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第二章 混凝理论(第一讲)

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第二章 混凝

第二章 混凝

2、措施
（1）加大混凝剂投加量 （2）加高分子助凝剂
三、水的pH和碱度影响
1、pH值：影响混凝效果与混凝剂种类有关。 2、碱度：对PH有缓冲作用。 当碱度不够时需要投加石灰，石灰投量的计算：
[CaO]=3[a] – [x] + [δ ] 式中[CaO]：纯石灰CaO投量，mmol/L； [a]：混凝剂投量，mmol/L； [x]：原水碱度，按mmol/L，CaO计； [δ ]：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.25~0.5mmol/L（CaO）。
第三节
一、基本概念
凝聚动力学
1、混凝动力学：研究颗粒碰撞速率何混凝速率 2、异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集。 （d＜1μ m）
3、同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的 颗粒碰撞聚集。 注意：颗粒质量浓度不变，但颗粒数量浓度减少。
二、 异向絮凝
颗粒的碰撞速率：
（d＜1μ m）
N p 8dDB n 2
（2）网格 下面进出水 上面进出水 进水 平面布置 水流向上 水流向下
（3）栅条
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架桥模型示意
图 6-6 胶体保护示意
3．网捕或卷扫

金属氢氧化物沉淀在形成过程中对胶粒的网 捕与卷扫。
所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即
当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之 亦然。
四、 硫酸铝的混凝机理
pH<3 pH=4~5
简单的水合铝离子起压缩双电层作用； 多核羟基络合物起吸附电性中和； 氢氧化铝起吸附架桥；
滑动面
胶 核
の
Ⅱ
δ
ζ
d
图 6-1 胶体双电层结构示意

第2章混凝-更多文档分类

第2章混凝-更多文档分类

第 2 章 混凝（1）课程名称：水质工程学（Ⅰ）本课内容：混凝机理，混凝剂和助凝剂授课对象：给水排水专业本科生授课时间： 90 分钟一、教学目的通过本次教学，使学生理解和掌握双电层理论，电性中和，吸附架桥， 卷扫网捕等混凝基本理论，了解硫酸铝在水中的水解特征，了解水处理混凝 剂种类及特点，为后续学习打下良好的基础。

二、教学意义通过本次教学，使学生理解和掌握双电层理论，电性中和，吸附架桥， 卷扫网捕等混凝基本理论，了解硫酸铝在水中的水解特征，了解水处理混凝 剂种类及特点，为后续学习打下良好的基础。

三、教学重点混凝机理；硫酸铝在水中的水解；混凝剂与助凝剂四、教学难点混凝机理五、教学方式电子课件课堂讲授。

六、讲授内容第2 章 混凝第 2章 混凝2.1混凝机理2.1.1水中胶体的稳定性2.1.2硫酸铝在水中的化学反应2.1.3混凝机理一、压缩双电层二、吸附­电性中和三、吸附架桥四、网捕或卷扫2.2混凝剂和助凝剂2.2.1混凝剂2.2.2助凝剂七、讲授方法第 2章 混凝2.1混凝机理混凝是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程；混凝可去除的颗粒大小是胶体及。

混凝过 部分细小的悬浮物，是一种化学方法。

范围在：1nm~0.1m m（有时认为在1m m）程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质、 混凝剂 在水中的水解与形态、胶体与混凝剂的相互作用。

2.1.1水中胶体的稳定性一、胶体的稳定性所谓胶体稳定性系指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮物状态的特性。

胶体稳定性 分为：动力学稳定和聚集稳定。

1、动力学稳定：颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。

颗粒越小，动力学稳定性越高。

2、聚集稳定：系指颗粒胶体粒子之间不能相互聚集的特性。

胶体粒子很小，比表面积大从而表面能很大，在布朗运动的作用下，有自发地相互 聚集的倾向，但由于粒子表面同性负荷斥力作用和水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发 生。

