武理工水污染控制原理实验理论指导第5章 常规分离过程与膜分离对实验的指导.docx

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1、第五章常规分离过程与膜分离对实验的指导5.1凝聚与絮凝理论基础1、基本概念凝聚（CoagUEiOn）指胶体的脱稳阶段.而絮凝（f1occu1ation）则指肢体脱稳以后结成大颗粒絮体的阶段。第一阶段相当于给水处理中加药混合后的极端一段时间，可能在一秒钟以内.而絮凝则主要在絮凝设备中完成。2、肢体颗粒的基本性质（1）水处理中常见胶体：粘土颗粒（对于d1）,两颗粒间相互作用可用两平板相互作用来近似。图5-5代表了这类颗粒相互作用的Vrh曲线。在该曲线上一般存在一极大值Vm称为斥能峰。这样，当两个颗粒在靠近斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生凝聚。由图55得分析可得出以下几点结论：图5-5

2、胶体化学势能作用曲线示意图根据胶体化学作用势能曲线的变化趋势，扩散双电层厚度大致可取为1/k的3倍。因此，较强的胶体化学相互作用将发生在6/k的距离范围之内。 范德华引入势能曲线决定于Hamaker常数值,因此对给定的胶体颗粒间的相互作用，它是不变的。然而，双电层作用势能曲线却随着溶液条件的变化而变化。这是因为该势能决定于no和k-等受溶液条件控制的参数。 当双电层作用足够强烈时，Vrh曲线上存在一正的极大值Vm,见图5-5中曲线1。随着双电层作用减弱，即双电层作用势能曲线下移，极大值减小以致最终消失成为负值，见图5-5中曲线2。这时，颗粒间将发个脱稳而凝聚。水处理中的混凝过程就是为了实现这样

3、的转变。斥能峰的表达式：=M%kT2,nke27Ak248;T(5-13)极值点是：dm=H因此，H不仅代表扩散双电层厚度，也是两双电层叠加产生斥能峰的大致位置。压缩双电层可降低斥能峰而达到颗粒凝聚。降低H值办法可由增加溶液中离于的数量浓度m。和价数Z1来实现。溶液的离子强度I等于;ZYZ；。在水温为20时，有：k-i2.810-47(5-14)式中.离子强度的单位为moI/1o对z-z电解质溶液，离于强度等于电解质的物质的量浓度。使V-h曲线上的斥能峰Vm=O的电解质浓度称为混凝的临界电解质浓度Cao当溶液中实际的电解质浓度等于或大干Ca时，Vm为零或负值，颗粒迅速发生凝聚。随着电解质中离子

4、价数升高，Ca值将降低。因此，电解质中离子价数越高，促进颗粒脱稳凝聚所需浓度越低。(5)C电势由上述讨论可以得出：胶体颗粒在水中.由于表面官能团的解离，电势决定离子的吸附以及晶格缺陷等原因产生表面电荷及电势。颗粒表面电荷大部分情况受水的PH控制，并存在一电荷零点的PH(PHo)o固液界面处静电场受到吸附层中的吸附反离子和扩散层中的反离子的屏蔽作用。吸附层内电势导线性降低而扩散层的电势则呈指数函数降低。影响胶体颗粒稳定件的主要参数是扩散层电位中d和厚度(由参数H代表)。增加溶液离子强度可使k值增大，表现为扩散双电层变薄。当吸附层内过量吸附反离子可引起电荷反号，使表面电位弧与扩散电位以符号相反。这

5、些都会引起肢体颗粒脱稳而凝聚。然而，巾、弧、力d皆为热力学电势，直接测定是困难的。通常可以测定的电势是颗粒的表面电动电势，即C电势。它可用微电泳仪测定。如图5-3所示，C电势是双电层内滑动面处的电势。当存在一直流外电场时，胶体颗粒发生定向迁移，从而引起固液两相分离。这称为颗粒的电泳。由于吸附层中的离子和极性水分子被牢固地束缚农表面处，因而随颗粒一起移动。表面滑动一般发生在外HeImhOItZ面附近。因此，C电势的大小和符号与扩散层电势以相近。一般都假定：=d(5-15)当对电泳槽两端施加直流电压时,可通过显微镜观测到电泳槽中胶体颗粒在水中向正极（带负电胶体）或负极（带正电胶体）运动的迁移率。颗

6、粒电泳辽移率UC定义为U=（5-16）cE式中，UC为颗粒电泳迁移速度，单位为ms;E为施加的外电场强度，以电压与两电极间距离之比表示，单位为v/cm。因而UC的单位是Um-s-Wcm1这样定义其单位是为了计算方便。MoUC与C电势的关系为wf=f（ka）（5-17）3式中，乡为水的介电常数；口为水的粘度；f（ka）为修正系数。a为颗粒半径。当水温为25时，=7.0810,0CVm,y=0.001kgms,上式变为：Mc=4.7210-2fUf1）（5-18）式中，乡电势的单位是mV。电解质对亲水胶体虽然同样也起凝聚作用，但有不同于憎水胶体作用的特点。第一，离子的价数对凝聚无重要作用；例如，带

7、负电的胶体明胶分子，加氯化钠不沉淀，加氯化钙同样也不沉淀。第二，使亲水胶体凝聚沉淀出来起重要作用的是阴离子，阴离子个仅对带正电的亲水肢体起凝聚作用，同样也对带负电的亲水胶体起凝聚作用。阴离子起凝聚作用的能力也不一样，其大小顺序如下：5。了,（。685。7）-柠檬酸根，（。6”4。4产酒石酸根，CH3COO,C1,NO,Br,F这一顺序称为HofmeiSter顺序。各种阳离子起凝聚作用的能力差别，不如阴离子那样明显。当产生亲水胶体凝聚作用所需要的盐的浓度太高时，这一过程就称为盐析。大量的盐不仅中和了亲水胶体上所带的电荷，同时也起了脱水作用。如硫酸铁为盐析蛋白质最重要的试剂，原因是硫酸根及筱离子都有很高的凝聚能力。盐析需要的硫酸铁浓度约在2mo11以上。憎水胶体间的互凝而沉淀出来的现象比较简单,就象正负离子相中和而沉淀出来的现象一样。憎水胶体还可以同带相反电号的亲水肢体互相凝聚而沉淀出来，如用少量的蛋白质可使憎水胶体沉淀出来。在蛋白质带负电的PH值范围内，可沉淀带正电的憎水胶体，在带正电的PH值范围内，可沉淀带负电的憎水胶体。亲水胶体间的互凝现象较复杂。例如，