第一章 混凝原理
- 格式：ppt
- 大小：634.00 KB
- 文档页数：5
下载文档原格式
合集下载
混凝
第四节
③无机高分子混凝剂
或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。
第二节
胶体的特性
三、双电层理论
受胶核电位离子的静电引力 和反离子热运动的扩散作用、溶 液对反离子的水化作用，反离子 的浓度随与胶粒表面距离增加而 逐渐减少，分布符合Boltzmann分 布。
第二节
胶体的特性
四、胶体的稳定性 胶体的稳定性，指胶体粒子在水中长期保持分散悬 浮状态的特性。 稳定因素 静电斥力 布朗运动 水化作用 不稳定因素 范德华引力 布朗运动 重力作用
排 斥 a 排 斥
最大排斥势能
合力fa-fb
DLVO理论
吸 引
颗粒间距
颗粒间距
吸 引
(1)水中离子浓度高
(2)水中离子浓度低
第三节
混凝原理
根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相互 碰撞聚集，需要降低其排斥势能，即降低或消除 胶粒的ξ电位，在水中投加电解质即可达到此目 的。 对于水中的负电荷胶体，投入的电解质—— 混凝剂应是正电荷或聚合离子，如Na+、Ca2+、 Al3+等，其作用是压缩胶体双电层——为保持胶 体电性中和所要求的扩散层厚度。
第二节
胶体的特性
胶核
胶粒
二、胶体的结构
胶团 扩散层
吸附层
第二节
胶体的特性
三、双电层理论
中心称为胶核，其表面 选择性地吸附了一层带有 同号电荷的离子（可以是 胶核的组成物直接电离产 生的，也可以是从水中选 择吸附的H+或OH-造成的）， 成为胶体的电位离子。 由于电位离子的静电引 力，在其周围又吸附了大 量的异号离子，形成了所 谓的“双电层”。
第二节
胶体的特性
可见胶体粒子表面电荷或水化膜消除，便失去聚集 稳定性，小颗粒便可相互聚集成大的颗粒，从而动力学 稳定性也随之破坏，沉淀就会发生。因此，胶体稳定性 关键在于聚集稳定性。 混凝处理即是要破坏胶体的聚集稳定性，使胶体脱 稳、聚集、沉淀析出。
乡镇给排水：混凝机理
2.混凝概念
在原水中投加混凝剂，使水中细小的悬浮物及胶体脱稳后凝聚成具有 可分离的絮凝体的过程，就是混凝。
3. 胶体结构
胶体结构及双电层示意图
由胶体分子聚合而成的胶体颗粒称为胶核，胶核表面吸附了电位形成离子而带电，如果电位形成离子带正 电。则胶体结构带正电，反之带负电。由于静电引力的作用，溶液中的部分反离子会被吸引到胶体颗粒周围， 和电位形成离子构成吸附层；剩余反离子由于与胶体颗粒间的吸附力很弱而脱离胶体颗粒，成为自由离子，形 成扩散层。因此胶体颗粒是由校核、吸附层、扩散层构成的双电层结构。
5. 混凝机理 （4）网捕卷扫
向水中投加含金属离子的混凝剂(如硫酸铝、石灰、氯化铁等高价金属盐类)，当药剂投加量和溶液介质 的条件足以使金属离子迅速形成金属氢氧化物沉淀时，所生成的难溶分子就会以胶体颗粒或细微悬浮物作为 晶核形成沉淀物，即所谓的网捕、卷扫水中胶粒，以致产生沉淀分离。
6. 混凝剂
（1）混凝剂
（2）助凝剂
PH调整剂 石灰 硫酸 氢氧化钠
氧化剂（减少泡沫）
氯气 次氯酸钠 臭氧
絮体结构改良剂（小松散）
骨胶 聚丙烯酰胺 活化硅酸 海藻酸钠
常用的助凝剂：
特性：以动物的皮、骨或筋等为原料，将其中
所含的胶原经过部分水解制成的蛋白质，其水
溶液的表面活性、粘度都较高
要使活化硅酸起到良好的絮凝效果，必须注意活化的方式和方作法用、：活絮化体硅结酸构的改配良制剂应（控小制松原散液）的。浓度和剩余
5. 混凝机理 （2）吸附和电性中和
是指胶粒表面对异号离子、异号胶粒或链状分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用而中和变成电中 性，因而容易与其他颗粒接近而互相吸附变成大颗粒。
5. 混凝机理 （3）吸附架桥
教学课件PPT 混凝
11
吸附连桥
– 水溶性链状高分子聚合物在静电引力、范德 华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶 粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。
– 再稳：
