水環(huán)境化學(xué)水中顆粒物的聚集市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、水中顆粒物聚集 陳悅第1頁 膠體顆粒聚集亦可成為凝聚或絮凝。把由電介質(zhì)促成聚集成為凝聚，而由聚合物促成聚集稱為絮凝。 水中顆粒物聚集第2頁膠體顆粒凝聚基本原理和方式 DLVO理論：經(jīng)典膠體相互作用是以膠體穩(wěn)定性理 論（ DLVO理論）為定量基礎(chǔ)。DLVO理論把范得華吸引力和擴(kuò)散層排斥力考慮為僅有作用原因，它適合用于沒有化學(xué)專屬吸附作用電解質(zhì)溶液中，而且假設(shè)顆粒粒度均等、球體形狀理想狀態(tài)。水中顆粒物聚集第3頁膠體顆粒凝聚基本原理和方式 水中顆粒物聚集DLVO理論：經(jīng)典膠體相互作用是以膠體穩(wěn)定性理 論（DLVO理論）為定量基礎(chǔ)。這種顆粒在溶液中進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)，其平均功效為3kT/2，兩顆粒在相互作用靠

2、近時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)作用力，即多分子范德華力、靜電排斥力和水化膜阻力。第4頁總綜合作用位能為： VT=VR+VAVA由范德華力所產(chǎn)生位能 VR由靜電排斥力所產(chǎn)生位能DLVO理論雙電層溶液離子強(qiáng)度較小，出現(xiàn)較大位能峰（Vmax），排斥作用占較大優(yōu)勢(shì)，體系保持分散穩(wěn)定狀態(tài)。第5頁總綜合作用位能為： VT=VR+VAVA由范德華力所產(chǎn)生位能 VR由靜電排斥力所產(chǎn)生位能DLVO理論雙電層溶液離子強(qiáng)度增大，Vmax下降甚至完全消失，顆粒超出位能峰后，吸引力占優(yōu)勢(shì)，顆粒繼續(xù)靠近，到達(dá)綜合位能曲線上近距離極小值時(shí)，兩顆顆粒結(jié)合在一起。第6頁DLVO理論雙電層 電解質(zhì)濃度升高壓縮擴(kuò)散層造成顆粒凝聚經(jīng)典情況，即一個(gè)理想

3、化最簡(jiǎn)單體系，不適用與天然水或其它實(shí)際體系。第7頁異體凝聚理論1. 使用體系：適合用于處理物質(zhì)本性不一樣、粒徑不一樣、電荷符號(hào)不一樣、電位高低不等之類分散體系。2. 主要論點(diǎn)：假如兩顆電荷符號(hào)相異膠體微?？拷鼤r(shí)，吸引力總是占優(yōu)勢(shì)。假如兩顆電荷符號(hào)相同但電性強(qiáng)弱不等，則位能曲線上能峰高度總是取決于荷電較弱而點(diǎn)位較低一方。第8頁異體凝聚理論天然水環(huán)境和水處理過程中顆粒聚集方式：1. 壓縮雙電層凝聚2. 專屬吸附凝聚 3.專屬吸附凝聚 4.專屬吸附凝聚 5. 第二極小值絮凝6. 聚合物粘結(jié)架橋絮凝7. 無機(jī)高分子絮凝8. 絮團(tuán)卷掃絮凝9. 顆粒層吸附絮凝10. 生物絮凝第9頁混凝混和凝聚絮凝吸附混和

4、電中和 凝聚 絮凝 絮體、絮團(tuán)投藥分離顆粒物混凝劑絮凝劑n +nnn nnnn+納米-分子污染物+第10頁無機(jī)高分子絮凝劑 Inorganic Polymer Flocculants陽離子型 聚合氯化鋁 PAC, PACl 聚合硫酸鋁 PAS 聚合硫酸鐵 PFS 聚合氯化鐵 PFC 聚合磷酸鋁 PAP 聚合磷酸鐵 PFP陰離子型 聚合硅酸 PSi (活化硅酸 ) ASi復(fù)合絮凝劑聚合硫酸鋁鐵 PAFS聚合氯化鋁鐵 PAFC聚合硅酸鋁 PASI聚合硅酸鐵 PFSI聚合硅酸鋁鐵 PAFSI無機(jī) +有機(jī)復(fù)合型聚合鋁-聚丙烯酰胺 聚合鋁-甲殼素聚合鋁-合成有機(jī)高分子第11頁Al(III)羥基聚合形態(tài)

