ColloidStability实用学习教程.pptx

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1、主要内容基本概念DLVO理论电解质的聚沉作用高聚物的空间稳定及絮凝作用影响絮凝沉降的主要因素第1页/共101页一、基本概念第2页/共101页基本概念聚集过程：胶体粒子比表面积大，表面自由能高，粒子有自动聚集成大颗粒的趋势。将胶体粒子由小到大的过程称为聚集过程（aggreagation）。聚集体：胶体粒子由小颗粒聚集而成的大颗粒称为聚集体（aggreagate）。聚沉过程：若胶体粒子发生聚集而造成粒子从体系中析出，该过程称为聚沉过程（Coagulation）。第3页/共101页第4页/共101页凝聚过程：通过加入电解质而使聚集体堆积紧密、过程相对较慢，使粒子从体系中析出的过程称为凝聚过程。絮凝过

2、程：通过加入高聚物而使聚集体堆积疏松、过程相对较快，使粒子从体系中析出的过程称为絮凝过程（Flocculation）。絮凝过程产生的析出物体积大，因此称之为絮体（Floc）。凝聚过程与絮凝过程在水处理实践中常同时发生，因此两者合并统称为混凝过程。第5页/共101页胶体稳定性的含义1、热力学稳定性：胶体体系是一个多相分散体系，颗粒小、表面能高，属于热力学不稳定体系。2、动力学稳定性：胶体粒子存在着布朗运动性质，能够阻止粒子之间的沉降，具有一定的动力学稳定性。3、聚结稳定性：研究胶体粒子的颗粒大小随时间的变化。当粒子颗粒变大时，稳定性减弱。第6页/共101页加速颗粒沉降的措施加电解质高分子聚合物加

3、热电场光第7页/共101页确保胶体体系稳定的措施加大量高分子化合物采用分散措施（超声波、研磨）避免光照避免电场和加热第8页/共101页胶体稳定性测定1、测定体系吸光度的变化2、测定体系浊度的变化3、测定体系颗粒大小的变化4、测定体系颗粒数量的变化 参考书：界面电现象邓同等译，北京大学出版社：1993年第9页/共101页胶体稳定性实例 墨水 油墨 化妆品 涂料 油漆 乳化沥青 乳化柴油等 第10页/共101页需要使体系不稳定的实例水处理 破乳沉淀分离 水处理站及处理效果第11页/共101页问题1、胶体体系在何种条件下稳定，又在何种条件下不稳定？2、那些因素影响胶体体系的稳定？通过那种机理影响？3

4、、影响胶体体系的稳定的因素有没有规律？第12页/共101页二、DLVO理论第13页/共101页简介DLVO理论是研究带电胶体稳定性的理论，它是由前苏联科学家德查金（Darjaguin）、郎道（Landan）及荷兰科学家维韦（Verwey）、奥弗比克（Overbeek）分别于1941年和1948年分别独立提出来的，主要研究胶体体系的稳定性。第14页/共101页DLVO理论的要点1、胶体体系存在着斥力位能，也存在着引力位能。前者是带电胶粒相互靠近时扩散双电层相互重叠而产生的静电斥力造成的，而后者则是由于范德华力的存在造成的。第15页/共101页DLVO理论的要点2、胶体粒子之间存在的斥力位能和引力

5、位能的相对大小决定着体系的总位能，同时也决定着体系的稳定性。当斥力位能大于引力位能时，则体系有足够能量阻止胶体粒子因布朗运动造成粒子之间相互碰撞而产生的并聚；若引力位能大于斥力位能，则胶体粒子相互并聚而发生聚沉。第16页/共101页DLVO理论的要点3、胶体体系的总位能、引力位能和斥力位能都随着粒子之间距离的变化而变化。由于引力位能和斥力位能与距离的关系呈现不同的形式，因此在一定的距离范围内引力位能占据主要地位，而在一定的距离范围内斥力位能占据主要地位。第17页/共101页DLVO理论的要点4、电解质的加入对体系斥力位能的影响大，而对引力位能的影响小。因此电解质的加入对胶体体系的稳定性影响较大