I. 高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生 “胶体保护”作用
II. 长时间剧烈搅拌
吸附连桥
胶体保护
12
网罗卷带
• 使用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐 类作混凝剂
– 絮凝（flocculation）------这些具有粘附性的离 散微粒能够粘结成絮体
2
第二节：胶体结构与特性
溶液的种类（按溶质颗粒大小）
种类 真溶液
颗粒大小
实例
0.2 - 2.0(nm) 空气、海水、汽油、酒
胶体溶液 2.0 nm – 1µm 牛奶、雾、奶油
悬浮液 > 1µm
血液、颜料、杀虫剂喷雾剂
HPAM y/x:水解度
阳离子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物
• 混凝机理：吸附架桥
22
3. 助凝剂
• 通常是在单独使用混凝剂不能取得良好效果的 时候投加,用以提高混凝效果的辅助药剂。
• 作用：
– 调节/改善混凝条件 – 改善絮凝体结构
• 分类
– pH调整剂：石灰、硫酸、NaOH – 絮凝体结构改良剂：活性硅酸、粘土、骨胶、海藻
3. 水中杂质浓度：
① 杂质浓度低，颗粒间碰撞几率下降，混凝效果差
• 加助凝剂或加混凝剂后直接过滤
4. 水力条件
27
第五节：混凝处理流程和设备
混凝剂 助凝剂
慢速搅拌
废水 投配 混合 反应 沉淀分离 出水
快速搅拌
沉渣
混凝沉淀处理示意流程图
吸附连桥
– 水溶性链状高分子聚合物在静电引力、范德 华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶 粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。
– 再稳：
I. 高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生 “胶体保护”作用
II. 长时间剧烈搅拌
吸附连桥
胶体保护
12
网罗卷带
• 使用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐 类作混凝剂
– 絮凝（flocculation）------这些具有粘附性的离 散微粒能够粘结成絮体
2
第二节：胶体结构与特性
溶液的种类（按溶质颗粒大小）
种类 真溶液
颗粒大小
实例
0.2 - 2.0(nm) 空气、海水、汽油、酒
胶体溶液 2.0 nm – 1µm 牛奶、雾、奶油
悬浮液 > 1µm
血液、颜料、杀虫剂喷雾剂
HPAM y/x:水解度
阳离子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物
• 混凝机理：吸附架桥
22
3. 助凝剂
• 通常是在单独使用混凝剂不能取得良好效果的 时候投加,用以提高混凝效果的辅助药剂。
• 作用：
– 调节/改善混凝条件 – 改善絮凝体结构
• 分类
– pH调整剂：石灰、硫酸、NaOH – 絮凝体结构改良剂：活性硅酸、粘土、骨胶、海藻
3. 水中杂质浓度：
① 杂质浓度低，颗粒间碰撞几率下降，混凝效果差
• 加助凝剂或加混凝剂后直接过滤
4. 水力条件
27
第五节：混凝处理流程和设备
混凝剂 助凝剂
慢速搅拌
废水 投配 混合 反应 沉淀分离 出水
快速搅拌
沉渣
混凝沉淀处理示意流程图
混凝的原理
混凝的原理什么是混凝混凝，也称凝聚剂，是一种常见的建筑材料，被广泛用于混凝土、砂浆和其他建筑材料中。
混凝的主要作用是使液体混合物在适当条件下发生凝结，形成坚固的结构。
混凝的应用领域非常广泛，在建筑、道路、桥梁等工程中起到至关重要的作用。
混凝的原理混凝的原理主要涉及凝聚剂与液体材料之间的相互作用。
凝聚剂一般由粘合剂和添加剂组成，它们与液体材料中的颗粒发生化学反应或物理吸附，从而促进材料颗粒之间的结合。
物理作用物理作用是混凝的主要原理之一。
在液体材料中，颗粒会靠着分子间的引力相互靠拢。
凝聚剂中的添加剂会通过在颗粒表面形成吸附层的方式，使颗粒之间的距离进一步缩小，从而形成较为紧密的结构。
此外，物理作用还包括颗粒之间的电荷作用力、表面张力等。
化学作用化学作用是混凝的另一个重要原理。
