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[工学]常规给水处理工艺 混凝
第15章 混凝(coagulation) ;在上一章,我们已经讲过,水中的杂质分为悬浮物、胶体和溶解物,而我们给水处理的主要对象是细小的悬浮物和胶体微粒。
我们下面以不同粒径的微粒所需要的沉淀时间来看,混凝处理的必要性。 ; 粒径 沉降1m所需的时间
10mm 砾砂 1s
1mm 粗砂 10s
悬浮物 0.1mm 细砂 2.1min
0.01mm 泥 1.83h
1?m 细菌 183h
0.1?m 765d
胶体 0.01?m 20a
1nm 200a; 由以上计算看出,水中细小悬浮物及胶体杂质
靠自然沉淀是无法去除的的,或者说需要很长的时间,
这在工程上是很不经济的。对于这类物质的去除要用
到我们下面讲的混凝沉淀来解决。
混凝处理的对象:水中常常不能用自然沉淀法除去的
细小的悬浮物和胶体物质。;※混凝的定义:
通过投加化学药剂使水中胶体颗粒和细小的悬浮颗粒相互聚集,这一过程称为混凝,包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)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。; 1、胶体稳定性
胶体稳定性:系指胶体粒子在水中长期保持分散
悬浮状态的特性。;电位离子层:在胶体粒子的中心是胶核,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。
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。
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。
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。
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;{[胶核]电位形成离子,束缚反离子}, 自由反离子;?电位决定了憎水胶体的聚集稳定性
一般粘土?电位=-15~-40mV
细菌?电位=-30~-70mV ;3、胶体之间的相互作用(DLVO理论);;当胶体距离xoa或xoc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。
另一方面,胶体的布朗运动能量Eb=1.5kT,
当其大于排斥能峰时,胶体颗粒能发生凝聚。
其中:k:波兹曼常数,T:温度
在常温条件下:
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