6、。第18页/共101页胶体体系位能产生的原因1、引力位能的产生引力位能是由组成胶体粒子的分子间的范德华力引起的。2、斥力位能的产生斥力位能是由于胶体粒子扩散双电层的静电斥力和离子在双电层内积聚产生的渗透压而产生的。第19页/共101页胶体体系的引力位能任何一种胶体体系，存在的范德华力是体系中分子之间的色散力、极性力和诱导偶极力三者之和。他们都与距离密切相关，与距离的六次方成反比。因此也称之为六次律。第20页/共101页色散力（Londan Force）1、2 分子极化率1、2 分子特征振动频率 x分子之间的距离，以下同。第21页/共101页极性力(Keeson Force)1、2 分子偶极距；

7、h、k、T分别为普朗克常数、波尔兹曼常数和绝对温度。第22页/共101页诱导偶极力第23页/共101页六次律从上式可见，分子间的范德华力与距离的六次方成反比，即随着距离的增大，引力迅速减小，乃至消失。第24页/共101页球型粒子之间的引力位能第25页/共101页分子对胶体粒子的引力作用第26页/共101页令称A为Harmark常数第27页/共101页当H0R时，则S2R，因此有：上式中，VA颗粒之间的引力位能；R颗粒的半径；H0 球表面之间的距离。第28页/共101页对于有溶剂存在的体系第29页/共101页对上式的理解通过上式，在知道分散相及分散介质的A后，可计算出体系的A值；且A增大，体系的

8、引力位能增大。上式总为正值，说明体系的引力位能无论是在真空还是在介质存在下，都是存在的。当介质的A值与分散相的A值接近时，体系的A值降低，表明体系稳定性增强。第30页/共101页平面粒子之间的引力位能通过推导，得出平面粒子之间的引力位能表达式为：D为二平面间距离。从上式可以看出，二者之间的引力位能与距离的平方成反比。第31页/共101页胶体粒子之间的斥力位能若胶体粒子为平面型，则粒子间作用力用下图表示：第32页/共101页第33页/共101页第34页/共101页第35页/共101页对于两个极板，由于斥力作用使两个板分开，而要用外力方可使两个板面靠近。若外界压力为Fx，则有：双电层静电斥力Fe为

9、：第36页/共101页两个力达到平衡时，有：第37页/共101页斥力位能公式式中：n0离子数量；扩散双电层厚度之倒数；d平面间距；与表面电位、离子荷电数有关的常数。第38页/共101页 将上式进行形式变换，有：VR=k1 n01/2exp（-2 n01/2）从上式可以看出，VR随着n0的增加呈现指数下降，说明电解质浓度增加，斥力位能降低，同时也说明斥力位能对电解质敏感。第39页/共101页球型粒子的斥力位能经过推导,得球型粒子的斥力位能公式从上式可知：VR随着0、R的增加而增大。第40页/共101页胶体体系总位能体系总位能为V=VA+VR第41页/共101页球型粒子的位能曲线第42页/共101

10、页决定位能曲线有三个因素1、体系的A值；2、表面电位0；3、电解质。第43页/共101页三、电解质的聚沉作用第44页/共101页聚沉值聚沉值在一定条件下，能使胶体发生聚沉所需要的电解质的最低浓度。聚沉值是一个相对值，不同组成、不同浓度的胶体体系，该值不同。聚沉值在胶体体系确定后，为一确定值。第45页/共101页胶体体系的聚沉值As2S3（-）AgI（-）Al2O3（+）LiCl53LiNO3165KCl43.5CaCl20.65Ca(NO3)22.4K 2SO40.3AlCl30.093Al(NO3)30.067K 3Fe(CN)60.08第46页/共101页规 律 上述规律称为叔迪哈得(Sc