凝聚剂中的粘合剂会与液体材料中的颗粒发生化学反应，形成新的物质，从而使颗粒之间的结合更加牢固。
例如，在混凝土中，粘合剂水泥与骨料中的矿物质发生水化反应，生成水化硬固体，从而使混凝土具有一定的强度和耐久性。
混凝的施工过程混凝的施工过程包括准备工作、配合比设计、材料拌和、浇注成型和养护等环节。
准备工作在进行混凝材料的施工之前，需要进行一系列的准备工作。
这包括确定混凝材料的种类和性能要求、施工场地的布置和清理、检查施工设备和工具的完好性等。
配合比设计配合比设计是混凝材料施工的关键环节之一。
通过根据材料的种类及其比例来确定混凝材料的配合比，以确保混凝材料具有所需的强度、可塑性等性能。
材料拌和在混凝材料施工过程中，不同的材料需要按照一定的比例进行拌和。
一般来说，先将颗粒状材料与粘结剂充分混合，再根据需要逐步加入水或其他添加剂进行搅拌。
搅拌的时间和速度也需要根据具体的材料类型和施工要求进行调整。
浇注成型材料拌和后，需要将其迅速浇注到预定的模具或施工区域中。
浇注的过程需要保证材料的均匀性和密实性，避免产生空洞或裂缝等缺陷。
养护材料浇注后，需要进行一定的养护，以确保混凝材料能够发生正常的凝固和硬化过程。
混凝原理
• 絮凝过程：轻微搅拌，使颗粒加速聚集、增强沉淀或者气浮 的过程。（Flocculation: Gentle stirring or agitation to accelerate the agglomeration of particles to enhance sedimentation or flotation. ）
Stern模型
DLVO理论
• 上世纪30年代Deryagin与Landau合作， Verwey与Overbeek合作，各自独立完成了憎 液溶胶（lyophobic sols）的稳定性理论，简 称为DLVO理论。
• 该理论对电解质与胶体稳定性的相关性做出 了定量的描述。
Gouy-Chapman模型：
1 V 1 是 DebyV e长度0，e即x 扩p 散层厚 度。注意x， 扩散层厚度 1 在此的定义对应距离表面的距离x＝ 此时对应的电位应是表面电位的 1/e，并不是表面电位绝对值降 低到零时对应的厚度或者距离 （见下图）。为了表征的方便， 我们常常称之为双电层厚度，一 般双电层的厚度在1纳米到1000 纳米之间。
第一章 混凝原理
• 第一节 化学处理与混凝剂 • 第二节 混凝处理可应用的范围 • 第三节 混凝药剂的分类 • 第四节 胶体基本知识 • 第五节 铝盐铁盐的水解机理
第一节 化学处理与混凝剂
• 混凝目的：去除直径在10-7～10-9m范围内的 胶体物质。
• 混凝原理：胶体表面一般带有负电荷，相互 排斥，呈现出布朗运动的特征，形成稳定的 悬浮液。如果加入胶体或者带有正电荷的物 质，可以中和胶体表面电荷，物理吸附力 （The Van der Waals force）可以超过上述 排斥力，从而引发胶体物质的凝聚。
扩散层
Stern模型
DLVO理论
• 上世纪30年代Deryagin与Landau合作， Verwey与Overbeek合作，各自独立完成了憎 液溶胶（lyophobic sols）的稳定性理论，简 称为DLVO理论。
• 该理论对电解质与胶体稳定性的相关性做出 了定量的描述。
Gouy-Chapman模型：
1 V 1 是 DebyV e长度0，e即x 扩p 散层厚 度。注意x， 扩散层厚度 1 在此的定义对应距离表面的距离x＝ 此时对应的电位应是表面电位的 1/e，并不是表面电位绝对值降 低到零时对应的厚度或者距离 （见下图）。为了表征的方便， 我们常常称之为双电层厚度，一 般双电层的厚度在1纳米到1000 纳米之间。
第一章 混凝原理
• 第一节 化学处理与混凝剂 • 第二节 混凝处理可应用的范围 • 第三节 混凝药剂的分类 • 第四节 胶体基本知识 • 第五节 铝盐铁盐的水解机理
第一节 化学处理与混凝剂
• 混凝目的：去除直径在10-7～10-9m范围内的 胶体物质。
• 混凝原理：胶体表面一般带有负电荷，相互 排斥，呈现出布朗运动的特征，形成稳定的 悬浮液。如果加入胶体或者带有正电荷的物 质，可以中和胶体表面电荷，物理吸附力 （The Van der Waals force）可以超过上述 排斥力，从而引发胶体物质的凝聚。
扩散层
给水排水工程培训课件：混凝(一)