5、水解絡(luò)合聚合溶膠沉淀中間產(chǎn)物 ：多核羥基絡(luò)合物 無機(jī)高分子單核物 Al3+ Al(OH)2+ Al(OH)2+ Al(OH)4- 初聚物 Al2(OH)42+ Al3(OH)45+低聚物 Al6(OH)126+ Al8(OH)204+高聚物 Al15(OH)369+沉淀物 Al (OH)3 n 中聚物 Al13(OH)327+ Al13O4(OH)247+ Alx(OH)y(3x-y)+ 第12頁Al(III)聚合態(tài)六元環(huán)連續(xù)模型 聚合過程：聚合度升高，電荷升高 2Al(OH)(H2O)52+ (H2O)4AlAl(H2O)4 4+ + 2H2O 水解過程 ：羥化度升高，電荷降低 Al3(OH

6、)4(H2O)105+ Al3(OH)6(H2O)83+ + 2H+第13頁Al(III)羥基聚合物雙水解模式自發(fā)水解強(qiáng)制水解 微區(qū)加強(qiáng)堿 鋁鹽溶解, 稀釋 單核物, 初聚物 H2O H2O H2O Al (OH)2+ 低聚物 高聚物 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-

7、四面體 八面體 ( Al13 ) 聚集體 聚十三鋁 第14頁高純聚十三鋁(HPAC)生產(chǎn)Al(OH)3 凝膠 Ca(AlO2)2 HCl To , P噴霧干燥粉狀產(chǎn)品Al13 4050%電解化學(xué)工藝超濾組件工藝Al13 80%Al13 80% 納膜分離工藝 納米技術(shù) Nano-Tech 納米材料 Nano-material精細(xì)提純工藝Al13 80%改進(jìn)化學(xué)工藝Al13 70%現(xiàn)有工藝Al13 90%第15頁膠體顆粒聚集膠體顆粒聚集熱力學(xué)原因：擴(kuò)散層壓縮、表面電位降低、排斥力減??；產(chǎn)生含有遠(yuǎn)距離吸引力以及存在粘結(jié)架橋物質(zhì)。動(dòng)力學(xué)原因：顆粒之間必須發(fā)生碰撞第16頁顆粒絮凝動(dòng)力學(xué)依據(jù)碰撞過程不一樣

8、有三種情況：（1）異向絮凝：由顆粒熱運(yùn)動(dòng)即布朗運(yùn)動(dòng)推進(jìn) 下發(fā)生碰撞引發(fā)；（2）同向絮凝：在水流速率梯度（G）剪切作用下， 顆粒產(chǎn)生不一樣速率而發(fā)生碰撞和絮凝；（3）差速沉降絮凝：在重力作用下，沉降速率不一樣 顆粒發(fā)生碰撞而絮凝。第17頁顆粒絮凝動(dòng)力學(xué)（1）異向絮凝速率d Nd t= p4kTN23p有效碰撞系數(shù)k玻爾茲曼常數(shù)，1.3810-23J/K絕對(duì)粘度，g/（cms）絮凝速率與顆粒數(shù)目平方成比例第18頁顆粒絮凝動(dòng)力學(xué)（2）同向絮凝速率d Nd t=4體積分?jǐn)?shù)d顆粒粒徑，m0GN=6d3N當(dāng)水中同時(shí)存在兩種絮凝過程時(shí)，絮凝速率為二者之和：d Nd t+40GN= p4kTN23當(dāng)顆粒直徑d1m時(shí)，異向絮凝可忽略不計(jì)；當(dāng)顆粒直徑d1m時(shí)，異向絮凝占主要地位；若d=1m而G=10s-1，則兩種速率相等。第19頁顆粒絮凝動(dòng)力學(xué)（3）差速沉降絮凝速率g重力加速度，cm/s2顆粒密度，g/cm3d Nd t=sg(1)72(d1+d2)3(d1d2)N1N2動(dòng)力粘度，cm3/s第20頁在絮凝動(dòng)力學(xué)中，顆粒粒度起著很主要作用。顆粒絮凝動(dòng)