1-3 Mechanisms of coagulation and flocculation在线视频

同学们好，接下来我们介绍混凝的第3节水的混凝机理与过程

在这一讲里，我们首先介绍铝盐在水中的化学反应

在此基础上介绍水的混凝机理和水的混凝过程

在水与废水处理中，我们常用的无机混凝剂有铝盐和铁盐

其中硫酸铝是使用历史最长，目前仍然应用广泛的一种无机混凝剂

它的混凝机理在水处理中非常具有代表性

因此，我们首先介绍硫酸铝在水中的化学反应，对于帮助理解混凝机理具有重要意义

我们先来看看，硫酸铝投入水中后会发生什么反应？

硫酸铝溶解于水中，就会立即离解出铝离子

但铝离子不是以单个离子在水中存在，而通常是以水合的形式

也就是说铝离子在中间、周围包裹6个配位水分子

组成八面体的水合形态存在

这种水合铝离子在水中首先要发生水解反应

也就是配位的水分子发生离解，其离解过程如这个化学反应方程所示

6个配位水分子的水合铝离子，在水解过程中

释放出一个水分子，结合一个羟基，价数降低，同时释放出一个氢离子

这个水解产物还可以继续水解下去

随着水解过程的不断进行，就会生成各种各样的羟基铝离子

水解产物的价数也会降低，同时pH值会降低

如果这个水解反应不断逐级的进行，最终就会产生氢氧化铝沉淀物

但铝盐在水中的反应比上述反应要复杂得多

在水解过程中，还会发生两个羟基的架桥连接

即发生高分子的缩聚反应

比如2个单核单羟基的2价水合铝离子

相邻的2个羟基发生架桥，就会生成双核双羟基的4价配合物

这个缩聚反应就会导致水解产物的电荷升高，聚合度也会增加

因此随着缩聚反应的进行，就会产生各种多核羟基配合物或聚合物

这种水解反应和缩聚反应是交错进行的，因此就会产生各种形态的产物

包括未水解的水合铝离子、单核羟基配合物

多核羟基配合物或聚合物以及氢氧化铝沉淀物

而各种水解产物的相对比例与水解条件如水温、pH、铝盐投加量等有关

在了解了硫酸铝在水中的化学反应和存在形态的基础上

下面我们就来看看水的混凝机理

"混凝"一词通常包括两个含义，第一是凝聚，第二是絮凝

凝聚是指胶体颗粒由于混凝剂的投加

使双电层被压缩而失去稳定性、脱稳，进而发生相互凝聚的过程

而絮凝是指脱稳的胶体进一步聚集成大颗粒絮体的过程

因此混凝是凝聚与絮凝过程的总称

分别对于英文中的coagulation和flocculation两个单词

与胶体化学的单一胶体体系相比，水与废水中的胶体体系要复杂得多

水中的杂质大小相差悬殊，成分也非常复杂

因此水与废水处理中涉及的混凝机理一般比较复杂，迄今还没有一个统一的认识

下面我们介绍目前认识比较统一的四种混凝机理

首先是双电层压缩机理

在前面我们介绍过憎水胶体的聚集稳定性主要取决于胶粒的ζ电势

而根据DLVO理论，要使胶体脱稳，必须要降低ζ电势

这样才能降低和消除排斥能峰

通过在水中投加混凝剂就可以达到这样的目的

我们来看看这个图

这是把胶核表面放大后变成一个平面来进行讨论的情景

当我们把混凝剂，比如铝盐、铁盐投加在胶体溶液中

混凝剂溶解后就会提供大量的正离子

这些正离子就会扩散进入胶体的扩散层甚至吸附层

这样会产生什么样的结果呢？

我们来看看这个电势图

由于胶核表面的总电势不变

扩散层及吸附层内增加的正离子浓度相当于把扩散层变薄

即产生了压缩双电层的作用，也相当于使胶核滑动面的电势降低

从而使胶体稳定性降低，胶体之间就会发生碰撞并发生凝聚

从理论上讲，当滑动面的ζ电势降低为0时

也就是说达到等电状态时混凝效果最好

但实际上电势并不需要降低到0

只需要降低到一定程度，比如降低到ζk的这个值

这个时候胶粒间的排斥能峰就会趋近于0，胶粒就会发生明显的凝聚

此时的ζ电势我们称为临界电势

双电层压缩机理是从胶体化学中电解质对胶体的脱稳作用发展来的

主要用于解释无机混凝剂所提供的简单离子对胶体所起的脱稳和凝聚作用

用这个机理我们可以很好地解释河川入海口泥沙淤积的现象

当河川的淡水进入海口时，由于海水混入河水

就会使河水中的盐浓度增加，而导致河水中挟带的胶体颗粒的稳定性降低

从而发生凝聚、絮凝，进而沉积，最后就会逐渐形成三角洲

在双电层压缩机理中，混凝剂对胶体颗粒的混凝效果与离子价数有关

和胶体化学中的叔采-哈代法则是一致的

比如对于带负电荷的胶体而言

脱稳所需的正离子浓度与离子价数的倒数的6次方成正比

也就是说，混凝剂所含离子价数越高，起到的混凝效果就会越好

但我们在混凝过程中，还会遇到这样的现象

就是混凝剂有时投加多了，反而混凝效果不好

还有投加与胶粒带同样电荷的聚合物，比如高分子物质也可以获得良好的混凝效果

