《水质工程学》课程授课教案（讲稿）04混凝

第周，第4讲次课程名称：《水质工程学I》要摘第二章混凝S2-1混凝机理32-2混凝剂和助凝剂授课题目（章、节）【目的要求】使学生了解混凝机理，混凝剂和助凝剂的性能作用。【重点】胶体稳定性，混凝机理；混凝动力学，混凝剂性能作用【难点】混凝机理：混凝动力学内容

课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 4 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 第二章 混凝 §2—1 混凝机理 §2—2 混凝剂和助凝剂 【目的要求】使学生了解混凝机理，混凝剂和助凝剂的性能作用。 【重 点】胶体稳定性，混凝机理；混凝动力学，混凝剂性能作用 【难 点】混凝机理；混凝动力学 内 容

【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】第2章混凝将不易沉淀的胶体和微粒，用混凝剂进行混凝；形成较大的矾花，再进行沉淀处理，使其由水中去除。2-1混凝机理1、混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。（凝聚：水中胶体失去稳定性的过程混凝：（脱稳）。絮凝：脱稳胶体相互聚集的过程。一、水中胶体的稳定性：1、胶体稳定：凡沉降速度十分缓慢的胶体粒子及微小悬浮物，均认为是稳定的。实验：1μm的粘土沉1cm需2h左右0. 1 μm沉1cm需86hIm μ沉1cm需100年（计算）主要是由于布朗运动对微小粒子沉淀的影响。动力学稳定：颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。2、胶体稳定性分类聚集稳定：胶体粒子间因表面同性电荷相斥或水化膜的阻碍作用大于聚集作用，而使胶体颗粒不能相互聚集的特性。胶体相互聚结的三个不利条件。在物理化学中已讲了胶体的带电性

【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】第 2 章 混凝 将不易沉淀的胶体和微粒，用混凝剂进行混凝；形成较大的矾 花，再进行沉淀处理，使其由水中去除。 2-1 混凝机理 1、混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。 凝聚：水中胶体失去稳定性的过程 混凝： （脱稳）。 絮凝：脱稳胶体相互聚集的过程。 一、水中胶体的稳定性： 1、胶体稳定：凡沉降速度十分缓慢的胶体粒子及微小悬浮物， 均认为是稳定的。 实验：1μm 的粘土 沉 1 ㎝ 需 2h 左右 0.1μm 沉 1cm 需 86h 1mμ 沉 1cm 需 100 年(计算) 主要是由于布朗运动对微小粒子沉淀的影响。 动力学稳定：颗粒布朗运动对抗重力 2、胶体稳定性分类 影响的能力。 聚集稳定：胶体粒子间因表面同性电 荷相斥或水化膜的阻碍作 用大于聚集作用，而使胶体颗 粒不能相互聚集的特性。 胶体相互聚结的三个不利条件。 在物理化学中已讲了胶体的带电性

②由于电位的存在，胶粒不能聚集。粘土=-15~-40mV;细菌=-30~-70mv;藻类=-10~-15mV。检测电位可用电泳法和激光多普勒电泳法。DE·S2=4元4元m×9×10*VS=DEu一电泳速度（cm/s)E一静电系电势单位（v/cm）/s）①双电层理论：呈现电性的是滑动面中的胶粒。天然水中胶体一般带负电。包括：粘土、细菌、病毒、藻类、腐植物等都呈现胶体性质。+滑动面+d-图15-1-胶体双电层结构示意②由于电位的存在，胶粒不能聚集。粘土=-15~-40mV;细菌=-30~-70mV;藻类=-10~-15mV

②由于ζ电位的存在，胶粒不能聚集。 粘土 ζ=-15～-40mv； 细菌 ζ=-30～-70mv； 藻类 ζ=-10～-15mv。 检测电位可用电泳法和激光多普勒电泳法。   4  = DE u V DE u 4 9 10 4 =     u－电泳速度(㎝/s) E － 静电系电势单位（ν/㎝） ／s） ①双电层理论：呈现电性的是滑动面中的胶粒。天然水中胶体 一般带负电。 包括：粘土、细菌、病毒、藻类、腐植物等都呈现胶体性质。 ②由于ζ电位的存在，胶粒不能聚集。 粘土 ζ=-15～-40mv； 细菌 ζ=-30～-70mv； 藻类 ζ=-10～-15mv