如果胶体粒子表面电荷或水化膜消除，便失去聚集稳定性，小颗粒便可以凝聚成大 的颗粒。

第2章 混凝

第2章 混凝

溶液中离子浓度高 溶液中离子浓度低
2.3 混 凝 机 理
由于扩散层厚度的减小，ξ电位相应降低，胶粒间 的相互排斥力也减少。
由于扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间 的吸引力变大。颗粒间排斥力与吸引力的合力由斥力为 主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。
两个胶粒能否相互凝聚，取决于二者的总势能。
DLVO理论
2.2 胶 体 的 特 性
一般水中的胶粒，ξ电位较高。其互相间斥力不仅 与电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈 大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德 华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结 而长期保持稳定的分散状态。
使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。 由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层 水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是，水 化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的（电位消除 或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。
2.4 混 凝 剂 与 助 凝 剂
单核络合物通OH-桥键缩聚成单核羟基络合物：
[Al(H2O)6]3+ +[Al (OH)(H2O)5]2+ +≒ [Al2 (OH)(H2O)10]5++H2O 两个单羟基络合物可缩合成双羟基双核络合物：
OH
2[Al (OH)(H2O)5]2+ = [(H2O)-4Al OH
2、胶体的结构
胶团
胶粒 扩散层
胶核 吸附层
2.2 胶 体 的 特 性
3、双电层理论
胶核
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。

水处理工程=清华大学第二章混凝课件(第一篇)

水处理工程=清华大学第二章混凝课件(第一篇)
本章内容
第1节 混凝去除的对象
第二章 混凝
(Coagulation and Flocculation)
第2节 胶体的性质 第3节 水的混凝机理与过程 第4节 混凝剂与助凝剂 第5节 混凝动力学 第6节 混凝影响因素 第7节 混凝设备 第8节 混凝的应用
第二章 2
第1节 混凝去除的对象
第1节 混凝去除的对象

铁盐形成的絮体比铝 盐絮体密实，但腐蚀 性强，有颜色。
•事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。 •对pH变化适应性强。 机理： 吸附电中和与吸附架桥协同作用
铁系
硫酸铝三氯化铁 明矾硫酸亚铁 硫酸铁(国内生产少) 聚合硫酸铁(PAS) 聚合氯化铁

第二章
37
第二章
38
第4节 混凝剂和助凝剂
铝聚合物形态对混凝的影响？ •“六元环”结构模型（最稳定结构）：6个6配位八面体 的铝原子的结构—— Al6(OH)12(H2O)126+
在实际水处理过程中，往往是几种机理综合作用。 目前仅限于定性描述，有关定量研究近年已开始关注。
第二章 31
天然水体一般pH=6.5~7.8
第二章 32
第3节 水的混凝机理与过程
三、混凝过程 1. 凝聚（coagulation）
带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或 吸附电中和
第3节 水的混凝机理与过程
第二章 9 第二章 10
第2节 胶体的性质
3. 胶体类型： 憎水胶体：吸附层中离子直接与胶核接触，水 分子不直接接触胶核的胶体 亲水胶体：胶体微粒直接吸附水分子 极性集团：－OH，－COOH，－NH2
第二章 11
第2节 胶体的性质
二、胶体双电层结构 电位形成离子

清华大学水处理工程讲义第二章 混凝第一、二节

清华大学水处理工程讲义第二章 混凝第一、二节

第二章混凝第1节混凝的去除对象混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。

范围在：1nm~0.1μm（有时认为在1μm）混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。

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1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质混凝剂在水中的水解与形态胶体与混凝剂的相互作用第2节胶体的性质一、胶体的稳定性1．动力学稳定性：布朗运动对抗重力。

2．聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。

二、胶体的双电层结构动电位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~-70mV三、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。

另一方面，胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kTk：波兹曼常数，T：温度Eb<Emax（势垒）胶体距离x<oa, 凝聚（一次凝聚）x>oa，稳定（二次凝聚除外）以上称为DLVO理论。

只适用于憎水性胶体。

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）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。

混凝(净水工)

混凝(净水工)