这些现象都不能通过刚才我们给同学们介绍的压缩双电层机理来进行解释

因此进一步就发展出了其它的混凝机理

下面我们就介绍第二种机理，吸附电性中和作用机理

吸附电性中和是指胶核表面直接吸附异号的聚合离子

或者异号的胶粒或链状高分子带异号的部位

来降低胶粒的ζ电势，使胶体颗粒脱稳的过程

这个吸附作用除了与静电力有关以外

还与范德华力、氢键及共价键等作用有关

当混凝剂投加量适中时，通过胶核表面直接吸附异号聚合离子和高分子物质

可以使胶粒的ζ电势降低到临界电势ζk的水平，使胶粒脱稳并发生凝聚

但是，如果混凝剂投加量过多时，胶核表面就会吸附过多的异号离子

从而使胶核表面电荷变号，而胶体重新稳定

吸附电性中和理论是在对传统铝盐和铁盐混凝剂的特点

进行分析的基础上发展出来的混凝机理

它能够很好地解释压缩双电层理论所不能解释的现象

可用于解释金属混凝剂对胶体颗粒的脱稳和凝聚作用

下面我们介绍第三个混凝机理，也就是关于吸附架桥作用机理

吸附架桥作用是指高分子物质与胶粒之间发生的吸附架桥

也可能是两个大的同号胶粒被中间一个小的异号胶粒架桥连接的情况

高分子物质与胶粒之间的吸附架桥是通常我们常见的情况

高分子聚合物通常具有线性结构

同时具有能与胶粒表面某些部位起作用的化学基团

当我们把高分子聚合物分散在水中、与胶粒接触时

高分子链的一端就会吸附某一胶粒，而另一端吸附另一胶粒

就形成了胶粒-高分子-胶粒的絮凝体

高分子聚合物在这里就起到了胶粒与胶粒之间的吸附架桥作用

这种吸附架桥的形成与高分子聚合物的投加量有关

如果高分子聚合物投加量过低，这种吸附架桥作用就难以形成

但当高分子聚合物投加量过多时，胶体颗粒被过量投加的高分子聚合物所包裹

使胶粒不能相互接近，胶体又处于稳定状态，而产生"胶体保护"再稳现象

因此要达到理想的吸附架桥状态

就需要将高分子聚合物投加量控制在一个合理的范围

只有当高分子聚合物的投加量适中时

也就是说胶粒只有部分表面被覆盖时，才能产生比较有效的吸附架桥作用，并获得良好的混凝效果

我们一般认为高分子在胶粒表面的覆盖率在1/3到1/2范围时，混凝效果最好

利用这个机理我们可以解释投加非离子型或带同号电荷的离子型高分子混凝剂时

也能获得很好的混凝效果的现象

第四种混凝机理是网捕和卷扫机理

当金属盐混凝剂的投加量大得足以形成金属氢氧化物沉淀时

在金属氢氧化物沉淀物形成过程中就会对胶粒产生网捕和卷扫作用

这种网捕和卷扫作用属于机械作用，产生网捕和卷扫作用所需投加的混凝剂量

与原水中杂质的含量成反比

也就是说当胶粒越多所需的投加量越少，当然反过来胶粒越少所需的投加量也就越多

上面我们介绍了4种主要的水的混凝机理

但在实际水处理的混凝过程中，这4种混凝机理并不是单独存在的

往往是几种机理综合作用的结果

混凝机理和混凝效果不仅与混凝剂的物化特性有关，而且还与处理水的水质特性

比如浊度、碱度、pH值以及水中杂质等有关，因此需要我们根据具体情况作具体分析

下面我们就来看看通常我们使用的铝盐在水处理中的主要混凝机理

铝盐的混凝机理与水的pH值有关

当pH<3时，水中以简单的水合铝离子形态存在

因此，此时主要以压缩双电层作用机理为主

当pH在4.5-6之间时，水解产物主要是多核羟基配合物为主

因此，此时主要是以吸附电性中和机理为主

而当pH升高到7-7.5时，水中的水解产物主要是氢氧化铝聚合物

此时主要起吸附架桥作用，同时水中还会存在某些羟基配合物起吸附电性中和作用

在给水处理中，天然水体一般的pH值是在6.5-7.8

因此在这样的pH值体系下进行混凝的话

混凝的主要机理主要就是以吸附架桥和吸附电性中和作用机理为主

而两者以哪个机理为主，还要取决于铝盐投加量

下面我们来介绍水的混凝过程。混凝过程通常包括两个阶段

第一是凝聚过程，在凝聚过程中，投加的混凝剂主要提供正电荷的水解离子或高价离子

而通过压缩双电层或吸附电中和作用，使胶体的ζ电势降低，胶体脱稳

脱稳后的胶体进一步凝聚，生长成粒径约为10um左右的小絮凝体（或称为矾花）

在凝聚过程中，为了使混凝剂快速分散，通常需要对水流进行剧烈搅拌

而这个过程是在混合设备中完成的

第二阶段是絮凝过程

主要是通过高分子聚合物的吸附架桥，使小的絮凝体进一步生长成大的絮凝体

一般粒径需要生长到0.6-1.2mm，这样才能在后续的沉淀工艺中得到去除

在絮凝过程中，需要保持一定的反应时间使絮凝体逐渐长大

同时为了不使长大的絮凝体被打碎，水流搅拌程度应从强变弱

絮凝过程是在絮凝设备中完成的

今天关于混凝机理和混凝过程的介绍就到这儿，谢谢