《水污染控制原理》课程授课教案（讲义，研究生）第五章 常规分离过程与膜分离

研究生精品课程建设教案第五章常规分离过程与膜分离（一）教学设计1.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①凝聚与絮凝②Kynch沉淀理论在沉淀、浓缩池应用③滤床过滤的流体力学④反渗透原理及超滤、反渗透及膜生物反应器1.2本章节重点本章节重点：胶体与界面理论、Kynch的沉淀理论、滤床过滤的流体力学、渗透与反渗透、超滤与反渗透原理及应用本章节难点：扩散双电层理论、絮凝动力学、水处理中的滤床过滤、1.3本章节教学内容本章教学内容如下5.常规分离过程与膜分离凝聚与絮凝5-1基本概念5-2胶体颗粒的基本性质5-3絮凝动力学5-4水处理中的凝聚与絮凝沉淀试验5-5离散颗粒的沉淀试验5-6絮凝颗粒的沉淀试验5.7浓悬浮液的沉淀试验5.8Kynch的沉淀理论浓缩池5.9利用Kynch理论确定浓缩池面积5.10利用固体通量曲线确定浓缩池面积滤床过滤5.11滤床过滤的流体力学5.12水处理中的滤床过滤膜分离5.13膜分离法概述5.14反渗透5.15超滤1

1 研究生精品课程建设教案 第五章 常规分离过程与膜分离 （一）教学设计 1.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①凝聚与絮凝 ②Kynch 沉淀理论在沉淀、浓缩池应用 ③滤床过滤的流体力学 ④反渗透原理及超滤、反渗透及膜生物反应器 1.2本章节重点 本章节重点：胶体与界面理论、Kynch 的沉淀理论、滤床过滤的流体力学、 渗透与反渗透、超滤与反渗透原理及应用 本章节难点：扩散双电层理论、絮凝动力学、水处理中的滤床过滤、 1.3 本章节教学内容 本章教学内容如下 5.常规分离过程与膜分离 凝聚与絮凝 5-1 基本概念 5-2 胶体颗粒的基本性质 5-3 絮凝动力学 5-4 水处理中的凝聚与絮凝 沉淀试验 5-5 离散颗粒的沉淀试验 5-6 絮凝颗粒的沉淀试验 5.7 浓悬浮液的沉淀试验 5.8 Kynch 的沉淀理论 浓缩池 5.9 利用 Kynch 理论确定浓缩池面积 5.10 利用固体通量曲线确定浓缩池面积 滤床过滤 5.11 滤床过滤的流体力学 5.12 水处理中的滤床过滤 膜分离 5.13 膜分离法概述 5.14 反渗透 5.15 超滤

5.16膜生物反应器1.4本章节教学方法1.情景导入水体和大气Tyndalleffec、胶体溶液入手，引入胶体概念、连通器原理图片入手，渗透、反渗透概念。2.双案例关联胶体、MBR在基础研究方面的应用（案例九）CMF在工程设计方面的应用（案例十）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：①胶体的定义、现象、②双电层理论、电动电位、零电点、③凝聚与絮凝、④Kynch沉淀理论与设计、③滤床过滤用到哪些流体力学原理、③膜的定义、渗透与反渗透等、③海水饮用分析等，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1.凝聚与素凝胶体的基本性质、絮凝动力学、水处理中的凝聚与絮凝2.沉淀试验离散、絮凝颗粒、浓悬浮液的沉淀分析、Kynch沉淀理论、Kynch理论与浓缩池设计3.滤床过滤滤床过滤的流体力学、水处理中的滤床过滤4.膜分离膜分离法、反渗透与正渗透、超滤与MBR2

