混凝沉淀实验 设计

1．实验目的：

 1.掌握水处理实验设计的一般方法；

 2.掌握混凝工艺基本原理，了解针对实际废水采用混凝工艺的参数确定与优化。

2．实验原理：

胶体颗粒带有一定的电荷，它们之间的静电斥力是胶体颗粒长期处于稳定的分散悬浮状态的主要原因，胶粒所带的电荷即电动电位称电位，电位的高低决定了胶体颗粒之间斥力的大小及胶体颗粒的稳定性程度，胶粒的电位越高，胶体颗粒的稳定性越高。

   胶体颗粒的电位通过在一定外加电压下带电颗粒的电泳迁移率计算：

   式中：——微粒形状系数，对于圆球体；

    ——系数，为3.1416；

——水的粘度（Pa·S），（此取）；

           ——颗粒电泳迁移率（）；

 H——电场强度梯度（V/cm）；

 D——水的介电常数D水=8.1。

通常，电位一般值在10-200mv之间，一般天然水体中胶体颗粒的电位-30mv以上，投加混凝剂以后，只要该电位降至-15mv左右，即可得到较好的混凝效果，相反，电位降为0时，往往不是最佳混凝效果。

投加混凝剂的多少，直接影响混凝的效果。投加量不足或投加量过多，均不能获得良好的混凝效果。不同水质对应的最优混凝剂投加量也各不相同，必须通过实验的方法加以确定。

向被处理水中投加混凝剂（如Al2(SO4)3）后，生成Al(Ⅲ)化合物对胶体颗粒的脱稳效果不仅受投量、水中胶体颗粒的浓度影响，同时还受水PH的影响。若PH＜4，则混凝剂的水解受到，其水解产物中高分子多核多羟基物质的含量很少，絮凝作用很差；如水PH＞8-10,它们就会出现溶解现象而生成带负电荷，不能发挥很好混凝效果的络合离子。

水力条件对混凝效果有重大的影响，水中投加混凝剂后，胶体颗粒发生凝聚而脱稳，之后相互聚集，逐渐变成大的絮凝体，最后长大至能发生自然沉淀的程度。在此过程中，必须严格控制水流的混合条件，在凝聚阶段，要求在投加混凝剂的同时，使水流具有强烈的混合作用，以便所投加的混凝剂能在较短时间内扩散到整个被处理水体中，起压缩双电层作用，降低胶体颗粒的电位，而是其脱稳，此阶段所需延续的时间仅为几十秒钟，最长不超过2min。絮凝（混合）阶段结束以后，脱稳的颗粒即开始相互接触、聚合。此阶段要求水流具有由强至弱的混合强度。以一方面保证脱稳的颗粒间相互接触的机率，另一方面防止已形成的絮体被水力剪切作用而打破，一般要求混合速度由大变小，通常可用G值和GT值来反映沉淀的效果，G值一般控制在70～20，GT值为104-105之间为宜。

3．实验仪器和装置

1——电机    2——烧杯    3——搅拌桨    4——传动齿轮

六联搅拌器、光电式浊度仪、PH计、烧杯、移液管（1ml、2ml、5ml）、水桶、注射器、NaOH溶液、HCL溶液、滴管、精密PH试纸、普通滤纸。

4．高岭土水的特性：

地球上的矿产，主要分为能源矿产、金属矿产和非金属矿产三种类型。高岭土是一种重要的非金属矿产，与云母、石英、碳酸钙并称为四大非金属矿。

质纯的高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能；具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量、较好的耐火性等理化性质。 因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。  

　　高岭土主要由小于2个微米的微小片状、管状、叠片状等高岭石簇矿物(高岭石、地开石、珍珠石、埃洛石等)组成，理想的化学式为AL2O3-2SiO2-2H2O，其主要矿物成分是高岭石和多水高岭石，除高岭石簇矿物外，还有蒙脱石、伊利石、叶腊石、石英和长石等其它矿物伴生。高岭土的化学成分中含有大量的AL2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2以及微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等。 

高岭土悬浊液的最佳混凝pH为7～8,在低投药量时,压缩双电层和吸附电中和是主要的混凝机理,在高投药量条件下,则是卷扫絮凝起主导作用。絮凝体平均粒径和分形维数都随搅拌时间的延长而增大,并最终趋于稳定。在pH=7和以PAC作为混凝剂的条件下,形成的絮凝体最大粒径为0.45 mm,对应的分形维数约为1.68。随着投药量的增大,絮凝体分形维数的变化较小,但絮凝体平均粒径显著增加。当投药量过高时,网扫絮凝作用下的絮体结构松散,抗剪切能力差,絮凝体分形维数略有下降(1.60),但絮凝体平均粒径减小明显,降至0.25 mm左右。

