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1、第五章常规分离过程与膜分离(-)教学设计Ll本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面凝聚与絮凝KynCh沉淀理论在沉淀、浓缩池应用滤床过滤的流体力学反渗透原理及超滤、反渗透及膜生物反应器1.2 本章节重点本章节重点：胶体与界面理论、KynCh的沉淀理论、滤床过滤的流体力学、渗透与反渗透、超滤与反渗透原理及应用本章节难点：扩散双电层理论、絮凝动力学、水处理中的滤床过滤、1.3 本章节教学内容本章教学内容如下5.常规分离过程与膜分离凝聚与絮凝5-1基本概念5-2胶体颗粒的基本性质5-3絮凝动力学5-4水处理中的凝聚与絮凝沉淀试验5-5离散颗粒的沉淀试验5-6絮凝颗粒的沉淀试验5.7 浓悬浮液的
2、沉淀试验5.8 KynCh的沉淀理论浓缩池5.9 利用KynCh理论确定浓缩池面积5.10 利用固体通量曲线确定浓缩池面积滤床过滤5.11 滤床过滤的流体力学5.12 水处理中的滤床过滤膜分离5.13 膜分离法概述5.14 反渗透5.15 超滤5.16 膜生物反应器1.4本章节教学方法1 .情景导入水体和大气Tyndaneffec、胶体溶液入手，引入胶体概念、连通器原理图片入手，渗透、反渗透概念。2 .双案例关联胶体、MBR在基础研究方面的应用（案例九）CMF在工程设计方面的应用（案例十）3 .5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前
3、，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：胶体的定义、现象、双电层理论、电动电位、零电点、凝聚与絮凝、KynCh沉淀理论与设计、滤床过滤用到哪些流体力学原理、膜的定义、渗透与反渗透等、海水饮用分析等，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（）教学内容1 .凝聚与絮凝胶体的基本性质、絮
4、凝动力学、水处理中的凝聚与絮凝2 .沉淀试验离散、絮凝颗粒、浓悬浮液的沉淀分析、Kynch沉淀理论、Kynch理论与浓缩池设计3 .滤床过滤滤床过滤的流体力学、水处理中的滤床过滤4 .膜分离膜分离法、反渗透与正渗透、超滤与MBR5.1凝聚与絮凝1、基本概念凝聚(coagulation)、絮凝(flocculation)。2、肢体颗粒的基本性质亲、憎水性胶体3、(憎水性)胶体的双电层结构及其稳定性(1)颗粒表面电荷的产生(2) GoUy-GhaPmarl扩散双电层理论扩散双电层的电势分布：=攵红exp(-A力(5-1)ze对于球形颗粒的扩散双电层电势分布：“二色卜XPI-Z(r-。)(5-2)(
5、3) Stem-Grahame吸附层内HelmhOItZ面(IHP)和外HelmhOItZ面(OHP)(5-3),z0-i=-(5-4)式中：巾o、i力d分别为颗粒表而、IHP面和OHP面处的电势：。0、。】、Od分别为该三处的表面电荷密度；G、C2分别为上述两个平行板电容器的电容,又依据电中性原理，有：o+=0(5-5)OHP面是扩散双电层的起点。OHP面处电势力d也称为扩散层电势。图53为完整的平板双电层结构以及电势分布规律示意图。图5-3(a)为负电荷表面吸附阴离子的情况。图53(b)为正电荷表面过量地吸附了反离子(负离子)的情况。颗粒表面电荷发生了反号，使热力学电势(力o)与扩散层电势
6、(归D符号相反。图5-1扩散双电层理论图(3)憎水胶体的稳定与脱稳胶体颗粒表面存在双电层是其保持稳定的重要原因。当两个颗粒足够靠近以致扩散双电层相重叠时它们之间产生静电排斥力。考虑两个平行平板双电层叠加的情况，见图5-4。当两平板由无穷远分离的情况带到如图所示的h距离时，由于它们各自的扩散双电层不能充分展开而使电势力(x)呈如图所示的分布情况：边界条件为：在Z=O和x=h时2=弧)。x=h2时，丝=0。由此得两平dx行平板中间位置处(x=h2)的电位：8/xT,h.c八m=exp(-)(5-6)Ze2而对一个孤立的平板双电层，在x=h2处，w=exp(-)o这说明，由于Ze2双电层的叠加，该处
7、电势值增加了一倍。这将产生静电斥力以使两平板分开。保持两平板的间距为h的作用人来自静水压强差，即无穷远处静水压强Po和两平板间静水比强P之差。因此.在两平板间可列静电力和静水压力之间的平衡方程,即:图5-3两平板双电层叠加示意图dP+pd=O(5-7)式中：P为平板间的静水压强；P为平板间空间电荷密度；2为平板间电势分布。j典a=O(5-8)dxdx1dx积分得：一(警)2=常数(5-9)在x=h2时丝=0。因此，该处只存在静水压强(Pm)o两平板因扩散双电dx层叠加产生的静电斥力(FdI)就等于(PmP)之差，即%=P,“一PO=Lodp=-o；PdW(5-10)在两个平板靠近时不仅产个静电
8、双电层作用力或势能，而且还存在一种范德华引力或势能Vlo。的作用。它是一种电磁作用。对两平板间范德华引力势能，可用下式计算：式中，A为Hamaker常数，它取次于平板的材质和介质（即水）的物理性质。对天然水中颗粒Hamaker常数为10（）-20j。范德华引力是颗粒凝聚或平板间粘附的主要作用力。静电双电层斥力部分地甚至全部地抵消范德华引力的作用，而使颗粒保持稳定。静电双电层作用势能VDL和范德华引力势能Vlo的合成称为相互作用势能（Potentialenergyofinteraction）,即：wz.z.z64n.kT2/4,、vt=vdlvlo=一T一yexp（-c）-（5-12）k12就该