检测电位：可用电泳法和激光多普勒电泳法。DE·Su=4元4元×9×10*V=DED一介质的介电常数一介质粘度p（泊）E一电场强度（v/cm）静电系电势单位E（v/cm）1E（v/cm）=300v故上式×9X104V一电动电势（V)。这就是胶团稳定的原因。③两个胶团的相互作用力与距离的关系：存在的力：范德华引力静电斥力9器象a山ah何范(b)图15-2相互作用势能与粒间距离关系（α）双电层重叠；（6）能变化曲线DLVO理论：(Derjagnn）（landon）(Verwey）（Overbeek)认为当双电层发一重叠时

检测电位：可用电泳法和激光多普勒电泳法。   4  = DE u V DE u 4 9 10 4 =      D—介质的介电常数 —介质粘度ρ（泊） E—电场强度（v/cm） 静电系电势单位 E （ν/㎝） 1 E （ν/㎝）=300ν 故上式×9×104V ζ—电动电势（V）。 这就是胶团稳定的原因。 ③ 两个胶团的相互作用力与距离的关系： 存在的力：范德华引力 静电斥力 DLVO 理论:(Derjagnn) (landon) (Verwey)(Overbeek) 认为当双电层发一重叠时

i产生静电斥力与X有关用排斥势能Er表示，Er随X增大按指数关系减小，i存在范德华引力X有关用吸引势能EA表示，EA与X的二次方成反比。ii总势能：E=Er+EA当X=oa～oc间时，斥能占优势；当X=ob时，Emax（斥能能峰）最大；当X<oa时,吸引势能占优势，产生聚集。（布朗动力】沉淀一聚凝一布朗动力克服EmaxEmaxDLVO理论与Schulze-Hardy(叔采-哈迪)理论是一致的。iv水化膜作用：某些亲水胶体表面的水化作用是阻止聚集的主要因素。水是极性分子，颗粒表面的极性基团对水分子有强烈的吸附作用，使颗粒周围包裹一层水化膜。水化膜阻碍胶粒相互靠近→使范氏力不能造成颗粒聚集：某些亲水胶体的稳定主要是水化膜作用。二、硫酸铝（铝矾）在水中的化学反应：AI2(SO4)3-18H2O→AI3++0H一→+许多种氢氧化铝离子或氢氧化铝分子及水的配合物等。是一个复杂的过程。表 15-1 铝离子水解平衡常数（25℃）反应式平衡常数（1gK）4.97AP*+H,O- [AI (OH)) ++HAF3*+2HO+ [AI (OH)*+H*-9.3AP++3H:O-AI (OH)3+ 3H-15.0AP++4HO [AI (OH) *+4H23.02AI3++2HO- {Al, (OH),J+++2H7.73A/ + 4H,O- [Al, (OH),)5*+4H"- 13.94AI（OH)，（无定形）A++3OH31.2仅单核的平衡常数

ⅰ产生静电斥力与 X 有关: 用排斥势能 Er 表示, Er 随 X 增大按指数关系减小。 ⅱ存在范德华引力 X 有关: 用吸引势能 EA 表示, EA 与 X 的二次方成反比。 ⅲ总势能：E=Er+EA 当 X=oa～oc 间时，斥能占优势; 当 X=ob 时，Emax（斥能能峰）最大; 当 X<oa 时,吸引势能占优势,产生聚集。 布朗动力↗ 沉淀←聚凝←布朗动力克服 Emax ← Emax↘ DLVO 理论与 Schulze-Hardy(叔采-哈迪)理论是一致的。 ⅳ水化膜作用：某些亲水胶体表面的水化作用是阻止聚集的主要因素。 水是极性分子，颗粒表面的极性基团对水分子有强烈的吸附作用，使颗 粒周围包裹一层水化膜。 水化膜阻碍胶粒相互靠近→ 使范氏力不能造成颗粒聚集：某些亲水胶体 的稳定主要是水化膜作用。 二、 硫酸铝（铝矾）在水中的化学反应： Al2(SO4)3·18H2O → Al3++0H－→许多种 氢氧化铝离子或氢氧化铝分 子及水的配合物等。是一个复杂的过程。 仅单核的平衡常数