五．实验步骤：

（A）确定最佳混凝剂和最小投药量

   1.测定原水（高岭土水）的特征（水温、PH、浊度）

   2.确定能形成矾花的最小混凝剂：

    其方法是：取3个1000ml烧杯，将其置于搅拌仪上，向烧杯中个注入800ml原水，启动搅拌仪，使搅拌仪处于慢速搅拌状态（50r/min），向烧杯中投加已配置的混凝剂（PAM、三氯化铁、硫酸铝），逐次增加0.2ml混凝剂投加量，直至杯中出现矾花为止，此时的混凝投加量即为形成矾花的最小投量。静沉10min，观察矾花的形成并判断最佳混凝剂（比较三者中用量最少的那种混凝剂）。

 （B）确定最佳投药量

1.取6个1000ml烧杯并依次分别编号（1~6），并将他们按顺序安放在搅拌仪上。

2.根据A确定的最佳混凝剂的最小投药量，取最小投量的1/2为1号杯的投加量；2~5烧杯为最小投药量的1.0  1.5  2.0  3.0  4.0倍的剂量加入到6个800ml烧杯中。

3.各组用吸管一一对应将上述混凝剂量移入6个编号的小试管中，备用。

4.开启搅拌仪，使其使用搅拌的快速而剧烈的混合状态，同时将3中所备的混凝剂一一对应加入烧杯中，并同时开始计时，进行快速混凝（300r/min），1min快速混合结束后，调节搅拌仪转速至中速，转速约（150r/min），3min。最后慢速搅拌，转速为50r/min,8min。在搅拌过程中，观察并记录“矾花”形成的过程，“矾花”外观、大小、密实程度等。

5.关闭搅拌仪，静置5min，用50ml注射器，分别从烧杯中取上清液，立即用浊度仪测定水浊度，并记录。

6.分析浊度仪与投加量的关系，找出相应的最佳投加量。

（C）测定最佳的PH值范围

1.取6个烧杯，分别装入800ml水样，向6个烧杯中分别加入10%HCl 和10%NaOH，使6个烧杯水样PH分别为3,5,7,8,9,11；将最佳混凝剂的最佳投药量装入6个小试管中，备用。

2.将调节PH后的6个水样（1000ml烧杯）置于搅拌仪上，开启搅拌仪，同时分别将小试管内的最佳投药量的混凝剂加入各个水样中，并开始计时，按最佳投药量实验的操作步骤重复。

3.关闭搅拌仪，静置5min，用50ml注射器分别从各烧杯中取出上清液，立即用浊度仪测其水的浊度。

4.作出PH与出水浊度之间的关系，确定最佳PH值。

六．实验记录：

  （A）、原水浊度：    mg/l            原水PH：

        PAM最小投药量

        三氯化铁最小投药量

        硫酸铝最小投药量

        选定最佳的混凝剂

（B）、测定最佳混凝剂的最佳投药量

（以浊度为纵坐标，混凝剂投加量为横坐标，画坐标图，选出最佳混凝剂投加量）

 （C）测定最佳PH值范围

（以浊度为纵坐标，PH为横坐标，画坐标图）

七．注意事项

  1. 在最佳投药量，最佳PH值实验中，向各烧杯加药剂时尽可能同时投加，避免因时间间隔较长，各水样加药后反应时间长短相差太大，混凝效果悬殊。

  2. 在最佳PH值实验中，用来测定PH的水样，仍倒入原烧杯中。

  3. 在测定沉淀水的浊度，用注射针筒抽吸清夜时，不要搅动底部沉淀物，并尽量减少各烧杯的抽吸时间。

8．成果及误差分析

9．实验存在问题及建议

注：对铁盐及聚合硫酸铁铝絮凝剂的使用, 均能处理含高岭土的原水水质, 这是由于铁盐絮凝剂有其若干优点: 一是生成氢氧化物速度快, 形成的矾花密度大, 沉降速度快；二是微粒浓缩性好, 沉淀物少； 三是污泥脱水性能好, 生成氢氧化物絮体不易再溶解等等。然而, 铁盐絮凝剂如聚合硫酸铁在实际运行过程中, 发现其投加量较大, 沉淀水pH 值下降幅度较大, 同时还存在投加过量影响出厂水色度。

因此只有聚合硫酸铁铝絮凝剂的使用可以克服铁盐对pH 值降低幅度大及影响出厂水色度等不足。