2 5.16 膜生物反应器 1.4 本章节教学方法 1. 情景导入 水体和大气 Tyndall effec、胶体溶液入手，引入胶体概念、连通器原理图片 入手，渗透、反渗透概念。 2.双案例关联 胶体、MBR 在基础研究方面的应用（案例九） CMF 在工程设计方面的应用（案例十） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课 程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何 应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这 类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握 情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分， 主要问题有：①胶体的定义、现象、②双电层理论、电动电位、零电点、③凝聚 与絮凝、④Kynch 沉淀理论与设计、⑤滤床过滤用到哪些流体力学原理、⑥膜的 定义、⑦渗透与反渗透等、⑧海水饮用分析等，结合最后的理论课闭卷考试完成 对课程教学的考核。 （二）教学内容 1. 凝聚与絮凝 胶体的基本性质、絮凝动力学、水处理中的凝聚与絮凝 2. 沉淀试验 离散、絮凝颗粒、浓悬浮液的沉淀分析、Kynch 沉淀理论、Kynch 理论与 浓缩池设计 3.滤床过滤 滤床过滤的流体力学、水处理中的滤床过滤 4.膜分离 膜分离法、反渗透与正渗透、超滤与 MBR

S5.1凝聚与絮凝1、基本概念凝聚（coagulation）、絮凝（flocculation）。2、肢体颗粒的基本性质亲、增水性胶体3、（增水性）胶体的双电层结构及其稳定性（1）颗粒表面电荷的产生（2）Gouy-Ghapman扩散双电层理论扩散双电层的电势分布：4kTW=.(5- 1)exp(-kx)ze对于球形颗粒的扩散双电层电势分布：-k(r-a)(5- 2)y=Vo（3）Stem-Grahame吸附层内Helmholtz面（IHP）和外Helmholtz面（OHP）o(5- 3)Vo-V,=Cl00+1=-0dVi-a=9(5- 4)C,C2式中：o、中i、Φd分别为颗粒表而、IHP面和OHP面处的电势：o、01、0。分别为该三处的表面电荷密度；C1、C2分别为上述两个平行板电容器的电容，又依据电中性原理，有：0+1+0=0(5- 5)OHP面是扩散双电层的起点。OHP面处电势Φd也称为扩散层电势。图5-3为完整的平板双电层结构以及电势分布规律示意图。图5-3（a2为负电荷表面吸附阴离子的情况。图5-3（b）为正电荷表面过量地吸附了反离子（负离子）的情况。颗粒表面电荷发生了反号，使热力学电势（中o）与扩散层电势（中d）符号相反。3

3 §5.1 凝聚与絮凝 1、基本概念 凝聚（coagulation）、絮凝（flocculation）。 2、肢体颗粒的基本性质 亲、憎水性胶体 3、（憎水性）胶体的双电层结构及其稳定性 （1）颗粒表面电荷的产生 （2）Gouy-Ghapman 扩散双电层理论 扩散双电层的电势分布： exp( ) 4 kx ze kT = −   （5- 1） 对于球形颗粒的扩散双电层电势分布： exp ( ) 0 k r a r a  − −       = （5- 2） （3）Stem-Grahame 吸附层 内 Helmholtz 面（IHP）和外 Helmholtz 面（OHP） 1 0 0 C i   − = （5- 3） 2 2 0 1 C C d i d      = − + − = （5- 4） 式中：ψ0、ψi、ψd 分别为颗粒表而、IHP 面和 OHP 面处的电势：σ0、σ1、 σd 分别为该三处的表面电荷密度；C1、C2 分别为上述两个平行板电容器的电容， 又依据电中性原理，有： σ0+σ1+σd=0 （5- 5） OHP 面是扩散双电层的起点。OHP 面处电势ψd 也称为扩散层电势。图 5-3 为完整的平板双电层结构以及电势分布规律示意图。图 5-3（a）为负电荷表面吸 附阴离子的情况。图 5-3（b）为正电荷表面过量地吸附了反离子（负离子）的情 况。颗粒表面电荷发生了反号，使热力学电势（ψ0）与扩散层电势(ψd)符号相 反

