水质工程学混凝
水质工程学实验指导书
水质工程学实验指导书xx工业学院市政工程实验室实验一混凝实验一、实验目的（1）通过实验确定实验水样的最佳投药量；（2）观察絮体（俗称矾花）的形成过程及混凝沉淀的效果，从而加深对混凝理论的理解。
二、实验原理天然水中存在大量胶体颗粒，是使水产生浑浊的一个重要原因，胶体颗粒靠自然沉淀是不能去除的。
水中粒径小的悬浮物以及胶体物质，由于微粒的布朗运动，胶体颗粒间的静电斥力和胶体的表面物质，致使水中这种含浊状态稳定。
向水中投加混凝剂后，由于：1、能降低颗粒间的排斥能峰，降低胶粒的ζ电位，实现胶粒“脱稳”；2、同时也能发生高聚物式高分子混凝剂的吸附架桥作用；3、网捕作用而达到颗粒的凝聚。
混凝是水处理工艺中十分重要的一个环节。
他所处理的对象主要是水中悬浮物和胶体物质。
混合和反应是混凝工艺的两个阶段，投药是混凝工艺的前提，选择性能良好的药剂，创造适宜的化学和水利条件是混凝的关键问题。
由于各种原水有很大差别，混凝效果不尽相同。
混凝剂的效果不仅取决于混凝剂投加量，同时还取决于水的PH值，水流速度梯度等因素。
投加混凝剂的多少，直接影响混凝效果。
投加量不足不可能有很好的混凝效果同样如果投加的混凝剂过多也未必能得到好的混凝效果。
水质千变万化，最佳的投加量各不相同，必须通过实验方可确定。
三、实验设备及药品1、实验器材及设备（1）六联搅拌器，1台；（2）浊度仪，1台；（3）pH计，1台。
（4）温度计，1根。
（5）1000mL量筒，1个；（6）1000mL烧杯，12个；（7）250mL烧杯，12个；（8）5mL，10ml，2ml，1ml移液管，各2个；（9）医用针筒，2个；（10）洗耳球，2个；2、药品1%浓度硫酸铝[Al2(SO4)3]溶液，或氯化铁溶液。
四、实验步骤1．测定原水的浊度及pH值。
2．用1000ml量筒分别取6个水样至6个1000mL烧杯中。
注意：取水样要搅拌均匀，以尽量减少取样浓度上的误差。
3．在6个水样中分别加入0.25、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0ml 1%浓度的Al2(SO4)3溶液。
水质工程学Ⅰ课件15混凝-3混凝动力学
∴p=μG2
ⅴ、甘布公式（Camp）:G p
G—速度梯度 S-1
当用机械搅拌时，p由搅拌机械提供；
当用水力絮凝池时， p为水流本身的耗能。
pV gh
V—水流体积 V=QT ；h — 消耗水头；
ρg =γ 代入得
ⅵ、甘布公式： G gQh QT
g—重力加速度：9.8m/s2
1、层流碰撞公式：
设水中颗粒为均匀球体，颗径di=dj=d 以j颗粒中心为圆心，以Rij=ri+rj为半径 的范围内，所有颗粒均会发生碰撞。Βιβλιοθήκη 碰撞速度N0为：N0
4 3
n2d 3G
n颗粒的数量浓度。
ri
G速度梯度：S-1
rj
G u z
u；Δu—流速及相邻两流层的流速增量； Δz—垂直水流方向两流层的间距㎝ 。 2、甘布公式：
搅拌环境下的碰撞公式（机械搅拌、 水力搅拌） ：
紊流的特点：涡旋。
甘布（T.R.Camp）和斯坦（P.C.Stein） 的公式推导。
ⅰ取一隔离体Δx；Δy；Δz。 隔离体受剪而扭转，在Δt时间内，转了
θ角。
ⅱ 其角速度：
t
Δθ较小，可由
l 代替
z
则：
l 1 t z
u z
G
（速度梯度）
N0=8πdDn2
（1）
D—扩散系数（紊流扩散和布朗扩散系数之和）。
n—颗粒的数量浓度。
紊流中，布朗运动作用太小，忽略，所以D 可近似作为紊流扩散系数。
D=λμλ λ—涡旋尺度；
（2）
μλ—相应于λ尺度的脉动速度 。
在各向同性紊流中，脉动速度μλ
式中：
1 15
•
（3）
水质工程学 第3章混凝
排 斥 势 能 E R
r
r
Er E Emax
(a)
0
a
c
间 x 距
吸 引 势 能 EA
Ea
图 6-2
相 作 势 与 粒 离 系 互 用 能 颗 距 关
（ a)双 层 叠 电 重 ； (b)势 变 曲 能 化 线
3.1.3 胶体的稳定性 胶体稳定性： 胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散 悬浮状态的特性。 悬浮状态的特性。 胶体稳定性分“动力学稳定性” 聚集稳定” 胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定” 两种。 两种。 动力学稳定性：无规则的布朗运动强， 动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力 影响的能力强。 影响的能力强。 聚集稳定性包括： 胶体带电相斥（ 聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶 ）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体） 体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体） 在动力学稳定性和聚集稳定两者之中， 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。 定性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒 的双电层结构见图6 的双电层结构见图6-1。 滑动面上的电位：称为ζ电位， 滑动面上的电位：称为ζ电位，决定了憎水胶体 的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍， 的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍， 电位降低，水化膜减薄及至消失。 当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。