生产中常用的混凝剂
2）、聚丙烯酰胺（PAM） 工业上也称为3#矾。是一种有机高分子化合物。 特点：①、处理高浊度原水效果很好，目前被认为是处理 高浊度原水最有效的高分子絮凝剂之一； ②、水解体效果较未水解好，生产中采用水解体，即稀释 适用，生产中一般采用3‰～8‰；由于固体产品不易水 解，生产中要预先配制水解浓度。 ③、产品独有极微弱的毒性，用于生活饮用水净化时，要 注意控制投加量； ④、属有机高分子化合物。
！在水处理过程中，如何正确选择助凝剂 助凝剂的投入必须根据原水的水质情况选用： 1）当原水PH值过低时，混凝剂水解很困难，可在水中投 加助凝剂如石灰、苏打、烧碱，以调整水的PH值，改善混 凝条件。 2）当原水受到污染时，水中腐殖质、有机物、藻类等含 量高很高，色度也较大，往往投加大量的混凝剂效果也不 明显，在这种情况下，可选用氧化剂类助凝剂入氯气、漂 白粉、臭氧，以破坏有机物的干扰。 3）当水中的PH值偏高时，可考虑加大浑水加氯量。 4）当矾花形成很细小松散时，可投加高分子助凝剂；原 水浊度和水温都很低时，可在原水中投入粘土或活性泥渣； 当原水浊度过高或过低时，可选用聚丙烯酰胺加快矾花的 形成和沉降。
三、混凝的机理 1、压缩双电层作用机理和吸附电中和机理（吸附层 和扩散层） 在天然水中投加混凝剂后，等于提供了大量的正离 子，正离子压缩扩散层促使胶粒间相互凝聚。 但是，当混凝剂投加量过大时，正离子含量过多， 改变了胶粒表面的电性，使胶粒变成带正电的胶粒，使 脱稳胶粒重新获得稳定。混凝效果反而不好。
3、沉淀物的卷扫和网捕作用 当某些混凝剂投加量很大时会产生大量的氢氧 化物沉淀，可以卷扫，网捕水中胶粒以致产生沉淀分离， 称～～。
四、混凝剂和助凝剂
（一）混凝剂――为了促使胶体颗粒相互凝聚而加入 的化学药剂。 混凝剂的要求：混凝效果好；对人体健康无害；适用 方便；货源充足；价格低廉。

第二章、混凝

第二章、混凝第一节、混凝机理一、水中胶体稳定性常规处理工艺中主要去除对象是悬浮物和胶体，而重点是去除胶体。

水中的胶体颗粒可分成憎水的和亲水的两大类。

（1）憎水胶体指与水分子间缺乏亲和性的胶体。

如水中粘土以及投加的无机混凝剂所形成的胶体等无机物质。

（2）亲水胶体指与水分子能结合的胶体。

如蛋白质、淀粉、细菌、部分藻类及胶质等有机物质则属于亲水胶体。

亲水胶体靠它所特有的极性基团来吸附水分子，故能吸附大量的水分。

其实，水处理中的典型憎水胶体粘土颗粒表面也可能吸附了一层水分子，但比起亲水胶体所吸附的水分来则微不足道。

胶体颗粒在水中长时间保持分散状态的性质称为胶体的稳定性。

对于憎水的胶体，其稳定性可以通过它的双电层结构来说明；对于亲水胶体虽然也具有一种双电层结构但它的稳定主要由它所吸附的大量水分子所构成的水化膜来说明。

1、胶体的表面电性及双电层结构双电层结构是由于胶体颗粒具有巨大的比表面而产生的，巨大的比表面便产生了巨大的吸附能力，吸附了大量的离子就形成了所谓的双电层结构。

天然水中胶体杂质通常带负电荷，由于胶核表面吸附了水中与其电荷符号相反的离子（反离子）且电荷相等，故整个胶体（胶团）在水中表现为电中性。

其双电层结构如图2－1所示（以粘土为例）。

双电层一般包括内层和外层两部分，内层为Stern 吸附层，即紧靠胶核表面被吸附较紧密的一层反离子，厚度为δ；外层为离子扩散层，即吸附层外围的反离子层，厚度为d 。

吸附层与扩散层之间的分界面称为滑动面。

胶核表面电位为总电位，以0φ表示，胶体滑动面上的电位为动电位，即Zeta 电位，以ζ表示。

胶体在运动过程中表现出来的是ζ电位，而不是0φ电位。

各种杂质的ζ电位是不相同的，ζ电位可用电泳法来测定。

2、胶体稳定性胶体稳定性指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。

胶体稳定性分为：1）动力学稳定性，指胶粒由于布朗运动而无法下沉的特性；2）聚集稳定性，指由于静电斥力或水化作用所引起的使胶粒之间保持分散稳定状态的特性。

11.水质工程学 I —混凝 §2-1水的混凝机理(2)(ppt文档)