滑动面电位离反离子胶团边界胶格+→吸附层+扩散+胶粒W电位 电位图5-1扩散双电层理论图（3）憎水胶体的稳定与脱稳胶体颗粒表面存在双电层是其保持稳定的重要原因。当两个颗粒足够靠近以致扩散双电层相重叠时它们之间产生静电排斥力。考虑两个平行平板双电层叠加的情况，见图5-4。当两平板由无穷远分离的情况带到如图所示的h距离时，由于它们各自的扩散双电层不能充分展开而使电势中（x）呈如图所示的分布情况：d业=0。由此得两平边界条件为：在z=0和x=h时Φ=Φ0。x=h/2时，dx行平板中间位置处（x=h/2）的电位：8yKTkh(5- 6)exp(Ym2ze4yKTxh这说明，由于而对一个孤立的平板双电层，在x=h/2处，exp(2ze双电层的叠加，该处电势值增加了一倍。这将产生静电斥力以使两平板分开。保持两平板的间距为h的作用人来自静水压强差，即无穷远处静水压强Po和两平板间静水比强P之差。因此.在两平板间可列静电力和静水压力之间的平衡方程，4

4 图 5-1 扩散双电层理论图 （3）憎水胶体的稳定与脱稳 胶体颗粒表面存在双电层是其保持稳定的重要原因。当两个颗粒足够靠近以 致扩散双电层相重叠时它们之间产生静电排斥力。 考虑两个平行平板双电层叠加的情况，见图 5-4。当两平板由无穷远分离的 情况带到如图所示的 h 距离时，由于它们各自的扩散双电层不能充分展开而使电 势ψ（x）呈如图所示的分布情况： 边界条件为：在 z＝0 和 x＝h 时ψ=ψ0。x＝h/2 时， = 0 dx d 。由此得两平 行平板中间位置处（x=h/2）的电位： ) 2 exp( 8 h ze m    −  = （5- 6） 而对一个孤立的平板双电层，在 x=h/2 处， ) 2 exp( 4 h ze m    −  = 。这说明，由于 双电层的叠加，该处电势值增加了一倍。这将产生静电斥力以使两平板分开。保 持两平板的间距为 h 的作用人来自静水压强差，即无穷远处静水压强 P0 和两平 板间静水比强 P 之差。因此．在两平板间可列静电力和静水压力之间的平衡方程， Ψ电位 胶团边界 电位离 滑动面 子 反离子 扩散 层 胶粒 吸附层 胶核 ξ电位

即：IHPOHP（滑动面）IHPOHP（滑动面）格?O?+福o④$0④④0e?Reo+O+?O1④dol!-woh-虹代(-5)-d(C)中a)Y44(b)(a)图5-2Stem-Grahame双电层模型示意图中中(x)中中心0hx/2图5-3两平板双电层叠加示意图(5- 7)dP+pdy=0式中：P为平板间的静水压强：P为平板间空间电荷密度：为平板间电势分布。dpd'y dy=0(5- 8)-dx2dxdx积分得：edy（)=常数p-(5- 9)2dx在 x=h/2 时 dy=0。因此，该处只存在静水压强（Pm）。两平板因扩散双电dx层叠加产生的静电斥力（Fal）就等于Pm一Po）之差，即Fpr= Pm-Po= J"dp=-"" pdy(5- 10)5

5 即： 图 5-2 Stem-Grahame 双电层模型示意图 图 5-3 两平板双电层叠加示意图 dP + d = 0 （5- 7） 式中：P 为平板间的静水压强；ρ为平板间空间电荷密度；ψ为平板间电势分布。 ( ) 0 2 2 − = dx d dx d dx dp    （5- 8） 积分得： − ( ) 2 = 常数 2 dx d p   （5- 9） 在 x=h/2 时 = 0 dx d 。因此，该处只存在静水压强（Pm）。两平板因扩散双电 层叠加产生的静电斥力（Fdl）就等于(P m—P0)之差，即   = − = = − = = m m s FDL pm p dp d       0 0 0 （5- 10）