给水排水工程培训课件：混凝(一)混凝是给水排水工程中的一项重要技术，主要用于去除水中的悬浮物和颜色，提高水的浊度和色度指标，以达到给水卫生标准。
本文将围绕混凝这一技术展开讲解。
一、混凝的定义混凝是将水中的杂质通过外源添加混凝剂，使得水中的杂质逐渐逐渐聚集并形成大颗粒物，从而便于沉淀或过滤处理。
混凝剂主要包括无机盐类、有机高分子和颗粒物等。
二、混凝的原理混凝的原理主要是通过混凝剂的作用，将水中的悬浮物和颜色杂质聚集成为较大的颗粒，从而提高水中颗粒物的含量，便于后续的沉淀或过滤处理。
一般情况下，混凝液一般会调整到pH=6~10之间，这样才能够保证混凝效果的最大化。
三、混凝剂1. 无机盐类混凝剂：主要包括氢氧化铝、硫酸铝等，这类混凝剂在水中的溶解度较高，而且容易使水中的颗粒物结成较大的颗粒，便于后续沉淀处理。
2. 有机高分子混凝剂：主要包括聚合铝、聚丙烯酰胺等，这类混凝剂具有很好的成膜性能，可以使水中的悬浮物沉淀成较大的颗粒，便于后续的沉淀处理。
3. 颗粒物混凝剂：主要包括活性炭、二氧化钛等，这类混凝剂可以与水中的有机物质、铁锰等形成复合物，进而沉淀，达到降低浊度和色度的效果。
四、混凝工艺混凝工艺主要包括以下几个步骤：1. 添加混凝剂：将混凝剂按照要求添加到水中。
2. 搅拌混合：通过机械搅拌将混凝剂均匀分布在水中，以便混凝剂与水中的杂质充分接触。
3. 混凝反应：混合后的溶液在一定时间（一般不超过20min）内和混凝剂反应，形成较大的颗粒物。
4. 沉降处理：混凝后的溶液通过静置或重力沉降去除颗粒物。
5. 过滤：如果沉降还不能满足水质要求，还需要通过过滤操作，进一步去除水中的颗粒物。
总之，混凝作为给水排水工程中的一项重要技术，对保障水质安全和卫生具有非常重要的作用。
只有正确选择混凝剂，并掌握好混凝的原理和工艺，才能够确保混凝效果的最大化。
混凝机理
3.2混凝机理3.2.1 胶体的凝聚机理凝聚主要是指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程。
压缩双电层作用根据DLVO理论，加入含有高价态正电荷离子的电解质时，高价态正离子通过静电引力进入到胶体颗粒表面，置换出原来的低价正离子，这样双电层仍然保持电中性，但正离子的数量却减少了，也就是双电层的厚度变薄，胶体颗粒滑动面上的ξ电位降低。
当ξ电位降至0时，称为等电状态，此时排斥势垒完全消失。
ξ电位降至某一数值使胶体颗粒总势能曲线上的势垒Emax=0，胶体颗粒即发生聚集作用，此时的ξ电位称为临界电位ξk。
叔采-哈代法则：起聚沉作用的主要是反离子，反离子的价数越高，其聚沉效率越高。
聚沉值：在指定情形下使一定量的胶体颗粒聚沉所需的电解质的最低浓度，以mmol/dm3为单位。
一般情况下，聚沉值与反离子价数的六次方成反比，即符合：(3.1)双电层压缩机理不能解释加入过量高价反离子电解质引起胶体颗粒电性改变符号而重新稳定的现象，也解释不了与胶体颗粒代相同电荷的聚合物或高分子有机物也有好的聚集效果的现象。
吸附—电性中和胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶粒间的静电引力，使胶体颗粒更易于聚沉。
驱动力包括静电引力、氢键、配位键和范德华力等。
可以解释水处理中胶体颗粒的再稳定现象。
吸附架桥作用（Bridging）分散体系中德胶体颗粒通过吸附有机物或无机高分子物质架桥连接，凝集为大的聚集体而脱稳聚沉。
①. 长链高分子架桥②. 短距离架桥三种类型：①. 胶粒与不带电荷的高分子物质发生架桥，涉及范德华力、氢键、配位键等吸附力。
②. 胶粒与带异号电荷的高分子物质发生架桥，除范德华力、氢键、配位键外，还有电中和作用。
③. 胶粒与带同号电荷的高分子物质发生架桥，“静电斑”作用胶体保护示意图网捕—卷扫作用投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成较大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些水合金属氧化物体积收缩沉降时，象筛网一样将水中胶体颗粒和悬浊质颗粒捕获卷扫下来。
混凝土结构原理(叶-刘)第1章
A
B’
B C
E
* 冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊
