絮凝
絮凝是指将液体中非常细小的或胶状的固体颗粒聚集成较大的松散团块(“絮状物”)的过程。其目的是使颗粒聚集成团,以便通过沉淀、过滤或浮选更容易地从液体中分离出来。
絮凝的典型应用领域包括水和废水处理、饮用水处理、工艺水净化以及各种化学和电镀工艺。为此,使用了絮凝剂(例如铝或铁(III)盐)和絮凝助剂(聚合物)。它们使胶体颗粒不稳定,中和其表面电荷,并在颗粒之间形成桥接。形成的絮状物体积更大,沉降速度更快,从而更易于分离。
斯莫卢霍夫斯基凝血动力学(周动力学凝血)
在由布朗运动引起的周运动凝结过程中,颗粒的数量浓度会随着碰撞和聚合而逐渐减少。如果考虑一种稀释的悬浮液,其中两个颗粒总是融合成一个聚集体,
粒子浓度 n 的时间变化可用一个简单的二阶微分方程来描述:
dn/dt = - k · n²
- n:粒子浓度 [1/m³]
- k:凝固速度常数 [m³/s]
- t:时间 [秒]
右侧与 n² 成比例,因为每次凝结时,两个粒子都会“消失”,而碰撞频率与碰撞粒子浓度的乘积有关。
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀:颗粒的初始浓度 [1/m³]
- 对于 t = 0,n(0) = n₀。
- 随着时间 t 的增加,n(t) 以双曲线的方式递减。
k 或 n₀ 越大,n(t) 下降得就越快。
等速凝固常数(布朗运动)。
对于牛顿流体中的球形颗粒,可从布朗运动和斯托克斯-爱因斯坦模型推导出周运动凝聚的凝聚常数。结果表明,该常数与温度成正比,与粘度成反比。
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k:凝固速度常数 [m³/s]
- k_B:玻尔兹曼常数
- T:绝对温度 [K]
- μ:液体的动态粘度 [Pa·s]
温度 T 越高,布朗运动就越强烈,碰撞率就越大,k 的值也就越大。粘度 μ 越高,颗粒的运动就越受抑制,碰撞率就越小,k 的值也就越小。
从机制上讲,絮凝可分为两个步骤:首先是凝结(非常小的颗粒不稳定和初步聚结),然后是狭义上的絮凝(通过缓慢搅拌和添加聚合物使颗粒团增长)。效率取决于多种因素,包括 pH 值、温度、盐度、胶体的类型和浓度以及絮凝剂的剂量和类型。