当pH ＞8.5时，由于氢氧化铝是典型的两性化合物，它又 重新溶解,并继续水解，生成可溶性的阴离子。
Al(OH)3(H2O)3+ H2O[Al(OH)4(H2O)2]-+H3O+
水解反应与羟基桥联反应相反，聚合度并无变化，但降低
了聚合物电荷，化合物中的羟基数目不断增多，这样，缩聚和
水解交错进行，便形成多种形态高聚物，经研究，存在可能性
在低pH值下高电荷低聚合度的络合物占主要地位；在高pH值下， 低电荷高聚合度的络合物占主要地位；当pH=7～8时，聚合度 极大的中性[Al(OH)3(H2O)3]∞将占绝大多数。
由上述反应可见，降低水中H+浓度或提高pH， 水解反应趋向右方，配位水分子逐渐减少，羟基逐渐 增多，而水合羟基络合物的电荷却逐渐降低，最终生 成中性氢氧化铝难溶沉淀物。经研究：
当 pH＜4 时，水解受到抑制水中存在的主要是 [Al(H2O)6]3+
当 pH = 4 时，水中将出现[Al(OH)(H2O)5]2+单羟 基水合铝离子、 [Al(OH)2(H2O)4]+双羟基水合铝离子 及少量[Al(OH)3(H2O)3]
最大的化合物形态有：
Al3(OH)4(H2O)10]5++H2O[Al3(OH)5(H2O)9]4++H3O+
[Al6(OH)14]; 、 [Al8(OH)20]4+ 、
[Al7(OH)17]4+、 [Al13(OH)34]5+等等。
这些物质，在水中都可能以一定比例同时存在，一般说来，
2、吸附架桥作用机理
作为混凝剂的高分子物质以及
Al2(SO4)3 ，FeCl3溶于水后，经水解 和缩聚反应形成高聚物，这些物质均具

给水工程-时文歆 第02章


第四节
1.水温
影响混凝的主要因素
• 水温低，絮凝体形成缓慢，结构松散； • 水温低，降低水解反应速度，因水解为吸 热反应； • 水温低，水的粘度增大，布郎运动减 弱，水的剪切力增大
2. pH值和碱度 • pH影响铝、铁盐水解产物的形态，是影 响混凝效果的主要原因。最佳pH值的确定? • 碱度：起缓冲作用，以使pH保持在适宜 范围。 水解反应产生H+，故在混凝剂投量大， 原水碱度不足时，需加助凝剂。
3.吸附架桥作用机理 ① 两个大的同号胶粒由于异号胶粒而连接； ② 高分子物质与胶粒的吸附与桥连。 适用:非离子型或带同号电荷的离子型高分 子絮凝剂的混凝。
高分子絮凝剂投加量十分重要： ①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象。
胶粒 高分子 胶粒 排斥 胶粒 高分子 排斥
第二章
混
凝
本章主要内容
第一节 混凝的基本理论 第二节 水的混凝机理 第三节 混凝剂与助凝剂 第四节 影响混凝的主要因素 第五节 混合与絮凝反应
第一节 混凝的基本理论
实际原水中，除了一些较大的颗粒、砂粒等能 经自然沉淀去除外，大部分悬浮物是以胶体形式 存在于水中的。水中含有的这些胶体物质，尺度 一般在10-6～10-9m之间。 包括：绝大部分粘土颗粒 (<4μm) 大部分细菌 (0.2~80nm) 病毒及一些高分子量的有机物
1.对混凝剂的要求 • 混凝效果要好，投加与使用方便； • 货源充足，价格便宜； • 饮用水使用的混凝剂必须无毒无害。
常用混凝剂
① 碱式氯化铝[Aln（OH）mCl3n-m] ② 硫酸铝[Al2（SO4）3] ③ 铁盐 ④ 碳酸镁[MgCO3·3H2O] ⑤ 有机合成高分子混凝剂 ⑥ 天然高分子混凝剂