各种产物的多寡与浓度，水温和PH有着直接的关系。100100H,0101,411,3-1,48013,3280F160F60(%) 31,2~n402-V203.4 13, 3220~13F2,211.1LZ?810*12U(2) plip在不间pH值下，铝离子水解产物TAl、（OHD),1(aw-+的相对含量（曲线旁数字分别表示和y)（1）铝总瘀度为0.1mal/L：（2）铝总浓度为10*mol/L，水墨25℃CT AI3+=0.1M>以（AI1304(OH)24）7+为主PH=5.0CTA/3+=10-5M则（AI13O4(OH)24）7+很少。酸性水中PH=4~5时：则以多核羟基配合物为主。(AI2(OH)2) 4+ ;(AI2(OH)2) 5+:(AI13O4(OH)24)7+中性水PH=6.57.5：以AI(OH)3为主。碱性水PH>8.5：以负离子态为主，(AI(OH)4) -许多问题还没有搞清！三、混凝机理：电性中和哪一种作用为主，则由混凝剂的种类、投加三种作用吸附架桥量、胶体性质及浓度、-PH值等所决定，现节段卷扫仅是定性解释，正在发展定量解释。（一）电性中和：消减电位，消除能峰Emax

各种产物的多寡与浓度，水温和 PH 有着直接的关系。 CT Al3+=0.1M 以〔Al13O4(OH)24〕7+为主 PH=5.0 CT Al3+=10－5M 则〔Al13O4(OH)24〕7+很少。 酸性水中 PH=4～5 时：则以多核羟基配合物为主。 〔Al2(OH)2〕4+ ； 〔Al2(OH) 2〕5+ ； 〔Al13O4(OH)24〕7+ 中性水 PH=6.5～7.5 ： 以 Al(OH)3 为主。 碱性水 PH>8.5 ：以负离子态为主， 〔Al(OH)4〕 － 许多问题还没有搞清！ 三、混凝机理： 电性中和 哪一种作用为主，则 由混凝剂的种类、投加 三种作用 吸附架桥 量、胶体性质及浓度、 PH 值等所决定，现节段 卷扫 仅是定性解释，正在发 展定量解释。 （一）电性中和： 消减ζ电位，消除能峰 Emax

方法：向水中投加电解质，溶解出带正电荷的离子。→带负电的胶粒吸引水中更多的正离（Na+Ca2+AI3+等）使胶粒的双电层得到压缩一压缩双电层理论。使胶体呈现电中性一称为电性中和。1、临界电位k一排斥能峰Emax=0时的滑动面电位。2、电性中和后的胶体不再有排斥作用（脱稳）在布朗运动的作用下，相互碰撞形成大颗粒悬浮物。3所谓压缩双电层：就是水中增加的带正电荷的离子由于胶体的电性吸引和离子的扩散作用，使胶体的扩散层和吸附层的电位得到了“压缩”应该说是“降低”。问题：压缩双电层理论：认为是由电性吸引和离子扩散的作用，其最多达到电中性。这是与事实相矛盾的。电性中和理论：认为主要由范氏力、氢键、共价键，吸引和吸附相反电荷使胶体呈现电中性，如果加药过多，可使胶体达到电性反号。4、不同价数电解质的功效：Shoulze-Hardy（叔采—哈迪）法则：与胶体电号相反的离子之价数，对胶体稳定性起主要作用。某种胶体的絮凝电解质其临界絮凝浓度，主要决定于反粒子的价数。所以，高价电解质压缩双电层的效果远比低价电解质有效。“脱稳”所需正离子的浓度比[M-] [M] [m-]-:() (（1）加电解质，吸附模式。（2）吸附使电位降低。k示意图。（3）吸附过量，使电位降低成反号