0.2
弯成一定的角度而不发生断裂
0.2%
2. 钢筋的成分、级别和品种
按化学成分
低碳钢（含碳量<0.25%）
碳素钢（铁、碳、硅、 锰、硫、磷等元素）
中碳钢（含碳量0.25~0.6%） 高碳钢（含碳量0.6~1.4%） 硅系
普通低合金钢（另加 硅、锰、钛、钒、铬 等）
钢丝
刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力 钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起 冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成
2. 钢筋的成分、级别和品种
按表面形状
光圆钢筋 变形钢筋
钢筋的应用范围
非预应力钢筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400
预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉 钢筋
1.4.2 粘结强度及影响因素 1.4.3保证钢筋和混凝土间的粘结措施
1.4.3.1保证锚固粘结应力的可靠传递
la =
fy ft
d
1.4.3.2钢筋的连接
1.4.3.3钢筋的弯钩
小
结
1.3钢筋
1. 钢筋的应力-应变曲线
上屈服点不稳定 出现颈缩
D
B’ 标距 A E
0.2
拉断
B
C
20
1. 钢筋的应力-应变曲线
强度指标
* 明显流幅的钢筋：屈服点对应的强度作为设计
D
B’
A B C
E
强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性 变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和 不可闭合的裂缝，以至不能使用
B’
B C
E
* 冷弯要求：将直径为d的钢筋绕直径为D的钢辊
0.2
弯成一定的角度而不发生断裂
0.2%
2. 钢筋的成分、级别和品种
按化学成分
低碳钢（含碳量<0.25%）
碳素钢（铁、碳、硅、 锰、硫、磷等元素）
中碳钢（含碳量0.25~0.6%） 高碳钢（含碳量0.6~1.4%） 硅系
普通低合金钢（另加 硅、锰、钛、钒、铬 等）
钢丝
刻痕钢丝：在钢丝表面刻痕，以增强其与混凝土间的粘结力 钢绞线：六根相同直径的钢丝成螺旋状铰绕在一起 冷拔低碳钢丝：由低碳钢冷拔而成
2. 钢筋的成分、级别和品种
按表面形状
光圆钢筋 变形钢筋
钢筋的应用范围
非预应力钢筋：HRB235，HRB335，HRB400，RRB400
预应力钢筋：碳素钢丝，刻痕钢丝，钢绞线，热处理钢筋，冷拉 钢筋
1.4.2 粘结强度及影响因素 1.4.3保证钢筋和混凝土间的粘结措施
1.4.3.1保证锚固粘结应力的可靠传递
la =
fy ft
d
1.4.3.2钢筋的连接
1.4.3.3钢筋的弯钩
小
结
1.3钢筋
1. 钢筋的应力-应变曲线
上屈服点不稳定 出现颈缩
D
B’ 标距 A E
0.2
拉断
B
C
20
1. 钢筋的应力-应变曲线
强度指标
* 明显流幅的钢筋：屈服点对应的强度作为设计
D
B’
A B C
E
强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性 变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和 不可闭合的裂缝，以至不能使用
混凝的三个基本原理
混凝的三个基本原理混凝土是一种常见的建筑材料，广泛应用于各种工程中。
它的强度、耐久性和施工性能都是我们选择混凝土的重要因素。
混凝土的基本原理主要包括三个方面：水泥水化反应原理、骨料力学原理和胶凝材料胶凝原理。
一、水泥水化反应原理水泥是混凝土的主要胶凝材料，它通过与水发生水化反应，形成胶状物质，将骨料粘结在一起。
水泥水化反应是一个复杂的化学过程，主要包括胶凝物质的溶解、水化产物的生成和胶凝物质的凝结三个阶段。
水泥中的胶凝物质溶解于水中，形成胶凝浆。
这个过程中，水泥颗粒表面的胶凝物质与水中的钙离子发生化学反应，形成胶体颗粒，使水泥颗粒分散在水中。
接着，胶凝物质与水发生水化反应，生成水化产物。