3.2.1 混凝机理 1．电性中和作用机理 （1）压缩双电层 加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子， 加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产 生压缩双电层作用， 电位降低， 生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒 失去稳定性，产生凝聚作用。 失去稳定性，产生凝聚作用。 压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则， 压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝 聚能力∝离子价数6 聚能力∝离子价数6。 该机理认为ζ电位最多可降至0 该机理认为ζ电位最多可降至0。因而不能解释以 下两种现象： 混凝剂投加过多， 下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而 下降； 下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也 有良好的混凝效果。 有良好的混凝效果。
混凝实验报告
混凝实验报告实验目的，通过混凝实验，研究混凝剂对水质的净化效果，探讨最佳混凝剂用量及混凝时间，为水处理工程提供科学依据。
实验原理，混凝是指在水中加入混凝剂后，使水中的悬浮物、胶体物质凝聚成较大的絮凝体，便于后续的沉降或过滤。
混凝剂一般为阳离子、阴离子或非离子高分子物质，其作用机理主要有吸附、中和、电中和和凝聚等。
实验材料与方法：材料，实验室自来水、混凝剂（聚合氯化铝）、搅拌器、玻璃容器、pH计、浊度计等。
方法：1. 取一定量自来水倒入玻璃容器中；2. 用搅拌器将水搅拌均匀；3. 用pH计检测水的初始pH值；4. 在搅拌的同时，向水中加入不同剂量的混凝剂；5. 混凝一定时间后停止搅拌，观察絮凝体的生成情况；6. 用浊度计检测水的浊度，记录下实验数据。
实验结果与分析：经过一系列实验，我们得出以下结论：1. 随着混凝剂用量的增加，水中絮凝体的生成量逐渐增加，浊度逐渐降低，水质得到了改善；2. 随着混凝时间的延长，絮凝体的大小逐渐增加，浊度进一步降低，但当混凝时间过长时，絮凝体又会发生分散，浊度会有所上升；3. 初始水质的pH值对混凝效果也有一定影响，一般情况下，pH值在6.5-7.5之间时，混凝效果较好。
结论：混凝实验结果表明，聚合氯化铝作为混凝剂，能够有效地改善水质，提高水的透明度，减少水中的悬浮物和胶体物质。
在实际应用中，应根据水质的不同情况，合理控制混凝剂的用量和混凝时间，以达到最佳的净化效果。
总结：通过本次混凝实验，我们对混凝剂的作用机理和影响因素有了更深入的了解，为今后的水处理工程提供了有益的参考。
同时，也为我们提供了实验操作的经验，为今后的科研工作打下了坚实的基础。
实验报告撰写人，XXX。
日期，XXXX年XX月XX日。
水质工程学实验报告全解
9.2
10
加酸或碱
的量（ml）
HCL
0.55
HCL
0.3
原水
NaOH
0.1
NaOH
0.22
NaOH
0.74
浊度（NTU）
26.1
16.95
8.85
7.2
9.05
12.45
有图可知，当投加量为14ml时，浊度最低为最佳投加量
有图可知当ph=8.4时浊度最低，处理效果好，PH过大或过小都会抑制处理效果。
3、调节流量计，改变其滤速并调节进水阀门，是的过滤柱内的水面保持不变，同时读出测压板两玻璃管的读数。记录数据，重复此步骤5次。
4、关闭测压板上的两个阀门，进水阀门，将过滤柱中的水放干，用力拍过滤柱，是滤料分布均匀，量出滤层厚度。
5、关闭过滤阀门，开启反冲洗阀门，调节反冲洗流量计，改变其滤速，待滤料表面稳定后，读出滤层厚度，重复此步骤5次，记录数据。
如果水中没有细菌、氨、有机物和还原性物质，则投加在水中的氯全部以自由氯形式存在，即余氯量=加氯量
由于水中存在有机物及相当数量的氨氮化合物，它们性质很不稳定，常发生化学反应逐渐转变为氨，氨在水中是游离状态或以铵盐形式存在。加氯后，氯与氨必生成“化合性”氯，同样也起消毒作用。根据水中氨的含量，pH值高低及加氯量多少、加氯量与剩余氯量的关系，将出现四个阶段，即四个区间。
2NH2Cl+HOCl = N2↑+3HCl+H2O（5-6）
结果使氨氮被氧化生成一些不起消毒作用的化合物，余氯逐渐减少最后到最低的折点B。
第四区BC段：继续增加加氯量，水中开始出现自由性余氯。加氯量超过折点时的加氯称为折点加氯
三、实验器材及设备
六联搅拌仪，次氯酸钠漂白粉试剂，余氯检测计，1g/L的氨氮溶液，移液管1ml、5ml、10ml各一支，1000ml量筒一个，小烧杯若干，缓冲剂药片若干。
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。
水质工程学练习题(4)
水质工程学练习题(4)第三章混凝一、填空：1、水处理过程中,混凝过程主要的去除对象为胶体和微小悬浮物。
2、胶体在水中之所以稳定,主要原因为胶体的动力稳定、带电稳定和胶体的溶剂化作用。
3、常用的混凝剂有硫酸铝、三氯化铁和聚合氯化铝。
4、目前公认的四个混凝机理分别是：压缩双电层、吸附-电中和、吸附架桥、网捕-卷扫。
5、根据快速混合的原理，混合设施主要有如下四类：水利混合、水泵混合、管式混合、机械混合。
6、混凝剂与水的混合絮凝中控制水利条件的重要参数是速度梯度G值和絮凝时间T 值。
混合阶段要求的水利条件是G值为700~1000S-1，T值为10~20s，絮凝阶段要求的水利条件是平均G值为20~70S-1，GT值为1×104 ~1×105。
二、名词解释：混凝的定义总电位ζ电位压缩双电层速度梯度G--指两相邻水层的水流速度差与它们之间的距离的比值。
复合混凝剂同向絮凝异向絮凝混凝剂助凝剂三、问答题：1．试述混凝机理，及影响混凝效果的主要因素。
答：胶粒的混凝机理①压缩双电层作②吸附电中和作用③吸附架桥作用④网捕卷扫作用（4分）絮凝机理：①异向絮凝②同向絮凝（3分）影响因素：（3分）①水温的因素②PH的影响③水的碱度的影响④浊质颗粒的影响⑤水中有机污染物的影响⑥混凝剂的种类及投加量的影响⑦混凝剂的投加方式的影响2、铝盐和铁盐作为混凝剂在水处理过程中发挥哪三种作用？（1）Al3+或Fe3+和低聚合度高电荷的多核羟基配合物的脱稳凝聚作用。
（2）高聚合度羟基配合物的桥连絮凝作用。
（3）以氢氧化物沉淀形式存在时的网捕絮凝作用。
3. 混凝药剂的选择遵循哪些原则？P72第四章沉淀一、填空：1、在水处理领域中,颗粒在水中的沉降属于_层流___状态，颗粒的下沉速度可用_斯托克斯___公式计算。