方法：向水中投加电解质，溶解出带正电荷的离子。→ 带负电的胶粒吸 引水中更多的正离（Na+ Ca2+ Al3+等）使胶粒的双电层得到压缩—压 缩双电层理论。使胶体呈现电中性—称为电性中和。 1、临界电位ζk—排斥能峰 Emax=0 时的滑动面电位。 2、电性中和后的胶体不再有排斥作用（脱稳）在布朗运动的作用下，相 互碰撞形成大颗粒悬浮物。 3 所谓压缩双电层：就是水中增加的带正电荷的离子由于胶体的电性吸引 和离子的扩散作用，使胶体的扩散层和吸附层的电位得到了“压缩”,应该 说是“降低”。 问题： 压缩双电层理论：认为是由电性吸引和离子扩散的作用，其最多达到电 中性。这是与事实相矛盾的。 电性中和理论：认为主要由范氏力、氢键、共价键，吸引和吸附相反电 荷使胶体呈现电中性，如果加药过多，可使胶体达到电性反号。 4、不同价数电解质的功效： Shoulze-Hardy（叔采——哈迪）法则： 与胶体电号相反的离子之价数，对胶体稳定性起主要作用。某种胶体的 絮凝电解质其临界絮凝浓度，主要决定于反粒子的价数。 所以，高价电解质压缩双电层的效果远比低价电解质有效。 “脱稳”所需正离子的浓度比：       6 6 2 3 3 1 : 2 1 : : 1:             = + + + M M M （1）加电解质，吸附模式。 （2）吸附使ζ电位降低。 ζk 示意图。 （3）吸附过量，使ζ电位降低成反号

3负离净找加乾离：FAAI(2)1图15-4压缩双电层和吸附-电中和作用5、电解质投量过多的效果：→胶体重新稳定并带相反电荷。由于胶粒对正离子的过多吸引（吸引包括静电力、范氏力、氢键、共价键等）使胶粒带正电重新稳定。滑动面内正离子带电量大于胶粒所带负电荷。胶粒带正电。问题：仅（AI(H2O)6）3+能压缩双电层，当PH3下运行。还有其它作用。6、吸附作用（理论）：分子量越大→吸附作用越强水处理PH>3吸附能力(AI13O4(OH)24)7+>(AI3(OH)4)5+>：（AI2(OH)2)4+原因：电价高，但主要是分子量大。所以我们称：“吸附一一电性中和”。（二）吸附架桥：（絮凝）是高分子混凝剂。胶粒高分子胶粒高分子架桥模型示意图15-5

◼ 5、电解质投量过多的效果： →胶体重新稳定并带相反电荷。 由于胶粒对正离子的过多吸引（吸引包括静电力、范氏力、氢键、共价 键等）使胶粒带正电重新稳定。 滑动面内正离子带电量大于胶粒所带负电荷。 胶粒带正电。 问题：仅〔Al(H2O)6〕3+能压缩双电层，当 PH3 下运行。还有其它作用。 6、吸附作用（理论）： 分子量越大→吸附作用越强 水处理 PH>3 吸附能力 〔 Al13O4(OH)24〕7+ > 〔Al3(OH)4〕5+ > 〔Al2(OH)2〕4+ 原因：电价高，但主要是分子量大。所以我们称：“吸附——电性中和” 。 （二）吸附架桥： （絮凝）是高分子混凝剂

主要是由链状高分子的吸附作用。（1）当投量适量时，高分子与多个胶体吸付形成大颗粒的悬浮物。（2）当高分子投量过多时，胶粒周围均被高分子吸附形成高分子覆盖层这个覆盖层阻碍胶粒碰撞凝聚。（电性斥力（带电高分子）使胶粒具有斥力（水化膜（3）最佳投量：即把胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的胶粒不易脱落。高分子胶粒1排斥排斥图15-6胶体保护示意吸附理论认为胶粒表面由高分子覆盖1/2时絮凝效果最好。但现无法测定。由试验确定。（4）高分子混凝剂：要求具有相当大数目（高分子尺寸）及形成链状。铝盐水解产物：（AI(OH)3）n(水中性的产物）有可能起架桥作用（目前有争议)。有机高分子絮凝剂：聚丙稀先胺等，（以后讲）（三）网捕或卷扫混凝剂投量很大时，形成大量的氢氧化物（铝、铁）沉淀，这些沉淀物有机械的网捕、卷扫作用，去除水中的颗粒。如铝盐的投量与水的剩余浊度的关系