水化产物主要是硅酸盐凝胶和钙矾凝胶，它们具有胶状结构，能够填充骨料间隙，增加混凝土的强度和密实性。
胶凝物质凝结成坚固的胶状物质，使混凝土变得坚硬。
这个过程中，水化产物逐渐结晶并与胶凝物质相互连接，形成一个致密的网络结构，使混凝土具有一定的强度和耐久性。
二、骨料力学原理骨料是混凝土中的主要填充材料，它对混凝土的力学性能起着重要的作用。
骨料力学原理主要包括骨料的力学性质和骨料与水泥胶体的相互作用两个方面。
骨料具有一定的力学性质，包括强度、刚度和稳定性等。
这些性质直接影响混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗冻性能。
合理选择骨料种类和粒径分布，可以提高混凝土的力学性能。
骨料与水泥胶体之间存在着相互作用。
当水泥胶体水化反应发生时，胶凝物质会渗透到骨料表面，填充骨料颗粒间隙，形成胶状结构。
这种相互作用可以增加混凝土的粘结强度和抗裂性能。
三、胶凝材料胶凝原理胶凝材料是混凝土的重要组成部分，它通过与水发生胶凝反应，形成胶状物质，将骨料粘结在一起。
胶凝材料主要包括水泥、矿渣粉和粉煤灰等。
胶凝材料胶凝原理与水泥水化反应原理类似，都是通过与水发生化学反应形成胶状物质。
不同的是，胶凝材料胶凝过程中的产物不仅仅是水化产物，还包括其他化合物。
这些化合物可以填充骨料间隙，提高混凝土的强度和耐久性。
混凝概论及机理
电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电位＝0，只 要使Emax=0即可，此时的k电位称为临界电位。
根据Schulze—Hardy法则（叔采－哈代法则）：浓度相同的电解 质破坏胶体稳定性的效力随离子价数的增加而加大。
凝聚能力离子价数6 （高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低价电解质有效。）
[M ] :[M 2 ] :[M 3 ] 1: (1)6 : (1)6 23
混凝概论及机理
概论主要内容
一、混凝的意义 二、混凝对象 三、混凝的概念
一、混凝的意义
混凝剂使用历史：
1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方才开始使用
混凝的作用：
1. 混凝是水处理的三大传统工艺（混凝、沉淀和过滤）之一； 2. 混凝效果决定后续出水水质以及水处理成本。
混凝的特点
优点：设备简单，操作方便；便于间歇运行，效果好。 缺点：运行费用高； 沉渣量大，处置困难；
硫酸铝絮凝剂使用历史悠久，较为广泛，其混凝机理具有相当的代表性。
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。各 种水解聚合产物的在水处理混凝过程表现出不同的混凝机理。
由此，可以铝盐为例，分析其在中的化学反应，认识其水解聚合形态， 说明各种混凝作用机理。
这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，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）。
（二）吸附电中和机理
作用过程：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，发生电中和，来降低电位。这一点与压缩双电层机理
不同。
在铝盐混凝的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作 用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
复合混凝剂用有机高 分子絮凝剂或助凝剂
阳离子聚丙烯酰胺 阳离子淀粉 聚二烯丙基二甲基氯化铵 改性阳离子淀粉
天然高分子
壳聚糖 改性木质素 微生物多糖
第四节 胶体基本知识
根据颗粒的大小，水和水中分布的颗粒所组成的 分散体系，可分为三类: 悬浮液：颗粒直径大于10-7m，也称粗分散体 系； 胶体溶液：颗粒直径在10-9 ～10-7 m之间，也 称溶胶； 真溶液：颗粒直径小于10-9 m。
DLVO理论
斥力
