当代给水与废水处理原理(第二版)第5章

③ 离子化官能团解离：高分子有机物极性官能团的酸碱解离 使表面带上电荷，其表面电荷、电势也受pH值控制。
④ 离子型晶体Schottky缺陷（某种粒子可在晶体内自由运动 ）：如粘土或其他铝硅酸盐矿物颗粒，其晶体内碱金属或 碱土金属离子取代了表面晶格中的铝离子，引起表面带负 电荷。这类胶体的表面电荷、电势不受溶液pH值或电位决 定离子影响，不存在电荷零点。
对式(5-12)积分得：
0 exp( x)
(5-13)
式中，κ为Debye-Huckel常数：
1
e2
ni0 zi2 kT
2
(5-14)
式(5-13)表明，扩散双电层中电势随距离x呈指数函数降
低，如图5-1(c)。κ-1代表了扩散双电层厚度，即界面静电场
影响范围。
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2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续3）
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胶体的稳定性
胶体颗粒在水中继续保持分散状态的性质称为胶体的稳 定性。
憎水胶体，稳定性可以通过它的双电层结构来说明。亲水 胶体，虽然也具有双电层结构，但其稳定性主要由吸附的大量 水分子所构成的水壳来说明。亲水胶体保待分散的能力，即它 的稳定性比憎水胶体高。
双电层结构的产生原因：
颗粒巨大的 比表面积
只有一种Z-Z电解质时，式(5-11)可简化为:
d 2 dx2
2n0
ze
sinh
ze kT
(5-15)
式中：n0 n0 n0; z z z;
n0、z、n0、z —正负离子在主体溶液中的浓度和价数
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2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续2）
d 2
dx2
1
i
ni0zie exp(zie / kT )
(5-11)
当表面电势较小zieψ＜kT 时，式(5-11)右边作级数展开
并取前两项，得：
d 2 dx2
2
在主体溶液中，x→∞时
d 0
dx
(5-12)
在表面处，x = 0时 0
天然水中产生浊度的微粒主要是粒径小于10μm的土壤颗 粒。据Stokes公式计算直径10μm的粉砂在水中下沉1m约需 100min；而当直径缩小为1μm时，其理论沉降时间将变为l0 000min。
这些微小的颗粒由于受周围水分子布朗运动冲击，阻碍了 其下沉运动，使之在相当长的时间内保待着悬浮状态－－即胶 体颗粒的稳定状态。因此不能靠自然沉降的方法将其从水中去 除，混凝是一必经的过程。
x － 垂直方向坐标
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2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续1）
d i
dx
zieBiblioteka ddx(5-7)
i i kT ln ni
(5-8)
式子5-8代入5-7并积分得：
ni ni0 exp(zie / kT )
(5-9)
当ψ=0时，ni=ni0。式5-9表明，在扩散层中离子呈
Boltzmann分布(图5-1b)。
前言
给水处理的绝大部分问题是去除水中的悬浮固体微粒（固 －液分离过程）。所去除的微粒下限粒度为1nm，上限粒度约 为10μm。包括蛋白质、腐殖酸、病毒、细菌和粘土等微粒物 。这些微粒使水产生浊度。
内容纲要 絮凝与凝聚 沉淀试验 浓缩池 滤床过滤 膜分离
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Part One 凝聚与絮凝 §5-1 基本概念
凝聚：胶体的脱稳阶段
絮凝：胶体脱稳后结成大颗粒的阶段
混凝：代表整个凝聚及絮凝过程
按Stocks公式，颗粒的沉速与颗粒在水中的相对密度和颗 粒粒径的平方成正比。大絮粒的沉速足以使它们在沉淀设备中 被去除，但经过混凝过程的微粒不一定都能形成大粒径的絮体 ，细微絮体颗粒由于含水量大(相对密度小)以及粒径小则沉速 太小的原因，仍然会随着原水通过沉淀设备流出来，需经进一 步的过滤处理才能使出水浊度达标。
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§5-2 胶体颗粒的基本性质
胶体颗粒：指粒度在1nm～1μm间的颗粒。 线性分子只要含有103～109个原子，不论绝对尺寸，都属 于胶体颗粒。如高分子助凝剂聚丙烯酰胺，相对分子量500万 时，展开长度达到20μm，但由于相当7×105个原子的线性分子 ，也划为胶体颗粒。 无机混凝剂形成的氢氧化物沉淀也呈胶体状态——无定形 微晶体。
表面电荷产生机理： ① 表面离子特异吸附：如AgI胶体吸附Ag+或I-， Ag+或I-称为
电位决定离子，溶液中存在一特定的Ag+离子活度aa0(Ag+)使 颗粒表面电荷为零——电荷零点；根据Nernst方程，这类 胶体的表面电荷、电势取决于电位决定离子在溶液中的活 度。
② 离子型晶体溶解平衡：如铁、铝氧化物颗粒表面电荷的产 生，其表面电荷、电势受pH值控制。
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2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论
内层：Stern吸附层 双电层
外层：离子扩散层 考虑颗粒表面一个小局部，假设表面为平面。在此平面附 近，液相中的离子发生静电迁移和扩散两个反相过程，存在下 列平衡关系：
d i
dx
zi
e
d
dx
(5-7)
i i kT ln ni (5-8)
其中：μi － 化学势 μiΘ－ 标准化学势 ni － 数量浓度 zi － 价数 ψ － 扩散层中的电位
扩散层中空间电荷密度分布ρ为：
ni zie ni0zieexp(zie / kT )
i
i
(5-10)
扩散层中电位与电荷密度关系：
d 2
dx2
1
i
ni0 zie exp(zie / kT )
(5-11)
度质有(ddx关式) 。中的ε变化为与水该的层介中电空常间数电，荷式密5-度11成表正明比扩，散并双与电水层的中介电电场性强
胶体的憎水、亲水性
憎水胶体，包括水中的粘土、无机混凝剂形成的胶体。 亲水胶体，包括有机物质，蛋白质、淀粉及胶质。亲水胶 体靠特有的极性基团吸附水分子，如100g淀粉含有0.62mol极 性基团，可吸附0.44mol水(7.9g)。 亲水胶体吸水自动分散成胶体溶液，脱水可恢复原状(可 逆胶体)；憎水胶体则不具备此性质(不可逆胶体)。
巨大的 吸附能力
吸附 大量离子
憎水胶体的双电层结构讨论
1.颗粒表面电荷的产生 2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论 3. Stern-Grahame吸附层 4.憎水胶体的稳定及脱稳 5.ζ电势
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1. 颗粒表面电荷的产生
在一般的水质中，粘土、细菌、病毒等带负电荷。氢氧化 铝或氢氧化铁微晶体带正电荷。