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1、第三章水环境化学3第1页，共33页，编辑于2022年，星期二一、颗粒物与水之间的迁移颗粒物与水之间的迁移1.水中颗粒物的类别各类矿物微粒：石英，长石，云母及粘土矿物等硅酸盐各类矿物微粒：石英，长石，云母及粘土矿物等硅酸盐矿物。矿物。无机高分子：铝铁锰硅的水合物无机高分子：铝铁锰硅的水合物有机高分子：腐殖质，蛋白质有机高分子：腐殖质，蛋白质矿物微粒和粘土矿物矿物微粒和粘土矿物:石英石英,长石：不易碎长石：不易碎,粗粗,缺乏粘结性缺乏粘结性;云母,蒙脱石,高岭石:层状结构,易碎,颗粒细,有粘结性,湿陷性;粘土矿物粘土矿物:具有胶体化特征具有胶体化特征,分散性分散性,矿物风化而成矿物风化而成,铝镁的
2、铝镁的硅酸盐硅酸盐.第2页，共33页，编辑于2022年，星期二1.水中颗粒物的类别金属水合氧化物Al3+,Al(OH),Al(OH)2+,Al2 2(OH)2 24+,Al(OH),Al(OH)2+,Al(OH)3,Al(OH)Al(OH)4-,形态随形态随pHpH变化变化,一定条件下发生聚合反应生成一定条件下发生聚合反应生成多核配合物和无机高分子，最终生成多核配合物和无机高分子，最终生成（Al(OH)Al(OH)3 3)沉淀沉淀;Fe,Fe,不同不同pH,pH,形态有形态有FeFe3+3+,Fe(OH),Fe(OH)2+,Fe(OH),Fe(OH)2+,Fe2(OH)2 24+4+,Fe(O
3、H),Fe(OH)3 3;Mn,与铁相似;Si,Si,硅酸单体硅酸单体H H4SiOSiO4或Si(OH)4;弱酸,过量会形成聚合物,胶体或沉淀 H H4SiO4 4 H H6 6Si2OSi2O7 7H2O第3页，共33页，编辑于2022年，星期二一、颗粒物与水之间的迁移腐殖质:带负电的高分子电解质.pH高时,碱性溶液中或离子强度低的条件下,-OH和-COOH大多离解,亲水性强,溶解;pH低时,酸性溶液中或高浓度的金属阳离子存在,亲水性弱,沉淀或聚集.水体悬浮沉积物以矿物微粒,尤其是粘土矿物为核心骨架,有机物,金属水合氧化物结合于其表面,成为架桥物质,形成的絮状聚集体.第4页，共33页，编辑
4、于2022年，星期二重金属与腐殖质的配合作用顺序Hg2+Cu2+Ni2+Zn2+Co2+Cd2+Mn2+腐殖质与重金属的配合作用顺序：分子量小的与重金属配合作用强，配合物溶解度高，强弱顺序为：富里酸腐殖酸胡敏素第5页，共33页，编辑于2022年，星期二专属吸附专属吸附2.水环境中颗粒物的吸附作用表面吸附表面吸附离子交换吸附离子交换吸附一、颗粒物与水之间的迁移第6页，共33页，编辑于2022年，星期二2.水环境中颗粒物的吸附作用表面吸附:胶体有巨大的比表面和表面能,固液界面存在吸附作用.As越大,吸附越强物理吸附离子交换吸附：带负电荷的胶体吸附一部分阳离子，同时放出等量的其它阳离子物理化学吸附，
5、（可逆反应）。第7页，共33页，编辑于2022年，星期二一、颗粒物与水之间的迁移离子交换吸附离子交换吸附因胶体表面具负电荷所致.规律规律：重金属离子的价态越高，水化离子半径越小，浓度越大就越有利于离子交换吸附.第8页，共33页，编辑于2022年，星期二一、颗粒物与水之间的迁移一、颗粒物与水之间的迁移专属吸附专属吸附专属吸附专属吸附：作用力：化学键力、范德华力、氢键等。多发生于配位离子、有机离子、有机高分子多发生于配位离子、有机离子、有机高分子和无机高和无机高分子分子有机高分子和无机高分子的专属吸附特别强烈。水合氧有机高分子和无机高分子的专属吸附特别强烈。水合氧有机高分子和无机高分子的专属吸附特