11、hulzeHardy)规则。第47页/共101页影响聚沉能力反离子的大小一价正离子：H+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+一价负离子：IO-H2PO4-BrO3-Cl-Br-I-SCN-该离子序称为胶感离子序。水合离子半径小者，容易靠近胶体粒子，影响大。第48页/共101页同号离子影响相对较小。不规则聚沉：在一种胶体中加入一种电解质可以使胶体聚沉，但随着加量增加，胶体稳定性逐渐增强。相互聚沉：不同电荷的胶体混合后同时发生稳定性破坏。第49页/共101页叔迪哈得规则的理论解释通过相关计算，得聚沉值计算公式：第50页/共101页将上式变更，得从理论上证明了规则的正确性.第51页/共101页四、高

12、聚物的空间稳定及絮凝作用第52页/共101页高聚物与胶体的影响第53页/共101页第54页/共101页发生该作用主要是聚合物在胶体粒子表面的吸附。第55页/共101页由于胶体粒子表面吸附了大量的聚合物分子，形成了大分子吸附层，阻止了质点的聚结，对胶体体系起稳定作用的现象叫空间稳定作用。空间稳定作用第56页/共101页高聚物对胶体稳定性的影响1、带电聚合物被吸附，会增加胶体粒子之间的静电斥力位能，这点可用DLVO理论处理。2、高聚物的存在通常会降低胶体粒子之间的A，降低了体系的引力位能。3、由于吸附了聚合物，因此体系增加了空间稳定能。第57页/共101页考虑空间稳定作用时体系总能量为：U=UA+

13、UR+URSURS 称为空间斥力位能。URS 在非水介质中可以起到重要作用。第58页/共101页空间斥力位能的产生1、吸附层被压缩：吸附了高聚物的胶体粒子在外界作用力的存在下，相互靠近，使吸附的高聚物链被压缩。2、吸附层相互渗透：相互靠近的粒子在合适的溶剂中和外力作用下，分子链在胶体粒子中间相互交叉。第59页/共101页空间斥力位能的产生吸附层被压缩a 作用，使聚合物分子产生熵斥力位能URe、产生了弹性斥力位能URE；第60页/共101页b 作用，存在渗透效应位能URo和焓斥力位能URH。吸附层相互渗透第61页/共101页聚合物的稳定作用第62页/共101页熵斥力位能1951年，Mackor，

14、E.L.首先计算出聚合物吸附层受到压缩时的斥力位能，这种位能来源于吸附聚合物的结构熵。Ns为单位吸附面积上吸附的分子数；为H=时，胶体粒子的表面覆盖度；H为两个胶体粒子的间距；L为粒子的长度。第63页/共101页弹性斥力位能当吸附的高聚物为弹性体时，两个粒子相互靠近到2倍吸附层厚度时，吸附层受到压缩产生弹性斥力位能。Jackel推导出弹性斥力位能公式：G为吸附层的弹性模量；R为粒子半径；为吸附聚合物层厚度。第64页/共101页渗透效应位能1958年，Fischer，E.W.首先处理了渗透效应对空间稳定能的贡献。当带有吸附层的粒子相互碰撞时，不会发生吸附聚合物的解吸，而是发生相互渗透。相互渗透后

15、，交叉区域的聚合物分子浓度增高，从而产生渗透效应位能URo。第65页/共101页影响URO的因素：1、A2：该值反映了溶剂与聚合物的亲和力，良溶剂使该值增大，URO增大，利于体系稳定；2、聚合物的吸附浓度C2：吸附力越强的聚合物使URO增大，利于体系稳定；3、吸附层厚度大于1/2H时，越大，利于体系稳定。第66页/共101页焓斥力位能相互靠近的粒子所吸附的聚合物链相互渗透后，交叉区域的聚合物分子浓度增高，也产生焓斥力位能URH。1972年，Bagchi推导出焓斥力位能公式，认为吸附层重叠时的浓缩热焓变量等于溶液稀释热的负值。第67页/共101页式中：n1表示在重叠区内吸附聚合物分子的物质的量；