Van der Waals引力和固液界 面的双电层斥力同时存在于 胶体上，它们之间的相互作 用能可以用图1-8较直观地描 述。 图中所示，正的合能，即能 垒，会造成颗粒之间相互排 斥，而负的合能则造成颗粒 互相吸引，导致体系的不稳 定。在水处理中，就是要通 过使用不同措施，克服能垒， 使得胶体脱稳，从而达到将 这些悬浮颗粒去除的目的。
第二节 混凝处理可应用的范围
颗粒大小和沉淀之间的关系
自然沉淀速度 粒径（cm） 近似大小 cm/s 0.05 0.01 沙 细沙 10.4 0.42
沉降1m所需要 的时间
10 s 4 min
0.001 0.0001（1m）
0.00001
污泥（淤泥， 粘土） 细菌
胶体
0.0042 0.000042
聚氯化铝铁
聚硫酸铁 无机高分子 聚硫酸铁铝 聚硅氯化铝 聚硅硫酸铝 聚硅氯化铝铁 聚硅硫酸铁
poly aluminum ferric chloride
poly ferric sulfate poly aluminum ferric sulfate poly aluminum silicate chloride poly aluminum silicate sulfate poly aluminum ferric silicate chloride poly ferric silicate sulfate
低离子强度 高离子强度
反离子
离子浓度
扩散层电荷
与胶体同电荷的离子
的距离
Gouy-Chapman模型
为了表示离子的分布，Gouy和Chapman做了如下的假 设： 固体表面是平板，y和z方向无限大，而且表面上的电 荷分布是均匀的； 离子扩散只存在于x方向上，而且把离子作为一个质 点电荷来考虑，它在双电层中应该符合Boltzmann分 布； 正负离子的电荷数目相等，整个体系呈中性； 溶剂的介电常数在整个扩散层内都是一样的。
强烈凝聚或沉淀
–5到 +5 mv
DLVO理论
胶体的稳定性与胶体表面电荷有密切关系。表 1-4列出了去除天然水体中胶体的ζ电位控制范 围。 表面电位或电荷密度受溶液中电解质影响的规 律基本遵守Schulze Hardy规则。 对于同样的胶体溶液，最小混凝剂投加量（聚 沉值）遵循下列比值关系，Na+ : Ca2+: Al3+ ＝ 1:10:1000（摩尔比）。这也是我们水处理过 程中选择高价铁盐和铝盐的原因。
第四节 胶体基本知识
双电层结构主要有贴近 胶体表面的内层和扩散 层组成。前者主要取决 于吸附离子，后者取决 于静电力和无规则热运 （random thermal motion）。
第四节 胶体基本知识
描述胶体表面电荷分布结构的模型 Helmholtz模型 Gouy-Chapman模型 Stern模型
第一章 混凝原理
第一节 化学处理与混凝剂 第二节 混凝处理可应用的范围 第三节 混凝药剂的分类 第四节 胶体基本知识 第五节 铝盐铁盐的水解机理
第一节 化学处理与混凝剂
混凝目的：去除直径在10-7～10-9m范围内的 胶体物质。 混凝原理：胶体表面一般带有负电荷，相互排 斥，呈现出布朗运动的特征，形成稳定的悬浮 液。如果加入胶体或者带有正电荷的物质，可 以中和胶体表面电荷，物理吸附力（The Van der Waals force）可以超过上述排斥力，从而 引发胶体物质的凝聚。
Helmholtz模型
Helmholtz早在1879年指出双电层的内部结构 类似一个平行电容器。 这个模型没能区分表面电位和电动电位 后来的研究表明，根据Helmholtz模型，根本 不会有双电层之间的相对运动发生，因为双电 层整体是呈电中性的。
Gouy-Chapman模型
Gouy (1910)和Chapman (1913)指出，溶液中的反离 子受到两个相反的作用力， 一是静电力；二是热力学力。 这两个力达到平衡的时候， 反离子不是规整地束缚于胶 体表面，而是呈扩散型分布 的，且随着离开表面的距离 增大，反离子过剩的程度逐 渐减弱，直至某个距离，反 离子浓度同离子浓度相等， 扩散层内离子分布右图：
Gouy-Chapman模型：
V V 0 ex p
1
x
1
是Debye长度，即扩散层厚度。注意， 扩散层厚度 在此的定义对应距离表面的距离x＝ 1
此时对应的电位应是表面电位的 1/e，并不是表面电位绝对值降 低到零时对应的厚度或者距离 （见下图）。为了表征的方便， 我们常常称之为双电层厚度，一 般双电层的厚度在1纳米到1000 纳米之间。
DLVO理论