6、别强烈。水合氧有机高分子和无机高分子的专属吸附特别强烈。水合氧化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用，吸附作化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用，吸附作化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用，吸附作化物胶体对重金属离子有较强的专属吸附作用，吸附作用发生在胶体双电层的用发生在胶体双电层的用发生在胶体双电层的用发生在胶体双电层的SternSternSternStern层。另，在中性表面甚至层。另，在中性表面甚至层。另，在中性表面甚至层。另，在中性表面甚至在于吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸附作用在于吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸附作用在于吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸
7、附作用在于吸附离子带相同电荷符号的表面也能进行吸附作用第9页，共33页，编辑于2022年，星期二吸附等温线与吸附等温式水体中常见的吸附等温线：Henry型，Freundlich型，Langmuir型H型：直线，G=kc;F型:固体对气体的吸附：L型：第10页，共33页，编辑于2022年，星期二三种吸附等温线第11页，共33页，编辑于2022年，星期二3.3.沉积物中重金属的释放（二次污染）沉积物中重金属的释放（二次污染）释放诱因释放诱因盐度升高，碱金属和碱土金属可将吸附在固体颗粒上的金属离子交换出来；氧化还原条件的改变氧化还原条件的改变，耗氧物较多，氧化还原电位降，耗氧物较多，氧化还原电位降低
8、，沉淀的金属氧化物又溶解。低，沉淀的金属氧化物又溶解。pH降低，MeCOMeCO3或Me(OH)x溶解；增加水中配合剂的含量增加水中配合剂的含量；其他化学过程：重金属迁移：重金属迁移动植物体内，沿食物链动植物体内，沿食物链富集放大或通过动植物残体的分解产物进入水体。富集放大或通过动植物残体的分解产物进入水体。第12页，共33页，编辑于2022年，星期二二、水中颗粒物的聚集凝聚（coagulation)：电介质降低静电斥力，使颗粒合在一起。絮凝(Flocculation)：加入架桥物质（聚合物，FeCl3,Al2(SO4)3）,通过化学键联结胶体粒子。1.胶体颗粒凝聚的基本原理和方式DLVO理论
9、：（理论：（Derjagin、Landau、Verwey、Overbeek四人提出），是目前对胶体稳定性解释得四人提出），是目前对胶体稳定性解释得比较完善的理论。该理论以溶胶粒子间的比较完善的理论。该理论以溶胶粒子间的相互吸引相互吸引力力和和相互排斥力相互排斥力为基础，认为当粒子相互接近时，为基础，认为当粒子相互接近时，这两种相反的作用力决定了溶胶的稳定性这两种相反的作用力决定了溶胶的稳定性。第13页，共33页，编辑于2022年，星期二1.胶体凝聚的基本原理胶体凝聚的基本原理（1）胶体稳定性理论）胶体稳定性理论(DLVO理论理论)适用于电解质浓度升高压缩扩散层造成颗适用于电解质浓度升高压缩扩散