16、CH表示当H2时，重叠区内聚合物的浓度；C表示当H2时，不发生重叠时聚合物的浓度；第68页/共101页Bagchi认为可丛颗粒大小、吸附聚合物的分子量、单个吸附分子所占的面积、吸附层厚度、两个粒子之间的距离来确定上述三个参数，继而通过测定积分吸附热与浓度的关系来确定焓斥力位能。第69页/共101页影响空间稳定作用的因素分子结构嵌段聚合或接枝聚合效果好。分子量及吸附层的厚度分子量高、吸附厚度大则稳定作用强；溶剂性质良溶剂稳定作用大；聚合物浓度浓度高，利于胶体稳定，而浓度低，利于絮凝。第70页/共101页钻井液添加剂按照组成：无机添加剂和有机添加剂。按照用途：15类，主要有pH调节剂、除钙剂、起泡

17、剂、乳化剂、降粘剂、降滤失剂、增粘剂、絮凝剂、防塌剂、缓蚀剂、润滑剂、解卡剂、温度稳定剂、密度调整剂、堵漏材料等。按照分子量：低分子添加剂、高分子添加剂。第71页/共101页钻井液滤失性的控制1、使用级配合适的固体颗粒材料；2、使用化学剂进行调节。常用药剂有：（1）改性褐煤；（2）改性淀粉；（3）改性纤维素；（4）改性树脂（5）合成聚合物（聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、部分水解的聚丙烯腈钙）等。第72页/共101页钻井液滤失性控制的机理1、增粘机理（水溶性高分子可增加水溶液黏度，降低滤失量）；2、吸附机理（高聚物通过吸附，控制颗粒的大小及分布，利于形成薄而韧的泥饼）；3、捕集机理（高聚物通过水化作用，

18、使自由水数量减少，从而降低滤失量）；4、物理堵塞（调整颗粒大小及分布，利于快速形成泥饼。）第73页/共101页钻井液流变性的一般要求 对于非加重钻井液 塑性粘度（PV):5-12mPa.s 动切力（YP):1.4-14.4Pa YP/PV=0.48Pa/mPa.s 流型指数：0.4-0.7 卡森动切力 c:0.6-3Pa 极限高剪粘度：:2-6mPa.s第74页/共101页钻井液流变性调整用药剂 一、降粘剂改性丹宁；改性木质素磺酸盐；低分子量聚合物（苯乙烯磺酸钠与顺丁烯二酸酐的共聚物，丙烯酸钠与丙烯磺酸钠的共聚物，丙烯酰胺、丙烯磺酸钠和烯丙基三甲基氯化铵的共聚物等）。第75页/共101页钻井液

19、流变性调整用药剂二、增粘剂改性纤维素（机理为：本身的水溶液黏度高，可增加钻井液黏度；通过吸附作用，使黏土颗粒带有水化层而颗粒体积增加，增大流动阻力）；正电胶（机理为：跟黏土形成一定结构，增大静切力）第76页/共101页五、影响絮凝沉降的主要因素第77页/共101页聚合物的絮凝作用第78页/共101页聚合物絮凝机理电性作用带电聚合物的作用方式；架桥机理（桥联作用）高分子链在胶体粒子之间的吸附产生了桥联作用。第79页/共101页影响高聚物絮凝作用的因素聚合物浓度；聚合物带电性及电荷密度；高聚物链节与胶体粒子的作用；聚合物分子量；温度；颗粒浓度；搅拌状况。第80页/共101页污水处理的絮凝机理 絮凝

20、机理主要有：压缩双电层机理；吸附电中和机理；吸附架桥机理；沉淀网捕等。第81页/共101页压缩双电层机理：胶体保持稳定性有两方面原因：一是胶体粒子间的静电斥力阻止了粒子的并聚；同时带电粒子周围的水化膜也阻止胶体粒子间的并聚。向胶体体系中加入高价反离子，会减小水化膜的厚度，增大粒子间的吸引力，胶体粒子得以并聚。第82页/共101页电中和机理：胶体粒子对异号离子、异号胶粒、带异电荷的分子都有强烈的吸附作用，会中和胶体粒子所带的电荷，降低静电斥力，使胶体粒子凝聚。第83页/共101页吸附架桥机理：吸附架桥作用主要是链状高分子化合物在静电引力、范德华力和氢键的作用下，在胶体粒子间发生吸附而形成桥联，分

