水质工程学课件第三章3.1-3.4[1] 2

第三章 混

凝(凝聚和絮凝)

混凝——指水中胶体颗粒和微小悬浮物 的聚集过程。是凝聚和絮凝的总称。凝聚(aggregation):使水中原有的 胶体微粒首先具有粘附在固体颗粒上的性 质 (胶体失去稳定性的过程)。 絮凝(flocculation):使这些具有粘 附性的胶体微粒能够粘结成絮体(脱稳胶 体 相互聚集的过程)。

混凝过程涉及到三个方面的问题：1.水中胶体的性质 2.混凝剂在水中的水解与形态 3.胶体与混凝剂的相互作用

第一节 胶体的稳定性水中胶体的稳定性 胶体微粒——难以下沉的微粒 胶体微粒在水中长期处于分散稳定状 态，这个特性称为“分散颗粒稳定性”。

动力学稳定性：胶体微粒布朗运动(水分子的热运动撞 击胶粒，使其发生不规则运动)足以抵抗重 力的影响(粒度较小),使其长期处于悬浮 状态不能沉降。

聚集稳定性：胶体间静电斥力(憎水性胶体：同性电 荷相斥) 胶粒表面的水化作用(亲水性胶体：形 成的水化膜阻碍聚集)

两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的 影响起关键作用。(布朗运动虽使胶体具有 动力学稳定性，但另一方面其不规则运动又 为颗粒间的接触创造了条件；而静电斥力和 水化膜使胶粒间根本无法接触)。

由上可知，使胶粒具有稳定性的主要原 因有三个： 布朗运动 胶粒间的静电斥力 胶粒表面的水化作用

一、有关静电斥力(憎水胶体的聚集稳性) 1、胶体的双电层结构 以粘土为例，它由许多的SiO2分子组 成胶体核心——胶核，即[SiO2]m,其表面 有nSiO2水解，其反应式为： nSiO2+nH2O nH2SiO3 H2SiO3是弱酸，能起电离作用，其反 应式为： nH2SiO3 nSiO32-+2nH+

滑动面

H H H电位形成离子

H H SiO3

H SiO3

H SiO3

H H

胶核

胶粒双电层

H反离子

SiO H

[SiO ]m33

SiO SiO

3

3

自由反离子

H

H H

SiO H

3

H H

束缚反离子

胶团结构示意图

吸附层 扩散层

扩散层 吸附层

SiO

H

H

3

胶团

H

吸附层 扩散层

胶体分子聚合而成的胶体颗粒——胶

核； 胶核表面吸附了某种离子而带电，这种 离子为——电位形成离子； 在静电引力作用下，溶液中的异号离子 被吸引至胶核周围，这些异号离子为——反 离子； 靠近胶核的反离子被电位形成离子吸引 紧附在固体表面(胶核表面)随颗粒一起移 动，这部分反离子称为——束缚反离子；

未贴近固体表面(胶核表面)的反

离子在其本身热运动的扩散作用力下均匀分散于周围，受静电引力作用较小， 当胶粒运动时就与固体表面脱离进入液

体，这部分反离子为——自由反离子；

束缚反离子和电位形成离子组成——吸 附层； 自由反离子组成——扩散层； 吸附层

和扩散层称为——双电层； 胶粒运动时大部分自由反离子会脱离胶 粒，脱开的界面称为——滑动面； 胶核与吸附层合在一起称为——胶粒； 胶粒和扩散层组成——胶团。

静止状态：电位形成离子和反离子总 电荷是相等的，故整个胶体是电中性的。 运动状态：胶粒所带的负电荷大于吸 附层所带的正电荷(自由反离子脱离胶 粒),故胶粒在运动中便显示出负电性。

根据同性相斥的原理，因胶粒带同一 种电性，故在胶粒之间产生斥力。

2、电位分布 在胶粒移动时，其滑动面所带的电 位——电动电位，用ξ 表示，ξ 表示胶 粒所带电荷的大小，ξ 越大，胶粒所带 电荷越大，胶粒间的斥力也就越大。 电 位决定了憎水胶体的聚集稳定性。

3、DLVO理论胶体间能否相互接近、凝聚取决于布朗运动 的动力、范德化引力(使胶体不稳定的因素)和 静电斥力三者的综合表现。 布朗运动的动能主要和水温有关，一定温度 下其值基本不变；范德化引力和静电斥力产生的 势能与微粒间距有关。 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)

4、两胶粒间相互作用(综合分析两胶粒间 相互作用力及其与二者间的距离的关系) ER——静电斥力产生的排斥势能量(两 胶粒的扩散层发生重叠); EA——范德化引力产生的吸引势能量； E ——两者相加的总势能。

如图总势能曲线， x<oa,吸引， x=oa~oc时，排斥； x=ob时，排斥势能最 大Emax; x>oc,虽为吸引， 但要克服排斥势能 峰。

∴胶粒长期处于分

散稳定状态

二、胶粒表面的水化作用(亲水胶体的聚 集稳定性)亲水胶体——能与水分子结合的胶体，其胶体微 粒直接吸附水分子。蛋白质、淀粉等均为亲水胶 体。 水化作用——粒子表面极 - 性基团吸附水分子，在粒 水化膜 + + + 子周围形成一层较厚的水 化膜，该膜阻碍胶体微粒 相互靠近。水化膜越厚， 其稳定性越好。 水化膜示意图+ +

+ +

-

-

+

- + +