在两个平板靠近时不仅产个静电双电层作用力或势能，而且还存在一种范德华引力或势能V0。的作用。它是一种电磁作用。对两平板间范德华引力势能，可用下式计算：A(5- 11)VLo =- 12h?式中，A为Hamaker常数，它取次于平板的材质和介质（即水）的物理性质。对天然水中颗粒Hamaker常数为10-2110-20J。范德华引力是颗粒凝聚或平板间粘附的主要作用力。静电双电层斥力部分地甚至全部地抵消范德华引力的作用，而使颗粒保持稳定。静电双电层作用势能VDL和范德华引力势能VLo的合成称为相互作用势能（Potentialenergyofinteraction），即：A64n,kT ,r exp(-kh -VT = VDL +VLo =(5- 12)12元h2k该式表明，胶体化学作用势能VT为间距h的函数。图5-5为依据上式计算的Vr-h曲线示意图。一般地，横坐标为间距h值，单位为nm或以k-l表示。纵坐标为势能坐标，单位为erg或以kT表示。对于颗粒半径a与扩散双电层厚度k-1之比远远大于1的情况（即ka>>1），两颗粒间相互作用可用两平板相互作用来近似。图5-5代表了这类颗粒相互作用的Vr-h曲线。在该曲线上一般存在一极大值Vm称为斥能峰。这样，当两个颗粒在靠近斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生凝聚。由图5-5得分析可得出以下几点结论：4".VDL6/k图5-4胶体化学势能作用曲线示意图①根据胶体化学作用势能曲线的变化趋势，扩散双电层厚度大致可取为1/k的3倍。因此，较强的胶体化学相互作用将发生在6/k的距离范围之内。②范德华引入势能曲线决定于Hamaker常数值，因此对给定的胶体颗粒间6

6 在两个平板靠近时不仅产个静电双电层作用力或势能，而且还存在一种范德 华引力或势能 VL0。的作用。它是一种电磁作用。对两平板间范德华引力势能， 可用下式计算： 0 2 12 h A VL  = − （5- 11） 式中，A 为 Hamaker 常数，它取次于平板的材质和介质（即水）的物理性质。 对天然水中颗粒 Hamaker 常数为 10-21～10-20J。范德华引力是颗粒凝聚或平板间 粘附的主要作用力。静电双电层斥力部分地甚至全部地抵消范德华引力的作用， 而使颗粒保持稳定。静电双电层作用势能 VDL 和范德华引力势能 VL0 的合成称为 相互作用势能（Potential energy of interaction），即： 2 0 2 12 exp( ) 64 h A k h k n k T VT VDL VLO  = + =  − − （5- 12） 该式表明，胶体化学作用势能 VT 为间距 h 的函数。图 5-5 为依据上式计算的 VT-h 曲线示意图。一般地，横坐标为间距 h 值，单位为 nm 或以 k -1 表示。纵坐标为 势能坐标，单位为 erg 或以 kT 表示。 对于颗粒半径 a 与扩散双电层厚度 k -1 之比远远大于 1 的情况（即 ka>>1）， 两颗粒间相互作用可用两平板相互作用来近似。图 5-5 代表了这类颗粒相互作用 的 VT-h 曲线。在该曲线上一般存在一极大值 Vm 称为斥能峰。这样，当两个颗 粒在靠近斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生凝聚。由图 5-5 得 分析可得出以下几点结论： 图 5-4 胶体化学势能作用曲线示意图 ① 根据胶体化学作用势能曲线的变化趋势，扩散双电层厚度大致可取为 1/k 的 3 倍。因此，较强的胶体化学相互作用将发生在 6/k 的距离范围之内。 ② 范德华引入势能曲线决定于 Hamaker 常数值，因此对给定的胶体颗粒间

