当代给水与废水处理原理（第二版）第5章.pptVIP

当代给水与废水处理原理 当代给水与废水处理原理 前言 给水处理的绝大部分问题是去除水中的悬浮固体微粒（固－液分离过程）。所去除的微粒下限粒度为1nm，上限粒度约为10μm。包括蛋白质、腐殖酸、病毒、细菌和粘土等微粒物。这些微粒使水产生浊度。 Part One 凝聚与絮凝 §5-1 基本概念 天然水中产生浊度的微粒主要是粒径小于10μm的土壤颗粒。据Stokes公式计算直径10μm的粉砂在水中下沉1m约需100min；而当直径缩小为1μm时，其理论沉降时间将变为l0 000min。 这些微小的颗粒由于受周围水分子布朗运动冲击，阻碍了其下沉运动，使之在相当长的时间内保待着悬浮状态－－即胶体颗粒的稳定状态。因此不能靠自然沉降的方法将其从水中去除，混凝是一必经的过程。 §5-2 胶体颗粒的基本性质 胶体颗粒：指粒度在1nm～1μm间的颗粒。 线性分子只要含有103～109个原子，不论绝对尺寸，都属于胶体颗粒。如高分子助凝剂聚丙烯酰胺，相对分子量500万时，展开长度达到20μm，但由于相当7×105个原子的线性分子，也划为胶体颗粒。 无机混凝剂形成的氢氧化物沉淀也呈胶体状态——无定形微晶体。 胶体的稳定性 胶体颗粒在水中继续保持分散状态的性质称为胶体的稳定性。 憎水胶体，稳定性可以通过它的双电层结构来说明。亲水胶体，虽然也具有双电层结构，但其稳定性主要由吸附的大量水分子所构成的水壳来说明。亲水胶体保待分散的能力，即它的稳定性比憎水胶体高。 双电层结构的产生原因： 憎水胶体的双电层结构讨论 颗粒表面电荷的产生 Gouy-Ghapman扩散双电层理论 Stern-Grahame吸附层 憎水胶体的稳定及脱稳 ζ电势 1. 颗粒表面电荷的产生 在一般的水质中，粘土、细菌、病毒等带负电荷。氢氧化铝或氢氧化铁微晶体带正电荷。 表面电荷产生机理： 表面离子特异吸附：如AgI胶体吸附Ag+或I-， Ag+或I-称为电位决定离子，溶液中存在一特定的Ag+离子活度aa0(Ag+)使颗粒表面电荷为零——电荷零点；根据Nernst方程，这类胶体的表面电荷、电势取决于电位决定离子在溶液中的活度。 离子型晶体溶解平衡：如铁、铝氧化物颗粒表面电荷的产生，其表面电荷、电势受pH值控制。 离子化官能团解离：高分子有机物极性官能团的酸碱解离使表面带上电荷，其表面电荷、电势也受pH值控制。 离子型晶体Schottky缺陷（某种粒子可在晶体内自由运动）：如粘土或其他铝硅酸盐矿物颗粒，其晶体内碱金属或碱土金属离子取代了表面晶格中的铝离子，引起表面带负电荷。这类胶体的表面电荷、电势不受溶液pH值或电位决定离子影响，不存在电荷零点。 Gouy-Ghapman扩散双电层理论 内层：Stern吸附层 双电层 外层：离子扩散层 考虑颗粒表面一个小局部，假设表面为平面。在此平面附近，液相中的离子发生静电迁移和扩散两个反相过程，存在下列平衡关系： (5-7) (5-8) 其中：μi － 化学势 μiΘ－ 标准化学势 ni － 数量浓度 zi － 价数 ψ － 扩散层中的电位 x － 垂直方向坐标 Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续1） (5-7) (5-8) 式子5-8代入5-7并积分得： (5-9) 当ψ=0时，ni=ni0。式5-9表明，在扩散层中离子呈Boltzmann分布(图5-1b)。 扩散层中空间电荷密度分布ρ为： (5-10) 扩散层中电位与电荷密度关系： (5-11) 式中ε为水的介电常数，式5-11表明扩散双电层中电场强度 的变化与该层中空间电荷密度成正比，并与水的介电性质有关。 Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续2） (5-11) 当表面电势较小zieψ＜kT 时，式(5-11)右边作级数展开并取前两项，得： (5-12) 在主体溶液中，x→∞时 在表面处，x = 0时 对式(5-12)积分得： (5-13) 式中，κ为Debye-Huckel常数： (5-14) 式(5-13)表明，扩散双电层中电势随距离x呈指数函数降低，如图5-1(c)。κ-1代表了扩散双电层厚度，即界面静电场影响范围。 Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续3）