粒形成较大的凝胶团簇，从而发生凝聚作用。
三、影响混凝效果的因素混凝过程中，除了混凝剂的种类和作用机理外，还受到以下因素的影响：1. pH值：pH值的变化会影响混凝剂的电荷状态和水解程度，从而影响混凝效果。
混凝剂的作用机理
混凝剂的作用机理
混凝剂是指用于水处理中的一类化学药剂，它们的作用是改变悬浮物
或胶体粒子之间的相互作用，使它们聚集成较大的团簇，并沉淀到水体底部，从而实现水体的净化和固液分离。
混凝剂的作用机理可以归纳为以下
几个方面：
1.破坏表面电荷平衡：水中的悬浮物或胶体粒子通常带有带负电荷，
这使它们相互之间发生排斥，难以聚集成大的颗粒。
混凝剂中的活性物质（如铝盐或铁盐）通过释放阳离子，与粒子表面的带负电荷相互作用，将
粒子表面的电荷中和，破坏了粒子之间的静电排斥力，促使它们聚集成较
大的团簇。
2.形成凝聚剂：混凝剂中的活性物质可以通过与悬浮物或胶体粒子的
表面结合形成凝聚剂，从而使得粒子之间的距离进一步缩短，增大聚集的
可能性。
一些混凝剂，如聚合物，具有多个功能基团，可以与粒子表面多
个位置形成物理或化学结合。
3.增大粒子的有效半径：混凝剂中一些物质在水中的溶解度较低，因
此在加入水中时会发生沉淀反应，产生具有一定分散性的大颗粒物。
这些
颗粒物相互作用，吸附粒子形成较大的凝聚物。
同时，一些水中的溶解性
物质也能通过吸附到粒子表面来增大其有效半径，从而有助于粒子的沉淀。
4.形成胶体状物质：有些混凝剂在水中形成胶体状物质，即胶体颗粒。
这些胶体颗粒可以增大凝聚体的稳定性，有助于胶体粒子之间的相互作用，从而形成更大的凝聚物。
以上是混凝剂的一些作用机理，其中相互作用机制的选择和应用取决
于悬浮物或胶体粒子的特性以及所需的混凝效果。
在实际应用中，一般根
据水体的水质要求选择合适的混凝剂，并通过试验和优化来确定最佳的投加量和混凝条件。
简述水的混凝过程和机理
简述水的混凝过程和机理混凝是一种水处理过程，通常用于去除水中的悬浮物和浑浊物质。
这个过程涉及到化学和物理反应，通过添加化学物质或物理处理来聚集和沉淀悬浮物。
在混凝过程中，水中的悬浮物被聚集成更大的颗粒，使其更容易沉淀或过滤。
在本文中，我们将详细讨论水的混凝过程和机理。
混凝过程混凝过程通常包括以下步骤：1. 水的预处理：在混凝之前，需要对水进行预处理。
这可能包括过滤或沉淀，以去除粗大的颗粒和悬浮物。
2. 混凝剂的添加：在水中添加化学混凝剂，以促进悬浮物的聚集。
常见的混凝剂包括氯化铁、氯化铝、硫酸铝等。
3. 混合：将混凝剂和水混合，以促进悬浮物的聚集和沉淀。
4. 沉淀：让混合物静置一段时间，以使悬浮物沉淀到底部。
5. 上清液处理：将上清液从底部取出，以去除沉淀物。
混凝机理混凝的机理可以分为化学和物理两个方面。
化学机理混凝剂的添加可以促进悬浮物的聚集，因为混凝剂可以与水中的悬浮物发生化学反应。
混凝剂通常是带正电荷的离子，如Fe3+、Al3+等，这些离子可以与水中的负电荷颗粒吸引在一起形成较大的颗粒。
这些聚集的颗粒被称为混凝凝聚体，它们越大，越容易沉淀。
物理机理混凝过程中的物理机理包括布朗运动、沉降和拦截。
布朗运动是一种微粒子在液体中随机运动的现象。
在混凝过程中，悬浮颗粒会与周围的水分子发生碰撞，从而聚集在一起。
沉降是指颗粒由于重力作用而向下沉降。
拦截是指较小的颗粒被较大的颗粒拦截，从而形成更大的颗粒。
混凝剂的选择混凝剂的选择取决于水的性质和悬浮物的类型。
常用的混凝剂包括氯化铁、氯化铝、硫酸铝等。
氯化铁适用于去除有机物和色素，而氯化铝和硫酸铝适用于去除无机悬浮物。
此外，还可以使用聚合物混凝剂，它们可以形成更大的凝聚体，从而更容易沉淀。
混凝反应的影响因素混凝反应的影响因素包括混凝剂的类型和浓度、水的pH值、悬浮物的类型和浓度等。
在选择混凝剂时，需要考虑水的性质和悬浮物的类型，以确定最佳的混凝剂。
水的pH值也是影响混凝反应的重要因素，通常在pH值为6-8之间，混凝效果最好。
混凝概论及机理
电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电位＝0，只 要使Emax=0即可，此时的k电位称为临界电位。
根据Schulze—Hardy法则（叔采－哈代法则）：浓度相同的电解 质破坏胶体稳定性的效力随离子价数的增加而加大。
凝聚能力离子价数6 （高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低价电解质有效。）
[M ] :[M 2 ] :[M 3 ] 1: (1)6 : (1)6 23
混凝概论及机理
概论主要内容
一、混凝的意义 二、混凝对象 三、混凝的概念
一、混凝的意义
混凝剂使用历史：
