水质工程学1 XX大学 环境工程学院XX教研室水质工程学1第四章 凝聚与絮凝混凝机理02混凝剂的配置与投加06混凝动力学04胶体结构01影响因素05混凝剂与助凝剂03教学内容及要求1)理解胶体的结构及稳定性；2)掌握混凝机理以及混凝效果影响因素；3)掌握混凝剂种类及其选用原则；4)掌握混凝动力学原理；5)掌握混凝过程的特征及要求；6)理解混凝设施的类型及特点，掌握其设计计算方法。
7)了解混凝设施的运行与管理。
对象：水和废水中常常不能用自然沉降法除去的悬浮微粒和胶体污染物。
办法：1、首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体；2、再用重力沉降法予以分离。
混凝的定义：包括凝聚和絮凝两个步骤，凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，而絮凝则指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。
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。
水处理中主要杂质：◆粘土（50nm-4 μm）◆细菌（0.2μm-80μm）◆病毒（10nm-300nm）◆蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸4.1胶体的稳定性和胶体结构A:胶体的稳定性B:胶体的双电层结构C:DLVO理论4.1胶体的稳定性和胶体结构 A:胶体的稳定性（1）胶体在水中作布朗运动在水分子热运动的撞击下作不规则运动，即布朗运动。
这是胶体在水中保持稳定的因素之一。
（2）运动中的胶体带电荷电泳现象可以说明胶体微粒是带电的。
带正电的微粒：氢氧化铁、氢氧化铝等；带负电的微粒：碱性条件下的氢氧化铝和蛋白质等。
同种胶体微粒带同号电荷，静电斥力相互作用，不易凝聚。
4.1胶体的稳定性和胶体结构胶体稳定性分：“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。
1）动力学稳定性：是指胶体粒子的布朗运动对抗重力影响的能力。
胶体粒子的布朗运动足以抵抗重力影响，故而长悬，称动力学稳定。
为什么不聚集下沉呢？2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。
在布朗运动下有聚集顷向，但由于 ①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）3）两种稳定性间的关系：很显然，如果胶体粒子表面电荷或水化膜被消除，则失去聚集稳定性，从而可聚集成大颗粒，使动力学稳定性破坏，沉淀就会发生。
因此，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。
4.1胶体的稳定性和胶体结构B:胶体的双电层结构右图是胶体结构示意图。
电位离子层：在粒子的中心是胶核，它由数百乃至数千个分散相固体物质分子组成，在胶核表面,吸附了一层带同号电荷的离子。
反离子层：为维持胶体离子的电中性。
在电位离子层外吸附了电量与电位离子层总电量相同，而电性相反的离子。
4.1胶体的稳定性和胶体结构B:胶体的双电层结构双电层结构：电位离子层与反离子层构成了胶体粒子的双电层结构。
电位离子层构成了双电层的内层，其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，其电性和电荷量决定了双电层总电位的符号和大小。
反离子层构成了双电层的外层按其与胶核的紧密程度，反离子层又分为吸附层和扩散层反离子吸附层：紧靠电位离子，并随胶核一起运动，和电位离子层一起构成了胶体粒子的 固定层 。
反离子扩散层： 固定层 以外的那部分反离子。
它由于受电位离子的引力较小，因而不随胶核一起运动，并趋于向溶液主体扩散，直至与溶液中的平均浓度相等。
滑动面：吸附层与扩散层的交界面在胶体化学上称为滑动面。
4.1胶体的稳定性和胶体结构B:胶体的双电层结构胶粒：通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒；胶团：胶粒与扩散层组成的电中性胶团，称为胶团；由于胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的；其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差；其电性与电位离子电性相同。
4.1胶体的稳定性和胶体结构 B:胶体的双电层结构胶体的电动电位（ζ电位）：当胶体粒子运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。
其结果必然使胶粒产生剩余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电荷数值，符号与电位离子相同），使 胶粒与扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶体的电动电位，常称为ζ电位。
总电位或 ψ 电位：胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差则称为总电位或 ψ 电位。
在总电位一定时，扩散层愈厚，ζ电位愈高，反之，扩散层愈薄，ζ电位愈低。
4.1胶体的稳定性和胶体结构 B:胶体的双电层结构电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相凑近和接触碰撞，并在水分子的无规则撞击下做布朗运动，使胶粒长期稳定地分散于水中。
ζ电位的大小反映胶粒带电的多少，可以用来衡量胶体稳定性的大小。
ζ电位愈高，胶体的稳定性就愈高。
电位离子层反离子层双电层结构吸附层和扩散层滑动面胶粒胶团（胶体粒子）胶体的电动电位（ζ电位）总电位或 ψ 电位4.1胶体的稳定性和胶体结构 B:胶体的双电层结构ζ电位决定了胶体的聚集稳定性一般粘土ζ电位＝-15~-40mV细菌ζ电位＝-30~-70mVC: DLVO理论胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。
由下列两方面的力决定：静电斥力：E R －1/d2范德华引力：E A －1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。
