武理工水污染控制原理實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)

（5-SEQ（5-\*ARABIC1）對(duì)于球形顆粒的擴(kuò)散雙電層電勢(shì)分布：（5-SEQ（5-\*ARABIC2）（3）Stem-Grahame吸附層在顆粒表面與擴(kuò)散雙電尼之間存在一離子的專(zhuān)屆吸附層。由于強(qiáng)的靜電作用和表面對(duì)離子的專(zhuān)屬吸附力，使離子束縛在這一吸附層中。聚集的離子吸附層對(duì)顆粒表面電荷和電勢(shì)具有很大影響。當(dāng)表面吸附過(guò)量的反離子時(shí)可引起顆粒表面電荷變號(hào)、在吸附層中存在兩個(gè)與表面平行的平面，即內(nèi)Helmholtz面（IHP）和外Helmholtz面（OHP）。內(nèi)Helmholtz面定義為位于末水合的吸附離于（一般是陰離子）中心的平面，而外Helmholtz面而則位于水合的吸附離子（一般為金屬陽(yáng)離子）的中心處。Stem層可是為由兩個(gè)串連的平行板電容器構(gòu)成，即在顆粒表面與IHP平面間和在IHP平面與OHP平面間的電位降呈線性規(guī)律。于是有：（5-SEQ（5-\*ARABIC3）（5-SEQ（5-\*ARABIC4）式中：ψ0、ψi、ψd分別為顆粒表而、IHP面和OHP面處的電勢(shì)：σ0、σ1、σd分別為該三處的表面電荷密度；C1、C2分別為上述兩個(gè)平行板電容器的電容，又依據(jù)電中性原理，有：σ0+σ1+σd=0（5-SEQ（5-\*ARABIC5）OHP面是擴(kuò)散雙電層的起點(diǎn)。OHP面處電勢(shì)ψd也稱(chēng)為擴(kuò)散層電勢(shì)。圖5-3為完整的平板雙電層結(jié)構(gòu)以及電勢(shì)分布規(guī)律示意圖。圖5-3（a）為負(fù)電荷表面吸附陰離子的情況。圖5-3（b）為正電荷表面過(guò)量地吸附了反離子（負(fù)離子）的情況。顆粒表面電荷發(fā)生了反號(hào)，使熱力學(xué)電勢(shì)（ψ0）與擴(kuò)散層電勢(shì)(ψd)符號(hào)相反。ΨΨ電位膠團(tuán)邊界滑動(dòng)面電位離子反離子擴(kuò)散層膠粒吸附層膠核ξ電位圖5-2擴(kuò)散雙電層理論圖（4）憎水膠體的穩(wěn)定與脫穩(wěn)膠體顆粒表面存在雙電層是其保持穩(wěn)定的重要原因。當(dāng)兩個(gè)顆粒足夠靠近以致擴(kuò)散雙電層相重疊時(shí)它們之間產(chǎn)生靜電排斥力。考慮兩個(gè)平行平板雙電層疊加的情況，見(jiàn)圖5-4。當(dāng)兩平板由無(wú)窮遠(yuǎn)分離的情況帶到如圖所示的h距離時(shí)，由于它們各自的擴(kuò)散雙電層不能充分展開(kāi)而使電勢(shì)ψ（x）呈如圖所示的分布情況：邊界條件為：在z＝0和x＝h時(shí)ψ=ψ0。x＝h/2時(shí)，。由此得兩平行平板中間位置處（x=h/2）的電位：（5-SEQ（5-\*ARABIC6）而對(duì)一個(gè)孤立的平板雙電層，在x=h/2處，。這說(shuō)明，由于雙電層的疊加，該處電勢(shì)值增加了一倍。這將產(chǎn)生靜電斥力以使兩平板分開(kāi)。保持兩平板的間距為h的作用人來(lái)自靜水壓強(qiáng)差，即無(wú)窮遠(yuǎn)處?kù)o水壓強(qiáng)P0和兩平板間靜水比強(qiáng)P之差。因此．在兩平板間可列靜電力和靜水壓力之間的平衡方程，即：圖5-3Stem-Grahame雙電層模型示意圖圖5-4兩平板雙電層疊加示意圖（5-SEQ（5-\*ARABIC7）式中：P為平板間的靜水壓強(qiáng)；ρ為平板間空間電荷密度；ψ為平板間電勢(shì)分布。