1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方才开始使用
混凝的作用：
1. 混凝是水处理的三大传统工艺（混凝、沉淀和过滤）之一； 2. 混凝效果决定后续出水水质以及水处理成本。
混凝的特点
优点：设备简单，操作方便；便于间歇运行，效果好。 缺点：运行费用高； 沉渣量大，处置困难；
硫酸铝絮凝剂使用历史悠久，较为广泛，其混凝机理具有相当的代表性。
硫酸铝Al2（SO4）3·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以 [Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。各 种水解聚合产物的在水处理混凝过程表现出不同的混凝机理。
由此，可以铝盐为例，分析其在中的化学反应，认识其水解聚合形态， 说明各种混凝作用机理。
这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢 键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。
（二）吸附电中和机理
作用过程：指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子 物质、胶粒等，发生电中和，来降低电位。这一点与压缩双电层机理
不同。
在铝盐混凝的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作 用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。
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3.2混凝机理
3.2.1 胶体的凝聚机理
凝聚主要是指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。
压缩双电层作用
根据DLVO理论，加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层仍然保持电中性，但正离子的数量却减少了，也就是双电层的厚度变薄，胶体颗粒滑动面上的ξ电位降低。
当ξ电位降至0时，称为等电状态，此时排斥势垒完全消失。
ξ电位降至某一数值使胶体颗粒总势能曲线上的势垒Emax=0，胶体颗粒即发生聚集作用，此时的ξ电位称为临界电位ξk。
叔采-哈代法则：起聚沉作用的主要是反离子，反离子的价数越高，其聚沉效率越高。
聚沉值：在指定情形下使一定量的胶体颗粒聚沉所需的电解质的最低浓度，以mmol/dm3为单位。
一般情况下，聚沉值与反离子价数的六次方成反比，即符合：
(3.1)
双电层压缩机理不能解释加入过量高价反离子电解质引起胶体颗粒电性改变符号而重新稳定的现象，也解释不了与胶体颗粒代相同电荷的聚合物或高分子有机物也有好的聚集效果的现象。
吸附—电性中和
胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电
荷，减少了胶粒间的静电引力，使胶体颗粒更易于聚沉。
驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等。
可以解释水处理中胶体颗粒的再稳定现象。
吸附架桥作用（Bridging）
分散体系中德胶体颗粒通过吸附有机物或无机高分子物质架桥连接，凝集为大的聚集体而脱稳聚沉。
①. 长链高分子架桥
②. 短距离架桥
三种类型：
①. 胶粒与不带电荷的高分子物质发生架桥，涉及范德华力、氢键、配位键等吸附力。
②. 胶粒与带异号电荷的高分子物质发生架桥，除范德华力、氢键、配位键外，还有电中和作用。
③. 胶粒与带同号电荷的高分子物质发生架桥，“静电斑”作用
胶体保护示意图
网捕—卷扫作用
投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成较大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，象筛网一样将水中胶体颗粒和悬浊质颗粒捕获卷扫下来。
网捕—卷扫作用主要是一种机械作用。
3.2.2 絮凝机理
絮凝主要是指脱稳的胶体或微小悬浮物聚集成大的絮凝体的过程。
①. 异向絮凝（Perikinetic flocculation）：由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。
布朗运动随着颗粒粒径增长而逐渐减弱，当粒径增长到一定尺寸，布朗运动不再起作用。
②. 同向絮凝（orthokinetic flocculation）：由外力推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。