的相互作用，它是不变的。然而，双电层作用势能曲线却随着溶液条件的变化而变化。这是因为该势能决定于no和k-1等受溶液条件控制的参数。③当双电层作用足够强烈时，Vr-h曲线上存在一正的极大值Vm，见图5-5中曲线1。随着双电层作用减弱，即双电层作用势能曲线下移，极大值减小以致最终消失成为负值，见图5-5中曲线2。这时，颗粒间将发个脱稳而凝聚。水处理中的混凝过程就是为了实现这样的转变。斥能峰的表达式：Va - 64nokTy2 _ Ak2(5-13)ke—48元极值点是：dm=-1因此，k-不仅代表扩散双电层厚度，也是两双电层叠加产生压能峰的大致位置。压缩双电层可降低尿能峰而达到颗粒凝聚。降低飞值的办法可由增加溶液中离于的数量浓度n°和价数ZI来实现。溶液的离子强度I等于=。在水温为20℃时，有：22k-_ 2.8×10-(5- 14)NI式中离子强度的单位为mol/L。对z一z电解质溶液，离于强度等于电解质的物质的量浓度。使Vr-h曲线上的斥能峰Vm=0的电解质浓度称为混凝的临界电解质浓度ca。当溶液中实际的电解质浓度等于或大干ca时，Vm为零或负值，颗粒迅速发生凝聚。随着电解质中离子价数升高，C值将降低。因此，电解质中离子价数越高促进颗粒脱稳凝聚所需浓度越低。（5）电势由上述讨论可以得出：①胶体颗粒在水中，由于表面官能团的解离，电势决定离子的吸附以及晶格缺陷等原因产生表面电荷及电势。颗粒表面电荷大部分情况受水的pH控制，并存在一电荷零点的pH（PHo）。②固液界面处静电场受到吸附层中的吸附反离子和扩散层中的反离子的屏蔽作用。吸附层内电势导线性降低而扩散层的电势则呈指数函数降低。③影响胶体颗粒稳定性的主要参数是扩散层电位d和厚度（由参数k-l代表）。增加溶液离子强度可使k值增大，表现为扩散双电层变薄。当吸附层内过量吸附反离子可引起电荷反号，使表面电位o与扩散电位中d符号相反。这些都会引起肢体颗粒脱稳而凝聚。然而，中o、1、d皆为热力学电势，直接测定是困难的。通常可以测定的电势是颗粒的表面电动电势，即电势。它可用微电泳仪测定。如图5-1所示，7

7 的相互作用，它是不变的。然而，双电层作用势能曲线却随着溶液条件的变化而 变化。这是因为该势能决定于 n0 和 k -1 等受溶液条件控制的参数。 ③ 当双电层作用足够强烈时，VT-h 曲线上存在一正的极大值 Vm，见图 5-5 中曲线 1。随着双电层作用减弱，即双电层作用势能曲线下移，极大值减小以致 最终消失成为负值，见图 5-5 中曲线 2。这时，颗粒间将发个脱稳而凝聚。水处 理中的混凝过程就是为了实现这样的转变。 斥能峰的表达式：   48 64 2 2 2 0 Ak ke n kT Vm = − （5- 13） 极值点是：dm=k-1 因此，k -1 不仅代表扩散双电层厚度，也是两双电层叠加产生斥 能峰的大致位置。压缩双电层可降低斥能峰而达到颗粒凝聚。降低 k -1 值的办法 可由增加溶液中离于的数量浓度 n1 0 和价数 z1 来实现。溶液的离子强度 I 等于 0 2 1 2 1 i n z 。在水温为 20℃时，有： I k 4 1 2.8 10− −  = （5- 14） 式中．离子强度的单位为 mol/L。对 z—z 电解质溶液，离于强度等于电解质的物 质的量浓度。 使VT-h曲线上的斥能峰Vm＝0的电解质浓度称为混凝的临界电解质浓度ca。 当溶液中实际的电解质浓度等于或大干 ca 时，Vm 为零或负值，颗粒迅速发生凝 聚。随着电解质中离子价数升高，ca 值将降低。因此，电解质中离子价数越高， 促进颗粒脱稳凝聚所需浓度越低。 （5）ζ电势 由上述讨论可以得出： ①胶体颗粒在水中．由于表面官能团的解离，电势决定离子的吸附以及晶格 缺陷等原因产生表面电荷及电势。颗粒表面电荷大部分情况受水的 pH 控制，并 存在一电荷零点的 pH（PH0）。 ②固液界面处静电场受到吸附层中的吸附反离子和扩散层中的反离子的屏 蔽作用。吸附层内电势导线性降低而扩散层的电势则呈指数函数降低。 ③影响胶体颗粒稳定性的主要参数是扩散层电位ψd 和厚度（由参数 k -1 代 表）。增加溶液离子强度可使 k 值增大，表现为扩散双电层变薄。当吸附层内过 量吸附反离子可引起电荷反号，使表面电位ψ0 与扩散电位ψd 符号相反。这些都 会引起肢体颗粒脱稳而凝聚。 然而，ψ0、ψ1、ψd 皆为热力学电势，直接测定是困难的。通常可以测定的 电势是颗粒的表面电动电势，即ζ电势。它可用微电泳仪测定。如图 5-1 所示

