水环境化学水中颗粒物的聚集省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、水中颗粒物聚集 陈悦第1页 胶体颗粒聚集亦可成为凝聚或絮凝。把由电介质促成聚集成为凝聚，而由聚合物促成聚集称为絮凝。水中颗粒物聚集水中颗粒物聚集第2页1.胶体颗粒凝聚基本原理和方式 DLVO理论：经典胶体相互作用是以胶体稳定性理 论（DLVO理论）为定量基础。DLVO理论把范得华吸引力和扩散层排斥力考虑为仅有作用原因，它适合用于没有化学专属吸附作用电解质溶液中，而且假设颗粒粒度均等、球体形状理想状态。水中颗粒物聚集水中颗粒物聚集第3页1.胶体颗粒凝聚基本原理和方式 水中颗粒物聚集水中颗粒物聚集DLVO理论：经典胶体相互作用是以胶体稳定性理 论（DLVO理论）为定量基础。这种颗粒在溶液中进行热运

2、动，其平均功效为3kT/2，两颗粒在相互作用靠近时产生几个作用力，即多分子范德华力、静电排斥力和水化膜阻力。第4页总综合作用位能为：VT=VR+VAVA由范德华力所产生位能 VR由静电排斥力所产生位能DLVO理论理论双电层双电层溶液离子强度较小，出现较大位能峰（Vmax），排斥作用占较大优势，体系保持分散稳定状态。第5页总综合作用位能为：VT=VR+VAVA由范德华力所产生位能 VR由静电排斥力所产生位能DLVO理论理论双电层双电层溶液离子强度增大，Vmax下降甚至完全消失，颗粒超出位能峰后，吸引力占优势，颗粒继续靠近，到达综合位能曲线上近距离极小值时，两颗颗粒结合在一起。第6页DLVO理论理

3、论双电层双电层 电解质浓度升高压缩扩散层造成颗粒凝聚经典情况，即一个理想化最简单体系，不适用与天然水或其它实际体系。第7页异体凝聚理论异体凝聚理论1.使用体系：适合用于处理物质本性不一样、粒径不一样、电荷符号不一样、电位高低不等之类分散体系。2.主要论点：假如两颗电荷符号相异胶体微粒靠近时，吸引力总是占优势。假如两颗电荷符号相同但电性强弱不等，则位能曲线上能峰高度总是取决于荷电较弱而点位较低一方。第8页异体凝聚理论异体凝聚理论天然水环境和水处理过程中颗粒聚集方式：1.压缩双电层凝聚2.专属吸附凝聚 3.专属吸附凝聚 4.专属吸附凝聚 5.第二极小值絮凝6.聚合物粘结架桥絮凝7.无机高分子絮凝8

4、.絮团卷扫絮凝9.颗粒层吸附絮凝10.生物絮凝第9页混凝混和凝聚絮凝混凝混和凝聚絮凝吸附吸附混和混和电中和电中和 凝聚凝聚 絮凝絮凝 絮体、絮团絮体、絮团投药投药分离分离颗粒物颗粒物混凝剂混凝剂絮凝剂絮凝剂n+nnn nnnn+纳米纳米-分子污染物分子污染物+第10页无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂 Inorganic Polymer Flocculants阳离子型 聚合氯化铝 PAC,PACl 聚合硫酸铝 PAS 聚合硫酸铁 PFS 聚合氯化铁 PFC 聚合磷酸铝 PAP 聚合磷酸铁 PFP阴离子型 聚合硅酸 PSi (活化硅酸)ASi复合絮凝剂聚合硫酸铝铁 PAFS聚合氯化铝铁 PAFC聚

5、合硅酸铝 PASI聚合硅酸铁 PFSI聚合硅酸铝铁 PAFSI无机+有机复合型聚合铝-聚丙烯酰胺 聚合铝-甲壳素聚合铝-合成有机高分子第11页Al(III)羟基聚合形态羟基聚合形态 水解水解络络合合聚合聚合溶胶溶胶沉淀沉淀中中间产间产物物 ：多核：多核羟羟基基络络合物合物 无机高分子无机高分子单单核核物物 Al3+Al(OH)2+Al(OH)2+Al(OH)4-初聚物初聚物 Al2(OH)42+Al3(OH)45+低聚物低聚物 Al6 6(OH)12126+6+Al8 8(OH)20204+4+高聚物高聚物 Al15(OH)369+沉淀物沉淀物 Al(OH)3 n 中聚物中聚物 Al13(OH