对氧化铝胶体，H+离子可决定ζ电位， 因此胶体表面ζ电位由pH值决定。右图 为氧化铝胶体表面ζ电位与pH值关系， ζ电位随pH值的升高而降低，当pH为 9.5时达到等电点（Isoelectric Point， 简称IEP）。ζ电位受表面电位和溶液 电解质浓度的影响。ζ电位相同的情况 下，表面电位不一定相同。
类别
名称
英文名称
硫酸铝
氯化硫酸铁 无机低分子 硫酸铁 硫酸亚铁 氯化铁 聚氯化铝 聚硫酸铝
alum, aluminum sulfate
ferric sulfate chloride ferric sulfate ferrous sulfate ferric chloride poly aluminum chloride poly aluminum sulfate
胶 体 V0 表 面
Ψs
stern 层
滑 移 面
扩散层
ζ Vd 0 V=V0e-kx x
Stern模型
DLVO理论
上世纪30年代Deryagin与Landau合作， Verwey与Overbeek合作，各自独立完成了憎 液溶胶（lyophobic sols）的稳定性理论，简 称为DLVO理论。 该理论对电解质与胶体稳定性的相关性做出了 定量的描述。
双电层厚度计算公式： -1=[ kT/2n0z2e2]1/2 （式1-18） 式中，-1：双电层厚度，单位纳米；：水的介电常数；k：波尔兹曼常数；T： 绝对温度，单位K；n0：单位体积内电解质粒子数；z：离子带电数；e：单位 电荷量
0.00000042
7 hr 28 d
8y
颗粒大小和沉淀之间的关系
水中颗粒物质的粒径越大，沉淀分离的速度越 快。 混凝对微细颗粒或胶体的分离主要是通过凝聚 不同的颗粒，形成絮体，加快颗粒的沉淀速度。
第三节 混凝药剂的分类
无机混凝剂：铁盐和铝盐等 有机高分子混凝剂：各种聚丙烯酰胺、聚胺等
研究新进展
现在很多研究人员都在积极研究开发复合型混凝剂或 者絮凝剂，在这方面国内的研究相当活跃。近几年国 外已经开始吸附型混凝剂的研究。 例如在混凝剂中加入超微粉吸附剂，如粉末活性炭、 硅藻土、活性黏土等，这样，吸附剂可以与混凝剂协 同作用，达到去除胶体和分子分散状态物质的目的。 针对微污染的特点，现在开发和使用的吸附剂，包括 一些络合型吸附剂，例如去除重金属的硫代磺酸盐及 其聚合物。
DLVO理论
根据这一理论，胶体之间的作用力ψ(d)包括静电排斥 力（下式第一项）和Van der Waals引力（下式第二项） 构成。
( d ) R A exp ( d 2 R s )
AR s 12 d
式中A为Hamaker常数。对于氧化物A为2~4×10-20。
第一节 化学处理与混凝剂
使用无机混凝剂的历史可追溯到古埃及，那时， 人们使用铝盐（用硫酸铝，碱金属等制备的复 盐）来处理饮用水。 无机有机复合混凝剂，例如聚氯化铝－聚二烯 丙基二甲基氯化铵复合物、聚胺－聚氯化铝复 合物，他们不仅具有无机混凝剂的性能，同时 絮凝效果也非常突出，可以免除后续投加高分 子絮凝剂。
Stern认为，溶液中的离子不应该是没有体积的 点电荷，他提出： 离子是有大小的，离子中心与颗粒表面的距离 不可能小于离子的半径； 离子与微粒之间除了有静电斥力之外，应该还 有Van der Waals引力。
Stern模型
Stern将Gouy-Chapman模型中的扩散层分成了 两个部分： 靠近胶体表面的一、两个分子厚的区域内，反 离子由于受到强烈的静电引力，与胶体表面紧 密地结合在一起，构成所谓的“Stern”层。 在“Stern”层外，才是所谓的离子扩散分布的 扩散层。
Gouy-Chapman模型
扩散层内的电位随着离开胶 体表面的距离增大而下降， 如右图所示，下降的快慢由 k的大小决定。 电解质浓度或价数的增大会 使得k值增大，双电层变薄， 电位随着离开胶体表面的距 离增大而下降得更快。
低离子强度
ψ
电势（伏特）
高离子强度
0
0 0
离开颗粒表面的距离
Stern模型
第四节 胶体基本知识
胶体分子聚合而成的胶体微粒称为胶核，其表 面吸附了某种离子而带有电荷，从而可以吸引 溶液中的异号离子(counter-ions)。 这些异号离子同时受到两种力的影响：一种是 微粒表面的静电引力，它吸引异号离子贴近微 粒； 另一种是异号离子本身热运动的扩散作用力以 及液体对其的溶剂化作用力。