电势是双电层内滑动面处的电势。当存在直流外电场时，胶体颗粒发生定向迁移，从而引起固液两相分离。这称为颗粒的电泳。由于吸附层中的离子和极性水分子被牢固地束缚农表面处，因而随颗粒一起移动。表面滑动一般发生在外Helmholtz面附近。因此，电势的大小和符号与扩散层电势Φd相近。一般都假定：S=d(5- 15)当对电泳槽两端施加直流电压时，可通过显微镜观测到电泳槽中胶体颗粒在水中向正极（带负电胶体）或负极（带正电胶体）运动的迁移率。颗粒电泳迁移率uc定义为"="(5- 16)式中，ue为颗粒电泳迁移速度，单位为um/s；E为施加的外电场强度，以电压与两电极间距离之比表示，单位为v/cm。因而uc的单位是um·s-/V·cml。这样定义其单位是为了计算方便。M。uc与电势的关系为28三 f(ka)(5- 17)ue=3u式中，为水的介电常数；u为水的粘度；f（ka）为修正系数。a为颗粒半径。当水温为25℃时，=7.08×10-10c/V·m，μ=0.001kg/m·s，上式变为：u。=4.72×10-2gf(ka)(5- 18)式中，电势的单位是mV。4、凝动力学脱稳的胶体颗粒必须和其它的胶体颗粒接触才能发生凝聚。就目前的观点认为，颗粒之间发生碰撞接触是由三种物理传输过程所致。这三种物理传输过程是异向絮凝（perikineticflocculation），同向絮凝（orthokineticflocculation），差降絮凝（differentialsettling）。（1）异向絮凝胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象（这里指颗粒已处于脱稳状态，所以相碰后可粘在一起）在胶体化学中称为异向絮凝（perikineticflocculation）。（2）同向絮凝使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗粒凝聚，速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝（orthokineticflocculation），给水处理中的絮8