混凝机理ppt课件


①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质 和浓度等；
②投加的凝聚剂种类与数量； ③使用的絮凝设备及其相关水力参数。
4.2水温影响
水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗 粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有： ①无机盐水解吸热； ②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱； ③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍 凝聚； ④水温与水的pH值有关
适宜pH：5~11，但腐蚀 性强
国外开始增多，国内尚 少
人工 合成 有 机
淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等
天然 微生物絮凝剂
2.2 助凝剂 助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果 的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以 参加混凝，也可不参加混凝。广义上可 分为以下几类： ①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸 等； ②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸 （SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂； ③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有 机物。如投加Cl2、O3等。
4.3水的pH和碱度影响
水的pH值对混凝效果的影响程度， 与混凝剂种类有关。 混凝时最佳pH范围与原水水质、去 除对象等密切有关。 当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会 生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱 度不够时需要投加石灰。
胶粒 高分子 胶粒 排斥 胶粒
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架 桥 模 型 示 意
图 6-6 胶 体 保 护 示 意
3．网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的 网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含 量成反比，即当原水胶体含量少时，所需 混凝剂多，反之亦然。
2 混凝剂和助凝剂
2.1 混凝剂 混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对 人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低 廉。 目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为 无机与有机两大系列，见表6-1。 与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适 用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝 体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝； ④但三氯化铁腐蚀性较强。 硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便 将二价铁氧化成三价铁。
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2.4 混凝剂与助凝剂
2.4.1 混凝剂 (Coagulant) 混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好； ②对人体无危害；③使用方便；④货源充足， 价格低廉。 目前混凝剂的种类有不少于200－300种， 分为无机与有机两大系列，见表2-1。

表2-1 常用的混凝剂
硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 适宜pH：5.5~8
2.3 水的混凝机理与过程 2.3.1 水的混凝机理
水的混凝现象比较复杂，至今尚未有统一认识。 凝聚（Coagulation）、絮凝 (Flocculation) 混凝：包括凝聚和絮凝
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
｛[胶核]电位形成离子，束缚反离子｝，自由反离子
吸附层 胶粒
扩散层
胶团 ξ 电位决定了胶体的聚集稳定性 一般粘土ξ 电位=-15~-40mV 细菌ξ 电位=-30~-70mV
2.2.3 DLVO理论

胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒的相互作用和间距评价。由一 下两个方面的力决定： 静电斥力：ER－1/d2 范德华引力：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3） 由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见 图2-2。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，称为排斥 能峰 [ Emax（势垒）] 胶体的布朗运动能量 Eb＝1.5kT，k：波兹曼常数，T：温度，当 其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚,一般Eb<Emax（势垒） 以上称为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）。
（3）胶体类型： 憎水胶体： 吸附层中离子直接与胶核接触，水 分子不直接接触胶核的胶体。 亲水胶体： 胶体微粒直接吸附水分子 极性集团： -OH，-COOH，-NH2
2.2.2 胶体的双电层结构
胶粒 滑动面
电位离子
反离子 胶团边界
胶 核 吸附层 扩散层
? φ电 位
Ⅱ δ d
Ⅰ
ξ 电 位
图 2-1 胶体双电层结构示意
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胶核表面电荷数，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。 胶体的电动电位（ ξ 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，此电位成为胶体的电动电位，常称为ξ 电位 。
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
c
间距x
0
a b
吸 引 势 能 EA
Ea
(b)
图 2-2 相互作用势能与颗粒距离关系
（a)双电层重叠； (b)势能变化曲线
胶体的凝聚：
本节思考题
(1) 胶体为什么会稳定？ (2) 疏水性胶体和亲水性胶体在稳定性上有何特点？ (3) 胶体的ζ电位对混凝工艺有何意义？ (4) 采用什么方法可以使胶体脱稳？
铝系 无 机 铁系
适宜pH：5~11，但腐蚀性 强
国外开始增多，国内尚少
人工 合成 有 机
阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM） 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯 （PEO） 两性型： 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 使用极少
天然 微生物絮凝剂
（1）最常用的无机混凝剂是铝盐和铁盐
铝盐：是以硫酸铝、明矾、聚合氯化铝等 代表。
（1）压缩双电层理论 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——ξ电位↓——稳定性↓——凝聚
原理：向水中投加电解质，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ξ电位，并使扩散层厚度缩小。这种作用称 为压缩双垫层。