6、)327+Al13O4(OH)247+Alx(OH)y(3x-y)+第12页Al(III)聚合态六元环连续模型聚合态六元环连续模型 聚合过程：聚合度升高，电荷升高聚合过程：聚合度升高，电荷升高 2Al(OH)(H2O)52+(H2O)4AlAl(H2O)4 4+2H2O 水解过程水解过程：羟化度升高，电荷降低：羟化度升高，电荷降低 Al3(OH)4(H2O)105+Al3(OH)6(H2O)83+2H+第13页Al(III)羟基聚合物双水解模式羟基聚合物双水解模式自发水解自发水解强制水解强制水解 微区加强碱微区加强碱 铝盐溶解铝盐溶解,稀释稀释 单核物单核物,初聚物初聚物 H2O H2O H2

7、O Al(OH)2+低聚物低聚物 高聚物高聚物 沉淀物沉淀物 H2O Al3+H2O Al(OH)2+Al6(OH)126+Al13(OH)327+Al(OH)3 H2O H2O H2O Al(OH)4 (am)Al 2(OH)24+OH-OH-OH-OH-Al3+OH-Al(OH)4 +12 Al toc Al12AlO4(OH)247+n Al13 OH-OH-OH-四面体四面体 八面体八面体 (Al13)聚集体聚集体 聚十三铝聚十三铝 第14页高纯聚十三铝高纯聚十三铝(HPAC)生产生产Al(OH)3 凝胶凝胶 Ca(AlO2)2 HCl To,P喷雾喷雾干燥干燥粉状粉状产品产品Al13

8、 4050%电解化学工艺电解化学工艺超滤组件工艺超滤组件工艺Al13 80%Al13 80%纳膜分离工艺纳膜分离工艺 纳米技术纳米技术 Nano-Tech 纳米材料纳米材料 Nano-material精细提纯工艺精细提纯工艺Al13 80%改进化学工艺改进化学工艺Al13 70%现有工艺现有工艺Al13 90%第15页胶体颗粒聚集胶体颗粒聚集胶体颗粒聚集热力学原因：扩散层压缩、表面电位降低、排斥力减小；产生含有远距离吸引力以及存在粘结架桥物质。动力学原因：颗粒之间必须发生碰撞第16页颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学依据碰撞过程不一样有三种情况：（1）异向絮凝：由颗粒热运动即布朗运动推进 下发生碰撞

9、引发；（2）同向絮凝：在水流速率梯度（G）剪切作用下，颗粒产生不一样速率而发生碰撞和絮凝；（3）差速沉降絮凝：在重力作用下，沉降速率不一样 颗粒发生碰撞而絮凝。第17页颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学（1）异向絮凝速率d Nd t=p4kTN23p有效碰撞系数k玻尔兹曼常数，1.3810-23J/K绝对粘度，g/（cms）絮凝速率与颗粒数目平方成比例第18页颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学（2）同向絮凝速率d Nd t=4体积分数d颗粒粒径，m0GN=6d3N当水中同时存在两种絮凝过程时，絮凝速率为二者之和：d Nd t+40GN=p4kTN23当颗粒直径d1m时，异向絮凝可忽略不计；当颗粒直径d1m

10、时，异向絮凝占主要地位；若d=1m而G=10s-1，则两种速率相等。第19页颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学（3）差速沉降絮凝速率g重力加速度，cm/s2颗粒密度，g/cm3d Nd t=sg(1)72(d1+d2)3(d1d2)N1N2动力粘度，cm3/s第20页在絮凝动力学中，颗粒粒度起着很主要作用。颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学kb=2kT(d1+d2)23d1d2异向絮凝同向絮凝差速沉降絮凝ksh=(d1+d2)3G61ks=g(1)72(d1+d2)3(d1d2)第21页影响絮凝过程主要参数是有效碰撞系数（）、速率梯度（G）、颗粒体积分数（）颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学第22页颗粒颗粒絮凝动力学絮凝动力学第23页