8 ζ电势是双电层内滑动面处的电势。当存在直流外电场时，胶体颗粒发生定向迁 移，从而引起固液两相分离。这称为颗粒的电泳。由于吸附层中的离子和极性水 分子被牢固地束缚农表面处，因而随颗粒一起移动。表面滑动一般发生在外 Helmholtz 面附近。因此，ζ电势的大小和符号与扩散层电势ψd 相近。一般都假 定： ζ=ψd （5- 15） 当对电泳槽两端施加直流电压时，可通过显微镜观测到电泳槽中胶体颗粒在 水中向正极（带负电胶体）或负极（带正电胶体）运动的迁移率。颗粒电泳迁移 率 uc 定义为 E v u c c = （5- 16） 式中，uc 为颗粒电泳迁移速度，单位为μm/s；E 为施加的外电场强度，以电压 与两电极间距离之比表示，单位为 v/cm。因而 uc 的单位是μm·s -1 /V·cm-1。这 样定义其单位是为了计算方便。M。uc 与ζ电势的关系为 ( ) 3 2 uc f ka   = （5- 17） 式中，ξ为水的介电常数；μ为水的粘度；f（ka）为修正系数。a 为颗粒半径。 当水温为 25℃时，ζ=7.08×10-10C/V·m，μ＝0.001kg/m·s，上式变为： 4.72 10 ( ) 2 uc f ka − =  （5- 18） 式中，ξ电势的单位是 mV。 4、絮凝动力学 脱稳的胶体颗粒必须和其它的胶体颗粒接触才能发生凝聚。就目前的观点认 为，颗粒之间发生碰撞接触是由三种物理传输过程所致。这三种物理传输过程是 异向絮凝（perikinetic flocculation），同向絮凝（orthokinetic flocculation），差 降絮凝（differential settling）。 （1）异向絮凝 胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象（这里指颗粒已处于脱稳状态，所 以相碰后可粘在一起）在胶体化学中称为异向絮凝（perikinetic flocculation）。 （2）同向絮凝 使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗 粒凝聚．速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运 动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种搅拌使胶体颗 粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝（orthokinetic flocculation），给水处理中的絮

凝池就是体现同向絮凝的设备。（3）差降絮凝对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝，除同向、异向絮凝之外：还存在着所谓差降絮凝。大的颗粒以较快速度下降过程中，能赶上沉速较小的小颗粒，因而发生碰撞，产生絮凝现象。①颗粒直径越小，扩散传递速率越大。②对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒直径越大，这些作用越显著。③存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。对于上述计算实例，这一特定颗粒直径大约在0.1um和1um之间。5、水处理中的絮凝与凝聚（1）水处理中的混凝特点（2）铝盐和铁盐的混凝性质凝聚和絮凝过程有下列四种作用：①双电层压缩：②吸附中和；③吸附架桥：④絮体网捕至今无机混凝剂的最佳剂量的确定仍依靠烧杯实验。有时，颗粒电泳测定尺寸分布测定及可滤性测定也可作为辅助手段。（3）加药混合于絮凝池设计混凝单元操作中的加药混合是通过迅速搅拌（机械的或水力的）达到混凝剂与颗粒物质的充分接触，其平均流速梯度G值的确定与混凝剂的凝聚机理密切相关。n为Kolmogoroff涡旋微尺度，且n=( /)(5- 19)式中，ε为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；v为水的运动粘度，且v=μ/p。上式表明，单位质量流体的能量耗散ε控制着涡旋微尺度的长短、而混合设备中紊流的平均速度梯度G亦与能量耗散ε和水的运动粘度v有定量关系，即G=(s/v)(5- 20)因此，通过控制G值就可以调整涡旋微尺度的长短。第二节沉淀实验9

9 凝池就是体现同向絮凝的设备。 （3）差降絮凝 对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝，除同向、异向絮凝之外．还存在着所 谓差降絮凝。大的颗粒以较快速度下降过程中，能赶上沉速较小的小颗粒，因而 发生碰撞，产生絮凝现象。 ① 颗粒直径越小，扩散传递速率越大。 ② 对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒直径越大， 这些作用越显著。 ③ 存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。对于上述计算实例，这一特 定颗粒直径大约在 0.1μm 和 1μm 之间。 5、水处理中的絮凝与凝聚 （1）水处理中的混凝特点 （2）铝盐和铁盐的混凝性质 凝聚和絮凝过程有下列四种作用： ① 双电层压缩：② 吸附中和；③ 吸附架桥；④ 絮体网捕 至今无机混凝剂的最佳剂量的确定仍依靠烧杯实验。有时，颗粒电泳测定， 尺寸分布测定及可滤性测定也可作为辅助手段。 （3）加药混合于絮凝池设计 混凝单元操作中的加药混合是通过迅速搅拌（机械的或水力的）达到混凝剂 与颗粒物质的充分接触，其平均流速梯度 G 值的确定与混凝剂的凝聚机理密切相 关。η为 Kolmogoroff 涡旋微尺度，且 ( )4 1 3  = v /  （5- 19） 式中，ε为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；v 为水的运动粘度，且 v＝μ/ ρ。上式表明，单位质量流体的能量耗散ε控制着涡旋微尺度的长短、而混合设 备中紊流的平均速度梯度 G 亦与能量耗散ε和水的运动粘度 v 有定量关系，即 ( )2 1 G =  / v （5- 20） 因此，通过控制 G 值就可以调整涡旋微尺度η的长短。 第二节 沉淀实验