胶体颗粒在外力作用下向某一方向运动，由于不同胶粒存在速度差，依此完成颗粒的碰撞聚集。
3.2.3 影响混凝效果的主要因素
客观因素：原水具有的一些特性，如水温、pH值、各种化学成分的含量及性质。
主观因素：如混凝条件等。
水温的影响
最适宜的混凝水温为20~30℃。
水温低时混凝效果差的原因：
1) 无机盐混凝剂的水解是吸热反应，水温低时，混凝剂水解缓慢，影响胶体颗粒脱稳。
例如根据范特哈甫近似规则：在常温附近，水温每降低10℃，混凝剂水解反应速度常数将降低约2~4倍。
2) 水温低时，水的黏度变大，胶粒的布朗运动减弱，胶粒运动阻力增大，影响胶粒间的有效碰撞和絮凝。
3) 水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚。
4) 水温与水的pH值有关，水温低时，水的pH值提高，相应的混凝最佳pH值也将提高。
水的pH值的影响
水的pH值对混凝效果的影响视混凝剂的品种而定。
水的pH值主要从两方面来影响混凝效果：
1) 水的pH值直接与水中胶体颗粒的表面电荷和电位有关，影响需要的混凝剂投量。
2) 水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同混凝剂的最佳水解反应所需要的pH值范围不同。
高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值影响较小。
水的碱度的影响
无机盐类水解反应过程中不断产生H+，从而消耗水的碱度。
要使pH值保持在最佳范围内，水中应有足够的碱性物质与H+中和。
天然水中均含有一定碱度（通常是HCO3ˉ）,它对pH值有缓冲作用：
(3.2)
原水碱度不够时，应投加碱剂，一般是石灰。
(3.3)
应当注意，投加的碱性物质不可过量，否则形成的Al（OH）3会溶解为负离子Al（OH）4ˉ而恶化混凝效果。
由反应式可知，每投加1mmol/L的硫酸铝，需投加3mmol/L的CaO，将水中原有的碱度考虑在内，石灰投量按下式估算：
(3.4)
式中：[CaO]——纯石灰CaO投量，mmol/L；
[a]——混凝剂投量，mmol/L；
[x]——原水碱度，按mmol/L CaO计；
[δ]——保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25~0.5 mmol/L（CaO）。
碱剂的投量一般应根据实验确定。
【例题】某地表水的总碱度为0.2 mmol/L。
市售精制硫酸铝（含Al2O3约16%）投量28mg/L。
试估算石灰（市售品纯度为50%）投量多少mg/L？
【解】投药量折合Al2O3为28mg/L×16%=4.48mg/L
Al2O3分子量为102，故投药量相当于4.48/102=0.044 mmol/L
剩余碱度取0.37 mmol/L，则得：
[CaO]=3×0.044-0.2+0.37=0.3 mmol/L
CaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.3×56/0.5=33 mg/L
水中浊质颗粒浓度的影响
（1）低浊度时，颗粒碰撞速率减小，混凝效果差。
采用的措施包括：a. 高分子助凝剂，b.在水中投加矿物颗粒如粘土等，c. 接触过滤；
（2）高浊度时，无机盐直接脱稳困难，采用预沉，或是投加高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺）。
水中有机污染物的影响
水中有机物对胶体有保护稳定作用，水中溶解性的有机物分子吸附在胶体颗粒表面好像形成一有机涂层（organic coating）一样，将胶体颗粒保护起来，阻碍胶粒之间的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝聚作用。
一般可以通过投加与氧化剂如高锰酸钾、臭氧、氯等氧化破坏有机物对胶体的保护作用，改善混凝。
混凝剂种类与投量的影响
应根据原水水质情况优选混凝剂种类。
无机混凝剂，要求：形成能有效压缩双电层或产生强烈电中和作用的形态；
有机高分子混凝剂，要求：有适量的功能团和聚合结构，较大的分子量（未必准确！）
一般考虑经济性、通过实验确定
混凝剂投加方式的影响
干投：把固态混凝剂不经水溶直接投加到要处理的原水中
湿投：将混凝剂先溶解配制成一定浓度的水溶液，然后再投加到要处理的原水中。
核心问题是水解物种的差异。
硫酸铝以稀溶液形式投加较好，三氯化铁以干投或浓溶液形式投加较好。
投加方式、投加次序应根据实验确定。
水力条件的影响
水力条件包括水力强度和作用时间两方面，详见混凝指标分析。