10、层造成颗粒聚集的典型情况粒聚集的典型情况考虑因素考虑因素：范德华力和静电排斥力的作用范：范德华力和静电排斥力的作用范围围;没有化学专属吸附作用。没有化学专属吸附作用。假设条件假设条件：颗粒粒度均等、球体形状。：颗粒粒度均等、球体形状。所受作用力所受作用力：分子间范德华力、静电排斥力：分子间范德华力、静电排斥力和水化膜阻力。和水化膜阻力。第14页，共33页，编辑于2022年，星期二二、水中颗粒物的聚集综合作用位能为：综合作用位能为：VR由静电斥力产生的位能，与溶液离子强由静电斥力产生的位能，与溶液离子强度度I有关有关,随距离随距离d下降。下降。VA由范德华力产生的位能，与溶液离子强由范德华力产生
11、的位能，与溶液离子强度度I无关。无关。第15页，共33页，编辑于2022年，星期二不同溶液离子强度有不不同溶液离子强度有不同同VR曲线曲线,VR随颗粒间的距随颗粒间的距离按指数律下降离按指数律下降VA则只随颗粒间的距离则只随颗粒间的距离变化，与溶液中离子强度变化，与溶液中离子强度无关。无关。不同溶液离子强度有不不同溶液离子强度有不同的同的VT曲线。曲线。第16页，共33页，编辑于2022年，星期二斯特恩双电层模型第17页，共33页，编辑于2022年，星期二斯特恩层和斯特恩面斯特恩层：斯特恩面与固体表面之间的空间。斯特恩面：被吸附的水化离子（体积变大）中心连线所形成的假想面。第18页，共33页，
12、编辑于2022年，星期二电动电位带有电荷的矿物颗粒在溶液中以胶团形式存在胶团结构中随颗粒一起运动的部分称胶粒从胶粒到溶液主体的电位差电位差称为电动电位.电动电位（简称动电位）是胶体溶液胶体溶液的一个重要性质的一个重要性质.它影响着胶体它影响着胶体悬浮液中矿物中矿物颗粒的沉降特性和悬浮液的稳定性。颗粒的沉降特性和悬浮液的稳定性。电位是固液界面吸附是固液界面吸附溶剂化层与溶液本体间的电位差,又称为电动电位.由于它是固液界面静电排斥力大小的量度，也是衡量分散体系分散体系稳定性的重要参数第19页，共33页，编辑于2022年，星期二（1）电势的大小是胶粒带电程度的标志。电势的大小是胶粒带电程度的标志。（
13、2）电势的符号标志胶粒的带电性质（即电势的符号标志胶粒的带电性质（即电荷的正负）。电荷的正负）。（3）电势的值还可反应扩散层的厚度。电电势的值还可反应扩散层的厚度。电势增大，扩散层变厚。势增大，扩散层变厚。第20页，共33页，编辑于2022年，星期二（2）异体凝聚理论异体凝聚理论主要论点主要论点异性胶体微粒接近时吸引力占优势；异性胶体微粒接近时吸引力占优势；符号相同电性不等的两颗粒凝聚时，决定于符号相同电性不等的两颗粒凝聚时，决定于荷电较弱而电位较低的一方。荷电较弱而电位较低的一方。异体凝聚时，其中一种胶体电位达到临界状异体凝聚时，其中一种胶体电位达到临界状态，就可以发生快速凝聚。态，就可以发
14、生快速凝聚。第21页，共33页，编辑于2022年，星期二凝聚物理理论适用条件：电解质浓度升高压缩扩散层造成颗粒聚集的典型情况，属于一种理想化的简单的体系。天然水环境和水处理过程中的颗粒聚集方式有很多，也较复杂，概括有以下十种。第22页，共33页，编辑于2022年，星期二胶体颗粒凝聚方式胶体颗粒凝聚方式 (Flocculation Way of Colloid Particulate)1、压缩双电层的聚集、压缩双电层的聚集2、专属吸附凝聚、专属吸附凝聚3、胶体相互凝聚、胶体相互凝聚水中电解质浓度增大而离子强度增大，压缩扩散层，颗粒物吸引而聚集水中电解质浓度增大而离子强度增大，压缩扩散层，颗粒物吸
