武理工水污染控制原理研究生教案第5章 常规分离过程与膜分离.docx

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1、第五章常规分离过程与膜分离(-)教学设计11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(coagu1ation)、絮凝(f1occu1ation)。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-GhaPmar1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He1mhOItZ面(IHP)和外He1mhOItZ面(OHP)(5-3),z0-i=-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(归D符号

6、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，该处电势值增加

7、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=1odp=-o；PdW(5-10)在两个平板靠近时不仅产个静电双电层作用

8、力或势能，而且还存在一种范德华引力或势能V1o。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VD1和范德华引力势能V1o的合成称为相互作用势能（Potentia1energyofinteraction）,即：wz.z.z64n.kT2/4,、vt=vd1v1o=一T一yexp（-c）-（5-12）k12就该式表明,胶

9、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ka1）,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，较强的胶体化学相

10、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，产生絮凝现象。颗粒直径越小，扩散传递速率越大。对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒直径越大，这些作用越显著。存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。对于上述计算实例，这一特定颗粒直径大约在0.1Um和IUm之间。5、水处理中的絮凝与凝聚（1）水处理中的混凝特点（2）铝盐和铁盐的混凝性质凝聚和絮

11、凝过程有下列四种作用：双电层压缩：吸附中和；吸附架桥；絮体网捕至今无机混凝剂的最佳剂量的确定仍依靠烧杯实验。有时，颗粒电泳测定，尺寸分布测定及可滤性测定也可作为辅助手段。（3）加药混合于絮凝池设计混凝单元操作中的加药混合是通过迅速搅拌（机械的或水力的）达到混凝剂与颗粒物质的充分接触,其平均流速梯度石值的确定与混凝剂的凝聚机理密切相关。n为KOImogOroff涡旋微尺度，且=e/卜（5-19）式中，为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；V为水的运动粘度，且V=Po上式表明，单位质量流体的能量耗散控制着涡旋微尺度的长短、而混合设备中紊流的平均速度梯度百亦与能量耗散和水的运动粘度V有定量关系，即G=

12、（v（5-20）因此，通过控制存值就可以调整涡旋微尺度n的长短。第二节沉淀实验1、两类悬浮颗粒：（I）离散颗粒：（2）絮凝颗粒2、离散颗粒的沉淀实验（1）离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分数为：P=IOO-+f,VdP匕JO位于水面能够100%地去除的最小颗粒沉速V*实际就是沉淀池的设计溢流率（OVerfIoWrate也称表向负荷或过流率）。_ACUAC.池宽=U沉淀池断面面积=沉淀池流量=、益济率-W-Ch池宽-沉淀池表面面积一沉淀池表面积一3、絮凝颗粒的沉淀试验（1）沉淀时间为t,时去除悬浮物的百分数可表示为：P=2+U*2）+.+U（匕2-匕3）+（-1-匕2）+-（

13、i-1）匕力V.v（2）絮体颗粒特点：4=2+/（厅_编+立.（/4）+/.（44）+/.（100汽）小11匕4、浓悬浮液的沉淀试验（1）浓悬浮液的沉淀特点：讨论常见类型（a）。整个沉淀柱分四个区：清水区、等浓度区、变浓度区及压实区。清水区下面的各区总称为悬浮物区或污泥区。（2）固体通量曲线固体通量小的定义为：=vp5、Ky11Ch的沉淀理论（1） KynCh理论介绍Kynch沉淀理论的基本假定可以归纳成下列三条：在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，这一水平层内的全部颗粒以同样的速度下沉。颗粒形状、大小以及成分的任何差别都不会改变这一性质。颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的

14、函数。整个沉淀高度的初始浓度为均匀的，或者是沿深度逐渐增加的。最终得：ddh-=Vdpdt(2)KynCh理论应用5.3浓缩池1、基本内容确定浓缩池面积的方法有两个。一个是利用沉淀过程曲线结合Kynch理论来定面积；另一个是利用固体通量曲线来定面积。2、利用Kynch理论确定浓缩池面积Q.P.(SiSuA-SPj,将PQi=PoQo得：a_QOPO(SiSu上式中，SMPu为给定值，但S/Pi值随浓度Pi的增加逐渐减小，Vi值则随Pi的增加也逐渐减小，可知团积Ai是变化的。在这些大小不同的Ai值中，存在一个极大值Aimax,这个极大值为浓缩池所需的面积。如果浓缩池面积小于这个极大值AimaX,则在浓缩他中，从高于AimaX所在高度小的断面流来的固体流量QoPo就不能全部通过这一断面，因而也就不能全部到达底流中，不能满足浓缩池功能的要求。3、利用固体通量曲线确定浓缩池面积(1)方法一=(y+u)p=vp+up=h+up用固体通量求浓缩池面积的方法可以总结为：由试验得到悬浮物浓度P与相应沉淀速度V的资料;选用底流速度u；按图5-27作储-P曲线；求出最小固体通量Omin值及相应的底流浓度Pu;浓缩池面积A应大于QoPo/6min。(2)YOShiOka求6min法:5.4滤床过滤1、滤床过滤的流体力学(1)定义：滤床过滤是通过原水流经孔隙滤床使水中颗粒物质沉积在滤料表面