2、澄清池内_泥渣__的体积浓度是提高原水中悬浮颗粒絮凝速率的决定性因素。
3、自由沉淀颗粒在水中所受的力有自身重力、水的浮力、粘滞阻力、惯性力。
11.水质工程学 I —混凝 §2-1水的混凝机理(2)(ppt文档)
Al(OH)3(H2O)3+ H2O[Al(OH)4(H2O)2]-+H3O+
水解反应与羟基桥联反应相反，聚合度并无变化，但降低
了聚合物电荷，化合物中的羟基数目不断增多，这样，缩聚和
水解交错进行，便形成多种形态高聚物，经研究，存在可能性
在低pH值下高电荷低聚合度的络合物占主要地位；在高pH值下， 低电荷高聚合度的络合物占主要地位；当pH=7～8时，聚合度 极大的中性[Al(OH)3(H2O)3]∞将占绝大多数。
由上述反应可见，降低水中H+浓度或提高pH， 水解反应趋向右方，配位水分子逐渐减少，羟基逐渐 增多，而水合羟基络合物的电荷却逐渐降低，最终生 成中性氢氧化铝难溶沉淀物。经研究：
当 pH＜4 时，水解受到抑制水中存在的主要是 [Al(H2O)6]3+
当 pH = 4 时，水中将出现[Al(OH)(H2O)5]2+单羟 基水合铝离子、 [Al(OH)2(H2O)4]+双羟基水合铝离子 及少量[Al(OH)3(H2O)3]
最大的化合物形态有：
Al3(OH)4(H2O)10]5++H2O[Al3(OH)5(H2O)9]4++H3O+
[Al6(OH)14]; 、 [Al8(OH)20]4+ 、
[Al7(OH)17]4+、 [Al13(OH)34]5+等等。
这些物质，在水中都可能以一定比例同时存在，一般说来，
2、吸附架桥作用机理
作为混凝剂的高分子物质以及
Al2(SO4)3 ，FeCl3溶于水后，经水解 和缩聚反应形成高聚物，这些物质均具
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由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间 的关系，见图6-2。当胶体距离x<oa或x>oc时，吸引 势能占优势；当oa <x< oc时，排斥势能占优势；当 x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。
胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT，当其大于排斥 能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。
硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便 将二价铁氧化成三价铁。
聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝， 性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的 摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式 计算：
B [OH ] 3[ Al ]
聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前 常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三 氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。
Ⅱ
Ⅰ δ Ⅲ δ
距离
（2）
Ⅰ δ
δ
Ⅱ
δ
距离
Ⅲ 距离
（3）
图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用
（2）吸附－电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。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，来降低电位。其特点是：当药剂投加量 过多时，电位可反号。
2．吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒 与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图6-5。 高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现 象：
压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝 聚能力离子价数6。
该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以 下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而 下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也 有良好的混凝效果。
滑动面
负离子 原有正离子 投加的正离子
Φ （-）
滑动面
Φ （-）
滑动面
电位Φ 电位Φ
（1）
胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散 悬浮状态的特性。
胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定” 两种。
动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力 影响的能力强。
聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶 体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）
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。胶体颗粒 的双电层结构见图6-1。
表6-1 常用的混凝剂
硫酸铝
铝系
明矾 聚合氯化铝（PAC）
聚合硫酸铝（PAS）
无
机
三氯化铁
硫酸亚铁
铁系
硫酸铁（国内生产少）
聚合硫酸铁
聚合氯化铁
适宜pH：5.5~8
适宜pH：5~11，但腐蚀 性强
阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物
国外开始增多，国内尚 少
人工
阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）
①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见 图6-6；
胶粒 高分子 胶粒
胶粒 排斥
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架桥模型示意
图 6-6 胶体保护示意
3．网捕或卷扫
金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的 网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含 量成反比，即当原水胶体含量少时，所需 混凝剂多，反之亦然。
滑动面上的电位：称为电位，决定了憎水胶体 的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍， 当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。
滑动面
胶 核
の
Ⅱ
ζ
Ⅰ
δd
图 6-1 胶体双电层结构示意
6.1.3 DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能， 分别由静电斥力与范德华引力产生。
排斥势能：ER－1/d2
6．1混凝机理.
6.1.1 基本概念 混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集
过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。 凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。 混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝
剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作 用。
6.1.2 水中胶体的稳定性
（a)双电层重叠； (b)势能变化曲线
6.1.4 硫酸铝在水中的化学反应
硫酸铝Al2（SO4）·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。产物包括：未水解的水合铝离子、 单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化 铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件 （水温、pH、铝盐投加量）有关，见图6-3
以上称为DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德 加根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938 年独立提出〕，伏维（Verwey）、奥贝克 （Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）。
排
斥E
Emax 0a
吸
Ea
引
势
能
EA
r c
r (a)
间距x
图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系
6.2.1 混凝剂 混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对
人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低 廉。
目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为 无机与有机两大系列，见表6-1。
与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适 用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝 体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝； ④但三氯化铁腐蚀性较强。
100 1.0
13.32 80
100 1.4
80
1.0
1.3
1.4
A1(Ⅲ)（％） A1(Ⅲ)（％）
60
60
1.2
40
40
20
1,3
20
1.1
13.32
3.4 2.2
2
4
1.1
6
8
PH
10 12
24
6
8
PH
10 12
图 6-3 在不同PH值下，铝离子水解产物[AL（x OH）](y3x-y)+ 的相对含量（曲线旁数字分别表示x和y）
6.1.6 硫酸铝的混凝机理
不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机 理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐 的投加量、pH、温度等。实际上，几种可 能同时存在。
pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电 层作用；
pH=4~5 多核羟基络合物起吸附电性中 和；
pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；
6．2 混凝剂和助凝剂
(1) 铝总浓度为0.1mol/L ； （2）铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃
6.1.5 混凝机理
1．电性中和作用机理
电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电 中和 作用机理，见图6-4。
（1）压缩双电层
加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产 生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒 失去稳定性，产生凝聚作用。