1、两类悬浮颗粒：（1）离散颗粒：（2）絮凝颗粒2、离散颗粒的沉淀实验（1）离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分数为：1"vdPP=100-P +位于水面能够100%地去除的最小颗粒沉速V*实际就是沉淀池的设计溢流率（overflowrate也称表向负荷或过流率）。U·AC·池宽_U·沉淀池断面面积沉淀池流量AC.U-I一溢流率V+Cv.Cv.·池宽沉淀池表面积沉淀池表面面积3、絮凝颗粒的沉淀试验（1）沉淀时间为t+时去除悬浮物的百分数可表示为：P= P* +(P - P.)+.+m(P -P)+(Pi, -P2)+(100-Pl)V.（2）絮体颗粒特点：Px= P+h/(P-P)+≤/ (P=-P)+h/.(P-P)+hg/=.(100- P)VV.VsV*4、浓悬浮液的沉淀试验（1）浓悬浮液的沉淀特点：讨论常见类型（a）。整个沉淀柱分四个区：清水区、等浓度区、变浓度区及压实区。清水区下面的各区总称为悬浮物区或污泥区。（2）固体通量曲线固体通量Φ的定义为：Φ=vp5、Kynch的沉淀理论（1）Kynch理论介绍Kynch沉淀理论的基本假定可以归纳成下列三条：①在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，这一水平层内的10

10 1、两类悬浮颗粒： （1）离散颗粒：（2）絮凝颗粒 2、离散颗粒的沉淀实验 （1）离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分数为：  = − + * 0 * * 1 100 P vdP v P P 位于水面能够 100％地去除的最小颗粒沉速 v*实际就是沉淀池的设计溢流率 （overflow rate 也称表向负荷或过流率）。 溢流率 沉淀池表面积 沉淀池流量 沉淀池表面面积 沉淀池断面面积 池宽 池宽 = =  =    =  = U Cv U AC U Cv AC v * * * 3、絮凝颗粒的沉淀试验 （1）沉淀时间为 t*时去除悬浮物的百分数可表示为： ( ) ( ) ( ) (100 ) ' 1 * ' 2 ' 1 * ' 1 3 ' 2 * ' 2 * ' * ' * − − − − − − − − − = + − ++ − + − + − n n n n n n n n n k n k P v v P P v v P P v v P P v v P P （2）絮体颗粒特点： (100 ) / ( ) / ( ) / ( ) / 6 * 6 * 6 5 * 5 * 5 4 * 4 * 4 * * 3 * * P v h t P P v h t P P v h t P P v h t PR = P +  − +   −  +   −  +  −  4、浓悬浮液的沉淀试验 （1）浓悬浮液的沉淀特点： 讨论常见类型（a）。整个沉淀柱分四个区：清水区、等浓度区、变浓度区 及压实区。清水区下面的各区总称为悬浮物区或污泥区。 （2）固体通量曲线 固体通量φ的定义为：  = v 5、Kynch 的沉淀理论 （1）Kynch 理论介绍 Kynch 沉淀理论的基本假定可以归纳成下列三条： ① 在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，这一水平层内的