21、子链通过运动、旋转等，使胶体粒子逐渐变大，最终形成絮体。第84页/共101页沉淀网捕机理：当采用高价金属盐作凝聚剂且投加量大时，高价金属离子形成沉淀，捕获水中的胶体粒子而形成絮体。第85页/共101页以上几种机理，在水处理过程中往往同时存在或交叉发生作用，只是在特定状态下以某一种机理为主。第86页/共101页影响絮凝效果的主要因素水温；水的pHpH值；水的浊度；搅拌状况；絮凝药剂性质（种类、加量、加入顺序）；处理工艺等。第87页/共101页水温 无机絮凝剂水解时系吸热反应，因此，低温时不利于水解反应的发生；同时水温低，水粘度增大，水流阻力增大，使絮体的形成、长大受到阻碍，从而影响絮凝效果。第8

22、8页/共101页水的pHpH值和碱度 无机絮凝剂如铝盐或铁盐水解时，对水的pHpH值和碱度有一定要求。如铝盐最佳pHpH值在6.56.58.58.5之间，高了或低了都影响铝盐、铁盐的水解过程，从而影响絮凝效果。第89页/共101页水质 当水中浊度较低、颗粒细小而均一且投加的絮凝剂量少时，仅靠絮凝剂与悬浮微粒之间相互接触，很难达到预期的絮凝目的，必须投加大量絮凝剂、助凝剂，加快絮体形成的速度。第90页/共101页搅拌及水力学因素 适当搅拌可促进絮凝剂在水中的分散和细小微粒的碰撞，利于形成大絮体。第91页/共101页絮凝药剂性质（种类、加量、加入顺序）药剂种类及加量决定着胶体体系破坏的速度，一般，

23、不同种类的污水适应不同类型的药剂，因此要达到良好的处理效果，必须依靠实验来确定那一种药剂适合。实验方法有静态实验法和动态实验法。絮凝药剂实验依照相应的标准进行（如石油行业标准SY/T5890SY/T589019931993）。第92页/共101页处理工艺第93页/共101页处理工艺（一）重力沉降处理工艺：油站来水一次除油罐粗粒化罐缓冲罐外输泵斜板除油罐过滤回注；油站来水-次除油罐斜板除油罐缓冲罐外输泵过滤回注。第94页/共101页（二）压力沉降处理工艺：油站来水一次除油罐二次除油罐缓冲罐外输泵压力滤罐回注。油站来水自然除油罐混凝除油罐缓冲罐压力滤罐回注第95页/共101页第96页/共101页工

24、艺说明：从脱水转油站送来的原水（要求压力为0.150.20MPa）经自然除油罐除油后，可使污水中含油量由5000mg/L降至500mg/L以下，再投加混凝剂经混凝沉降进一步除油除悬浮物后，可使含油量降至50100mg/L，同时悬浮物去除率可达7080%，再经石英砂压力过滤罐过滤后一般可使含油降到20mg/L以下，悬浮物降到10mg/L，再杀菌便得合格的净化水用于回注。第97页/共101页（三）沉降除油和气浮工艺油站来水一次除油罐（接收罐）气浮选机缓冲罐过滤回注。（四）水力旋流工艺油站来水水力旋流器回注。采用该工艺的联合站来水经水力旋流处理后，水中含油可由50Omg/L降至30mg/L以下，装置运转状况良好，有少量污水事故性外排。第98页/共101页（五）深度处理工艺油站来水一、二级沉降除油一气浮混凝沉降过滤离子交换柱回用。该工艺为多种处理工艺的组合，主要针对污水回用而进行的，污水处理效果较好，可回用作为蒸汽锅炉用水。该工艺在我国北方某些油田应用较多。第99页/共101页处理工艺中主要考虑的问题是：加药与混合；反应时间；停留时间；过滤状况等。；第100页/共101页感谢您的欣赏！第101页/共101页