混凝處理是通過(guò)向水中加入某種聚合氯化鋁藥劑,使難以沉淀的微小懸浮物和膠體雜質(zhì),迅速地聚結(jié)成較大的顆粒。這一過(guò)程稱為混凝過(guò)程,起混凝作用的藥劑稱為混凝劑聚合氯化鋁。這個(gè)過(guò)程是由凝聚和絮凝兩個(gè)階段構(gòu)成。
凝聚階段通常意義上是指投加化學(xué)藥劑后膠體顆粒的雙電層被壓縮、右電位降低、膠體間的斥力減少、膠體顆粒碰撞后聚集形成較小微聚體(Microfloc)的過(guò)程,屬混凝作用的前期過(guò)程,一般發(fā)生在水處理的快速混合階段。這一過(guò)程所需要的時(shí)間很短,一般在10-30s內(nèi)即可完成,zui多不超過(guò)2min,也就是瞬間內(nèi)將混凝劑與水快速均勻混合并產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。
絮凝階段是指已經(jīng)脫穩(wěn)的膠體顆粒,由于橋連作用相互結(jié)成大的顆粒而加速沉降階段,此階段微聚體(Microfloc)進(jìn)一步聚集成絮狀體(Floc),這一過(guò)程需要一定的聚合時(shí)間。
需要說(shuō)明的是,凝聚和絮凝這兩個(gè)階段從原理上講是兩個(gè)不同的概念,僅僅是為了研究分析膠體顆?;炷两惮F(xiàn)象而提出來(lái)的,在實(shí)際的混凝處理過(guò)程中,難以截然分開(kāi),以后的討論中將不詳加區(qū)分,統(tǒng)稱為聚合氯化鋁混凝過(guò)程。
絮凝混凝原理
以混凝劑硫酸鋁[Al2(SO4)3·18H2O〕為例,說(shuō)明混凝原理。
當(dāng)硫酸鋁[Al2(SO4)3·18H2O]投入水中時(shí),發(fā)生一系列化學(xué)變化:
(1)電離:Al2(SO4)3·18H2O→[Al(H2O)6]3+ +SO24-
(2)水化:[Al(H2O)6]3+ +nH2O→Al(H2O)n(n=6-10)
(3)水解:[AI(H2O)5]2+ +H2O→[Al(OH)2(H2O)4]2+ +H3+O
[Al(OH)(H2O)5]2+ +H2O→[Al(OH)2(H2O)4]+ +H3+O
[Al(OH)2(H20)4]+ +H2O→[Al(OH)4(H2O)3]↓+H3+O
當(dāng)pH值較高時(shí):
[Al(OH)3(H2O)3]+H2O3→[Al(OH)3(H2O)3]- +H+ O
(4)聚合:上述反應(yīng)的同時(shí),還會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng),生成鋁羥基絡(luò)離子,如聚合成帶正電荷的Al2(OH)24+、Al8(OH)4 20+、Al24(OH)12 60+、Al54(OH)18+ 144等。當(dāng)pH值>8.5時(shí),還可能生成帶負(fù)電荷的Al8(OH)2 26-。
(5)沉淀:水解反應(yīng)生成的Al(OH)3互相聚集。生成沉淀物[Al(OH)3(H2O)3]m:m[Al(OH)3(H2O)]→[Al(OH)3(H2O)3]m
從以上反應(yīng)可以看出,鋁鹽加入水中后,立刻電離成Al3+,但并不是以裸露的簡(jiǎn)單離子形式存在于水中,而是以H2O為配位體的水合鋁離子[Al(H2O)6]3+的形式存在,這是一種zui簡(jiǎn)單的單核絡(luò)合物。由于水的混合和稀釋作用,pH值上升,水合離子發(fā)生上述水解反應(yīng)。整個(gè)水解過(guò)程可以看作是水合絡(luò)合離子中的配位體由H2O轉(zhuǎn)化為-OH的置換過(guò)程,zui終生成中性的氫氧化鋁難溶沉淀物。
這一過(guò)程同時(shí)也是一個(gè)不斷放出質(zhì)子H+的過(guò)程,聚合氯化鋁使水的酸性增強(qiáng)。因此,如果水解產(chǎn)生的H+能及時(shí)被水中堿度所中和,會(huì)使水解反應(yīng)進(jìn)行得更加迅速和充分。因?yàn)檫@些水合絡(luò)合離子是以一個(gè)金屬離子為核心外加配位體的形態(tài)存在,所以叫單核羥基絡(luò)合物。
水解反應(yīng)的結(jié)果,使水合絡(luò)合離子的電荷數(shù)逐漸降低,有利于產(chǎn)生以羥基為中間體,并把各個(gè)單核絡(luò)合物中的金屬離子結(jié)合起來(lái)的雙核雙羥基絡(luò)合物,這一反應(yīng)也稱高分子縮聚反應(yīng),是由于初步水解產(chǎn)物中的羥基OH-具有橋鍵性質(zhì)引起的。如果繼續(xù)進(jìn)行還可生成三核、四核等多核絡(luò)合物。這些多核絡(luò)合物認(rèn)為是Al2(OH)24+、Al8(OH)4 20+、Al24(OH)12 60+、A154(OH)18 144+等,水中實(shí)際存在的配位絡(luò)合物可能還要復(fù)雜得多。