主要是由链状高分子的 吸附作用。 （1） 当投量适量时，高分子与多个胶体吸付形成大颗粒的悬浮物。 （2）当高分子投量过多时，胶粒周围均被高分子吸附形成高分子覆盖层， 这个覆盖层阻碍胶粒碰撞凝聚。 电性斥力（带电高分子） 使胶粒具有斥力 水化膜 （3）最佳投量：即把胶粒快速絮凝起来，又可使絮凝起来的胶粒不易脱 落。 吸附理论认为胶粒 表面由高分子覆盖 1/2 时絮凝效果最好。但现无法测定。由试验确定。 （4）高分子混凝剂：要求具有相当大数目（高分子尺寸）及形成链状。 铝盐水解产物：〔Al(OH)3〕n(水中性的产物) 有可能起架桥作用（目前 有争议）。 有机高分子絮凝剂：聚丙稀先胺等，（以后讲） （三）网捕或卷扫 混凝剂投量很大时，形成大量的氢氧化物（铝、铁）沉淀，这些沉淀物 有机械的网捕、卷扫作用，去除水中的颗粒。 如铝盐的投量与水的剩余浊度的关系

失N度的颗粒复稳的颗粒矾花扫除区-1g铝矾剂量最佳铝矾剂量(1)在低浊水处理中，常用网捕卷扫区。(2)高浊水处理应用最佳铝矾投配量。(3)网捕特点：混凝剂用量多，易控制。（四）分析：1铝矾：（1）由PH值决定各种络合离子所占的比例不同。PH值离子态作用备注PH<3(AI2 (HO)6) 3+压缩双电层给水处理中少见简单水合铝离子电性矾花较PH=4.5~6.0(AI13O4(OH)24) 7+中和密实(AI(OH)4) 5+多核羟基配合物PH=7 ~7.5(AI(OH)3) n吸附架桥作用电中性羟基配合物电性中和（2）、铝矾投量的区别：对天然水而言PH=6.5~7.8投量作用现象少电性中和高浊水胶体聚沉电性中和略有增加高浊水胶体聚沉吸附架桥加大量胶体电荷变号无聚沉再稳（复稳）投量大网捕、扫除AI(OH)3沉淀去除胶体颗粒在一定PH下，几种作用都可能出现，但程度不同

(1)在低浊水处理中，常用网捕卷扫区。 (2)高浊水处理应用最佳铝矾投配量。 (3)网捕特点：混凝剂用量多，易控制。 （四）分析: 1 铝矾: （1）由 PH 值决定各种络合离子所占的比例不同。 PH 值 离子态 作用 备注 PH<3 〔Al2 (HO)6〕3+ 压缩双电层 给水处理中少见 简单水合铝离子 PH=4.5～6.0 〔Al13O4(OH)24〕7+ 电性 矾花较 〔Al(OH)4〕5+ 中和 密实 多核羟基配合物 PH=7 ～7.5 〔Al(OH)3〕n 吸附架桥作用 电中性 羟基配合物电性中和 （2） 、铝矾投量的区别： 对天然水而言 PH=6.5～7.8 投量 作用 现象 少 电性中和 高浊水胶体聚沉 略有增加 电性中和 高浊水胶体聚沉 吸附架桥 加大量 胶体电荷变号 无聚沉 再稳（复稳） 投量大 网捕、扫除 Al(OH)3 沉淀 去除胶体颗粒 在一定 PH 下，几种作用都可能出现，但程度不同。 复稳的颗粒 剩 余 浊 度 稳 定 的 颗 粒 失 稳 的 颗 粒 矾花扫除区 lg铝矾剂量 最佳铝矾剂量