15、引而聚集胶体颗粒专属吸附异电的离子化合态，降低表面电位，产生电中和现象，使颗粒物聚集.电荷相反的两种胶体相互吸引凝聚电荷相反的两种胶体相互吸引凝聚第23页，共33页，编辑于2022年，星期二胶体颗粒凝聚方式胶体颗粒凝聚方式4.“边对面边对面”絮凝絮凝黏土矿物颗粒呈板状，板面荷负电，边缘荷正电，各颗粒的边面之间可由静电引力结合.（5）第二极小值絮凝；）第二极小值絮凝；属于较远距离的接触，颗粒本身并未完全脱稳，具有可逆性。属于较远距离的接触，颗粒本身并未完全脱稳，具有可逆性。（6）聚合物粘结架桥絮凝；）聚合物粘结架桥絮凝；胶体吸附高分子电解质而凝聚，属于专属吸附类型。胶体吸附高分子电解质而凝聚，属
16、于专属吸附类型。第24页，共33页，编辑于2022年，星期二胶体颗粒凝聚方式胶体颗粒凝聚方式 (Flocculation Way of Colloid Particulate)（7）无机高分子的絮凝；）无机高分子的絮凝；（8）絮团卷扫絮凝；）絮团卷扫絮凝；（9）颗粒层吸附絮凝；）颗粒层吸附絮凝；（10）生物絮凝。）生物絮凝。水中藻类、细菌等微小生物体具有胶体性质，带有电荷，可以发生凝聚作水中藻类、细菌等微小生物体具有胶体性质，带有电荷，可以发生凝聚作用用第25页，共33页，编辑于2022年，星期二DLVODLVO理论和双电层压缩机理：理论和双电层压缩机理：理论和双电层压缩机理：理论和双电层压缩
17、机理：絮凝分离的对象主要是絮凝分离的对象主要是水中的水中的胶体和悬浮颗粒胶体和悬浮颗粒，絮凝过程的机理就必然要涉及到关于胶体稳定性的DLVO理论。DLVO理论是用胶体颗粒间的吸引和排斥能吸引和排斥能的相互作用来解释胶体的的相互作用来解释胶体的稳定性和产生絮凝沉淀稳定性和产生絮凝沉淀的原因。的原因。吸附电中和作用：吸附电中和作用：吸附电中和作用是指胶粒表面对吸附电中和作用是指胶粒表面对异号离子，异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部分或链状高分子带异号电荷的部分有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了胶粒表面的电荷，减少了静电斥力，颗粒间的相互作用能达到第一最小能值，相互吸引形成稳定的絮体沉降下来。
18、补充材料第26页，共33页，编辑于2022年，星期二 沉淀物网捕作用：沉淀物网捕作用：沉淀物网捕作用：沉淀物网捕作用：当铝盐或铁盐作为絮凝剂投加到水溶液中时，带负电荷的胶粒暴露在了铝盐或铁盐水解形成水合金属氢氧化物的附近，由于这些水合金属的附近，由于这些水合金属氢氧化物是带有较高氢氧化物是带有较高正电荷正电荷的阳离子高分子，故而会对带负电荷的胶粒产生吸附作用。当这些阳离子高分子继续水解形成氢氧化物沉淀时，它们就象多孔的网子一样将水中的胶粒和悬浮颗粒连带一起捕集清扫下来，形成絮凝状沉淀沉积在水底。吸附架桥作用：吸附架桥作用：吸附架桥作用：吸附架桥作用：溶液中胶体和悬浮物颗粒通过有机有机或无机高分
19、子絮凝剂的活性部位的吸附作用或无机高分子絮凝剂的活性部位的吸附作用形成胶粒絮凝剂胶粒结构的絮体，从溶液中沉淀下来。第27页，共33页，编辑于2022年，星期二第二极小值絮凝习惯上将第一极小值处发生的聚结称为凝聚(coagulation)，它是不可逆的，第二极小值处发生的聚结称为絮凝(Flocculation)它是可逆的。由Va和Vr加和得到的总位能（V）曲线，在粒子间距离较大时，有一较缓的极小值，称为“第二能谷”。此时粒子可能形成“准稳态凝聚”。第28页，共33页，编辑于2022年，星期二絮凝剂阴离子、阳离子、非离子絮凝剂阴离子、阳离子、非离子絮凝剂高分子絮凝剂是一种水溶性高分子聚合物，它们的