铝盐投入水中后，会离解出三价铝离子Al3+。 在pH ≤ 4的条件下，由于水是极性分子，水溶液中的Al3+ 以六水合铝离子[Al (H2O)6]3+为主要存在形态。 如pH 值升高， [Al (H2O)6]3+就会发生水解，生成各种羟 基合铝离子。随着pH值升高，水解逐级进行，最终将形成 氢氧化铝沉淀。 [Al(H2O)6]3+ → [Al(OH)(H2O)5]2++ H+ [Al(OH)(H2O)5]2+ → [Al(OH)2(H2O)4]++ H+ [Al(OH)2(H2O)4]+ → Al(OH)3(H2O)3 ↓ + H+ 实际反应要复杂的多。
总电位或φ 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φ 电位。 在总电位一定时，扩散层愈厚， φ 电位愈高，反之，扩 散层愈薄， φ 电位愈低。 电位引起的静电斥力，阻止胶粒相互凑近和接触碰撞， 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。 ξ 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。 ξ 电位愈高，胶体的稳定性就愈高。
2.2 胶体的性质
⑴ 胶体的稳定性 ⑵ 胶体双电层结构 ⑶ DLVO理论 ⑷ 胶体的凝聚
2.2.1 胶体的稳定性
（1）动力学稳定性： 胶体在水中作布朗运动，在水分子在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）聚集稳定性： 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：金属氢氧化物、金属氧化物的胶粒吸附阳离子， 胶粒带正电，如氢氧化铁、氢氧化铝等； 带负电的微粒：非金属氧化物、金属硫化物的胶粒吸引阴离子， 胶粒带负电。 同种胶体微粒带同号电荷，静电斥力相互作用，不易凝聚。 粘土胶体一般带负电荷：因粘土微粒是硅酸盐类的晶体颗粒，它 优先选择吸附与其相近似的分子，如水中硅酸分子，后者是弱酸 分子，部分解离，将H+释放到水中，所以粘土微粒作为一个整 体，带负电。
（2）吸附电性中和作用机理
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 与其它颗粒接近而相互吸附。 这种现象在水处理中出现的较多。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，来降低ζ电位。其特点是：当药剂投 加量过多时，ζ电位可反号。
Φ （-） 负离子 滑动面 原有正离子 投加的正离子 Φ （-）
滑动面
滑动面
胶核表面（固体）
Байду номын сангаас
电位Φ
电位Φ
Ⅱ Ⅰ δ Ⅲ δ δ δ
Ⅰ δ
Ⅱ 距离 Ⅲ
（1）
距离
（2）
距离
（3）
图 2-3 压缩双电层和吸附-电中和作用
ξ电位=0，等电状态，实际上混凝不需要ξ电 位=0，只要使Emax=0即可，此时的ξ电位称为 临界电位。 例如：河川到海洋入口处，由于海水中电解质 的混凝作用，使胶体脱稳凝聚，形成三角洲。
但该理论不能解释： 1）混凝剂投入过多，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，绝非只来源于静电力， 还来源于范德华力、氢键及共价键力（多出现在有聚 合粒子或高分子物质存在时）。 各种电解质离子压缩双垫层的能力是不同的。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。
氢氧化物胶体 粘土杂质 水 水
水
水
悬浮杂质
网捕
在实际水处理过程中，往往是几种机理综合作用。 目前仅限于定性描述，有关定量研究近年已开始关 注。
2.3.2 混凝过程
（1）凝聚（coagulation） 带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或 吸附电中和 胶体ζ电位↓――胶体脱稳――脱稳胶体凝聚 ――生长成d=10μm的小矾花（Floc） 特点：剧烈搅拌，使混凝剂快速分散在混合设 备中完成。
（2）絮凝（flocculation） 高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒→ 生长成大矾花(Floc) （可以通过沉淀去除） d=0.6mm~1.2mm 特点：需要一定时间使矾花长大，搅拌从 强→弱→→在絮凝设备中完成。
本节思考题
(1) 铝盐在水中的化学反应行为对混凝有何意义？ (2) pH在无机盐水解过程中起什么作用？ (3) 几种混凝机理如何影响混凝过程？ (4) 混凝过程由几阶段构成？对水力学条件有何要求？


2.1 混凝去除的对象
混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种 化学方法。 范围在：1nm~0.1µm（有时认为在1µm） 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 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 1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方才开始使用