9、式表明,胶体化学作用势能VT为间距h的函数。图55为依据上式计算的V-h曲线示意图。一般地，横坐标为间距h值，单位为nm或以k表示。纵坐标为势能坐标，单位为erg或以kT表示。对于颗粒半径a与扩散双电层厚度M之比远远大于1的情况（即kal）,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V-h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5-5得分析可得出以下几点结论：图5-4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
10、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kd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55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55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的转变。斥能峰的表达式：V=W7 2* ke2 748 万(5-13)极值点是：dm=M因此，M不仅代表扩散双电层厚
11、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值的办法可由增加溶液中离于的数量浓度m。和价数Zi来实现。溶液的离子强度I等于婿Z：。在水温为20时，有：(5-14)2.8104卜=式中.离子强度的单位为mol/L。对zz电解质溶液，离于强度等于电解质的物质的量浓度。使Vrh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Ca。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
12、.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。影响胶体颗粒稳定性的主要参数是扩散层电位2d和厚度(由参数M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，使表面电位帆与扩散电位Wd符号相反。这些都会引起肢体颗粒脱稳而凝聚。然而，力0、1Wd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
13、电势。它可用微电泳仪测定。如图51所示，C电势是双电层内滑动面处的电势。当存在直流外电场时，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HelmhoItZ面附近。因此，C电势的大小和符号与扩散层电势力d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。颗粒电泳迁移率W定义为U=-(5-16)cE式中，W为颗粒电泳迁移速度，单位为um/s；E为施加的外电场强度，以电压与两电极间距离
14、之比表示，单位为v/cm。因而UC的单位是Ums/Vcm。这样定义其单位是为了计算方便。M。UC与C电势的关系为WC=学(%)(5-17)式中，8为水的介电常数；U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,CVm,U=0.001kgms,上式变为：%=4.72X10-(Za)(5-18)式中，8电势的单位是mV。4、絮凝动力学脱稳的胶体颗粒必须和其它的胶体颗粒接触才能发生凝聚。就目前的观点认为，颗粒之间发生碰撞接触是由三种物理传输过程所致。这三种物理传输过程是异向絮凝(perikineticflocculation),同向絮凝(OrthokinetiCfl
15、occulation),差降絮凝(differentialsettling)。(1)异向絮凝胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象(这里指颗粒已处于脱稳状态，所以相碰后可粘在一起)在胶体化学中称为异向絮凝(perikineticflocculation)0(2)同向絮凝使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗粒凝聚.速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝(OrthokinetiCfIoCCUIation),给水处理中的絮凝池就是体现同向絮凝的设备。（3）差降絮凝对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝，除同向、异向絮凝之外.还存在着所谓差降絮凝。大的颗粒以较快速度下降过程中，能赶上沉速较小的小颗粒，因而发生碰撞，产生