4.1胶体的稳定性和胶体结构C: DLVO理论胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系。
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＝0时称等电状态．此时排斥势能消失斥能峰Emax。
C: DLVO理论＝1.5kT，当其大胶体的布朗运动能量 Eb于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。
以上理论称为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）。
4.1胶体的稳定性和胶体结构胶体的凝聚降低静电斥力――ζ电位↓――势垒↓――脱稳――凝聚办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体4.2混凝机理水的混凝现象比较复杂。
至今尚未有统一认识。
混凝包括：凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ）不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。
使胶体脱稳的机理可归结为以下四种。
(1)压缩双电层(2)吸附电中和作用(3)吸附架桥作用(4)网捕作用4.2混凝机理(1)压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。
电解质加入――与反离子同电荷离子↑――压缩双电层――ζ电位↓――稳定性↓――凝聚向水中投加电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了。
这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低 ζ 电位，并使扩散层厚度缩小。
这种作用称为压缩双电层。
4.2混凝机理(1)压缩双电层ζ电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要ζ电位＝0，只要使Emax=0即可，此时的ζ电位称为临界电位。
示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。
4.2混凝机理(1)压缩双电层但该理论不能解释：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混凝效果好。
这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静力，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）。
各种电解质离子压缩双电层的能力是不同的。
在浓度相等的条件下，电解质离子破坏胶体稳定的能力随离子价的增高而加大。
这种能力大致与离子价数的2～6方成比例。
实验表明，对同一胶体体系，要获得相同的压缩双电层效果时，用一价离子，浓度需25～150mmol／L，用二价离子浓度只要0.5~2mmol／L，而用三价离子则浓度可小到0.01~0.1mmol／L。
4.2混凝机理(2)吸附电中和作用吸附电中和作用是指胶粒表面对异号离子，异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了它的部分或全部电荷，减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而互相吸附。
上图为吸附电中和的示意图左图表示高分子物质的带电部位与胶粒表面所带异号电荷的中和作用。
右图则表示小的带正号胶粒被带异号电荷的大胶粒表面所吸附。
4.2混凝机理吸附－电性中和作用与压缩双电层作用都可使胶体ζ电位降低，但两者作用性质并不相同，区别在于：压缩双电层是依靠溶液中反离子浓度增加而使胶体扩散层厚度减小，导致ζ电位降低，其总电位保持不变，且为纯静电作用，不可能使胶体电荷符号改变。
吸附－电性中和是异号反离子直接吸附在胶核表面，总电位会发生变化+、Al3+等）起作用，而吸附－电压缩双电层通常由简单离子（如Na+、Ca2性中和通常由高分子物质或高聚合离子起作用。
4.2混凝机理(3)吸附架桥作用如果投加的化学药剂是具有能吸附胶粒的链状高分子聚合物，或者两个同号胶粒吸附在同一个异号胶粒上，胶粒间就能连结，团聚成絮凝体而被除去，这就是吸附架桥作用。
吸附架桥4.2混凝机理(3)吸附架桥作用高分子絮凝剂投加后，可能出现以下两个现象： ①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②投加过多，会出现“胶体保护”现象。
胶体保护4.2混凝机理(3)吸附架桥作用注意事项：(a）高分子絮凝剂的分子量对絮凝效果有明显的影响。
分子量越大，架桥能力强，絮凝效果越好。
一般其聚合度约为1000－5000。
但不能过大，否则溶解困难。
(b）高分子絮凝剂的絮凝作用与其所带的基团有关。
一般良好的高分子絮凝剂都带有较多能吸附固体表面的基团，这些基团都是亲水性的。
(c）高分子絮凝剂的絮凝效果除了与其本性有关外还与操作条件有关。
一般以缓慢搅拌，混合均匀，较低的絮凝剂浓度和较慢地投药速度为佳。
如果搅拌速度过快，形成的絮体会被打碎，通过二次吸附而复稳。
4.2混凝机理(3)吸附架桥作用对于高分子物质，其混凝作用机理可分为两种情况：高分子物质为阳离子型时，吸附－电性中和作用和吸附架桥作用都有；高分子物质为阴离子型和非离子型时，则为吸附架桥作用。
4.2混凝机理(4)网捕卷扫作用向水中投加含金属离子的化学药剂后，由于金属离子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下来，这称为网捕作用。
网捕卷扫4.2混凝机理硫酸铝的混凝机理硫酸铝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。
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，4.2混凝机理硫酸铝的混凝机理v当PH＜3时，水中的铝以[A1(H 20)6)3+ 形态存在，即不发生水解反应。