20、分子链上分别带有高分子絮凝剂是一种水溶性高分子聚合物，它们的分子链上分别带有阴性、中性、阳性电荷阴性、中性、阳性电荷，以及强吸附基团，能够对水中的胶体，以及强吸附基团，能够对水中的胶体或悬浮粒子进行吸附、电中和、架桥等作用，破坏胶体或粒子或悬浮粒子进行吸附、电中和、架桥等作用，破坏胶体或粒子的稳定性，促使其絮凝形成较大的絮凝体，从而改善或加速固的稳定性，促使其絮凝形成较大的絮凝体，从而改善或加速固-液分离过程，因此它被广泛应用于各行业的原水、废水、污液分离过程，因此它被广泛应用于各行业的原水、废水、污泥脱水等处理。泥脱水等处理。淀粉、纤维素、壳聚糖、植物胶、蛋白质及微生物淀粉、纤维素、壳聚糖、
21、植物胶、蛋白质及微生物等为原料的等为原料的天天然然高分子絮凝剂。具有可再生资源高分子絮凝剂。具有可再生资源,无毒性、可生物降解无毒性、可生物降解,。合成合成高分子絮凝剂高分子絮凝剂第29页，共33页，编辑于2022年，星期二无机高分子絮凝剂生产新型高效无机高分子絮凝剂所需原材料均为国产原料生产新型高效无机高分子絮凝剂所需原材料均为国产原料,主要有主要有氢氧化铝、铝矾土、铝酸钙粉、盐酸氢氧化铝、铝矾土、铝酸钙粉、盐酸氢氧化铝、铝矾土、铝酸钙粉、盐酸氢氧化铝、铝矾土、铝酸钙粉、盐酸等。等。欧普特铁系列、铁铝复合系列欧普特铁系列、铁铝复合系列无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂产品包括:聚合硫酸铁、高浓
22、度聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚合氯化硫酸铁、.以三氯化铁、硫酸铝和碱式氯化铝等为基体制备以三氯化铁、硫酸铝和碱式氯化铝等为基体制备以三氯化铁、硫酸铝和碱式氯化铝等为基体制备以三氯化铁、硫酸铝和碱式氯化铝等为基体制备如：聚合硫酸铁（如：聚合硫酸铁（poly ferric sulfate，PFS）、含硼）、含硼聚硅硫酸铁、聚合硅铝酸铁等聚硅硫酸铁、聚合硅铝酸铁等Al2(SO4)3-CPAM（阳离子聚丙烯胺）（阳离子聚丙烯胺）第30页，共33页，编辑于2022年，星期二有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂聚多胺，聚丙烯酰胺，阳离子型（淀粉二甲基二烯丙基氯化铵接枝共聚物）,两性絮凝剂等.复合型絮凝剂复合型絮
23、凝剂第31页，共33页，编辑于2022年，星期二天然高分子絮凝剂（生物絮凝剂）微生物絮凝剂是80年代后期研究开发的第三类絮凝剂,是一类由微生物产生的具有絮凝剂活性的代谢产物,主要有糖蛋白、多糖、糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和蛋白质、纤维素和DNA以及有絮凝剂活性以及有絮凝剂活性的菌体的菌体等。生物絮凝剂是利用微生物技术提取而得到的新型水处理剂,主要由糖蛋白、多糖、蛋白质、纤维素和核酸等成分组成。第32页，共33页，编辑于2022年，星期二实例哈工大利用农业废弃物秸秆类纤维素和生物制氢液制备生物絮凝剂。我国每年生产秸秆6亿多吨，大部分被燃烧，利用率不到20%，不仅浪费资源而且污染环境。以此为原料制备生物絮凝剂，可提高利用量的60%-80%。在废水治理方面走出了“以废治污的新路第33页，共33页，编辑于2022年，星期二