這種以羥基架橋聯(lián)結(jié)的過(guò)程稱為羥基橋聯(lián)。在經(jīng)基橋聯(lián)生成多核絡(luò)合物的過(guò)程中,生成物的配位水減少了,但生成物的電荷量增加了。這就增加了絡(luò)合離子之間的斥力,阻礙進(jìn)一步橋聯(lián),促使發(fā)生水解反應(yīng),又使這些多核絡(luò)合離子的電荷降低,羥基數(shù)目增多,向有利于橋聯(lián)方向轉(zhuǎn)移。因此,水解反應(yīng)和羥基橋聯(lián)反應(yīng)實(shí)際是不同配位體轉(zhuǎn)換的絡(luò)合反應(yīng)。
上述水解反應(yīng)雖然可在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)完成,但羥基橋聯(lián)和水解反應(yīng)的交錯(cuò)進(jìn)行卻需要一個(gè)過(guò)程才能完成,這樣水中就有各種形態(tài)和不同電荷的可溶性絡(luò)合離子同時(shí)存在。
一般來(lái)講:在低pH值下,高電荷低聚合度的多核羥基絡(luò)合離子占主要地位;在高pH值下,低電荷高聚合度的高聚離子占主要地位,當(dāng)pH7-8時(shí),聚合度很大的中性氫氧化鋁沉淀物[Al(OH)3(H2O)3]m占..大多數(shù)。當(dāng)pH>8.5時(shí),氫氧化鋁沉淀物又重新溶解為帶負(fù)電的陰離子[Al(OH)4(H2O)3]-。
上述反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)膠體和聚合氯化鋁懸浮物有如下脫穩(wěn)作用:
(1)降低膠體ξ電位jueduizhi?;炷齽┥傻膸д姾呻x子進(jìn)入膠體的雙電層,使其厚度減薄,也可以說(shuō)是所生成的帶正電荷離子與帶負(fù)電荷的膠體發(fā)生了電中和,使膠體顆粒的ξ電位jueduizhi下降,從而削弱了膠體因帶電而存在的靜電斥力。
(2)吸附架橋作用。沉淀物[Al(OH)3(H2O)]m鋁羥基絡(luò)離子尤其是帶正電的鋁羥基絡(luò)離子,類似高分子絮凝劑,具有較長(zhǎng)分子鏈。這些分子鏈能吸附水中懸浮物顆粒,而且同一條分子鏈上可以吸附多個(gè)懸浮物顆拉,同一個(gè)懸浮物顆粒又可以吸附在多個(gè)分子鏈上,這樣原來(lái)處于分散的許多細(xì)小懸浮物顆粒被分子鏈拉扯在一起不能分開(kāi),形成絮狀沉淀物。細(xì)小的絮狀沉淀物進(jìn)一步互相黏合,越長(zhǎng)越大,zuihou生成粒徑達(dá)幾毫米的粗大絮凝體。
從絮凝體的組成上看,它實(shí)際上是混凝劑與懸浮物的混合物。在絮凝體中,分子鏈連接在懸浮物顆粒間,像橋梁一般,有時(shí)將有吸附能力的分子鏈稱為架橋物質(zhì)。由于投入水中的混凝劑聚合氯化鋁所含鋁與懸浮物一起生成絮凝體,故在正常情況下清水中并不因?yàn)橥度脘X鹽而使鋁離子含量增加。
(3)網(wǎng)捕作用。[Al(OH)3(H2O)3]m沉淀物以及生成的絮狀物,是一種網(wǎng)狀絮凝體,在下沉的過(guò)程中,像一個(gè)張開(kāi)的網(wǎng),卷掃水中懸浮物共同沉淀。絮凝體進(jìn)一步長(zhǎng)大必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:①膠體具有良好的絮凝性能,即膠體必須完全脫穩(wěn);②反應(yīng)池的攪拌強(qiáng)度既可以提供給微絮粒足夠的碰撞頻率,又應(yīng)盡量避免打碎絮凝體。
絮凝體結(jié)構(gòu)
氫氧化鋁[Al(OH)3(H2O)3]m沉淀物、懸浮物和生水中自然膠體之間的關(guān)系大致是,氫氧化鋁[Al(OH)3(H2O)3]m沉淀物會(huì)吸附自然膠體,此時(shí),發(fā)生正負(fù)膠體之間的電中和現(xiàn)象。隨后,氫氧化鋁[Al(OH)3(H2O)3]m沉淀物會(huì)結(jié)成長(zhǎng)鏈,起架橋作用,組成許多網(wǎng)眼,這些網(wǎng)狀物在下沉過(guò)程中起網(wǎng)捕作用,它們包裹著懸浮物和一些水分,形成凝絮體。經(jīng)聚合氯化鋁混凝處理,水中膠態(tài)有機(jī)物和非活性硅(主要為膠體硅)含量明顯下降。
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