（5-SEQ（5-\*ARABIC8）積分得：（5-SEQ（5-\*ARABIC9）在x=h/2時(shí)。因此，該處只存在靜水壓強(qiáng)（Pm）。兩平板因擴(kuò)散雙電層疊加產(chǎn)生的靜電斥力（Fdl）就等于(Pm—P0)之差，即（5-SEQ（5-\*ARABIC10）在兩個(gè)平板靠近時(shí)不僅產(chǎn)個(gè)靜電雙電層作用力或勢(shì)能。而且還存在一種范德華引力或勢(shì)能VL0。的作用。它是一種電磁作用。對(duì)兩平板間范德華引力勢(shì)能，可用下式計(jì)算：（5-SEQ（5-\*ARABIC11）式中，A為Hamaker常數(shù)，它取次于平板的材質(zhì)和介質(zhì)（即水）的物理性質(zhì)。對(duì)天然水中顆粒Hamaker常數(shù)為10-21～10-20J。范德華引力是顆粒凝聚或平板間粘附的主要作用力。靜電雙電層斥力部分地甚至全部地抵消范德華引力的作用，而使顆粒保持穩(wěn)定。靜電雙電層作用勢(shì)能VDL和范德華引力勢(shì)能VL0的合成稱(chēng)為相互作用勢(shì)能（Potentialenergyofinteraction），即：（5-SEQ（5-\*ARABIC12）該式表明，膠體化學(xué)作用勢(shì)能VT為間距h的函數(shù)。圖5-5為依據(jù)上式計(jì)算的VT-h曲線示意圖。一般地，橫坐標(biāo)為間距h值，單位為nm或以k-1表示。縱坐標(biāo)為勢(shì)能坐標(biāo)，單位為erg或以kT表示。對(duì)于顆粒半徑a與擴(kuò)散雙電層厚度k-1之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的情況（即ka>>1），兩顆粒間相互作用可用兩平板相互作用來(lái)近似。圖5-5代表了這類(lèi)顆粒相互作用的VT-h曲線。在該曲線上一般存在一極大值Vm稱(chēng)為斥能峰。這樣，當(dāng)兩個(gè)顆粒在靠近斥能峰時(shí)，在靜電斥力作用下將重新分開(kāi)，不能發(fā)生凝聚。由圖5-5得分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：圖5-5膠體化學(xué)勢(shì)能作用曲線示意圖①根據(jù)膠體化學(xué)作用勢(shì)能曲線的變化趨勢(shì)，擴(kuò)散雙電層厚度大致可取為1/k的3倍。因此，較強(qiáng)的膠體化學(xué)相互作用將發(fā)生在6/k的距離范圍之內(nèi)。②范德華引入勢(shì)能曲線決定于Hamaker常數(shù)值，因此對(duì)給定的膠體顆粒間的相互作用，它是不變的。然而，雙電層作用勢(shì)能曲線卻隨著溶液條件的變化而變化。這是因?yàn)樵搫?shì)能決定于n0和k-1等受溶液條件控制的參數(shù)。③當(dāng)雙電層作用足夠強(qiáng)烈時(shí)，VT-h曲線上存在一正的極大值Vm，見(jiàn)圖5-5中曲線1。隨著雙電層作用減弱，即雙電層作用勢(shì)能曲線下移，極大值減小以致最終消失成為負(fù)值，見(jiàn)圖5-5中曲線2。這時(shí)，顆粒間將發(fā)個(gè)脫穩(wěn)而凝聚。水處理中的混凝過(guò)程就是為了實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變。斥能峰的表達(dá)式：（5-SEQ（5-\*ARABIC13）極值點(diǎn)是：dm=k-1因此，k-1不僅代表擴(kuò)散雙電層厚度，也是兩雙電層疊加產(chǎn)生斥能峰的大致位置。壓縮雙電層可降低斥能峰而達(dá)到顆粒凝聚。降低k-1值辦法可由增加溶液中離于的數(shù)量濃度n10和價(jià)數(shù)z1來(lái)實(shí)現(xiàn)。溶液的離子強(qiáng)度I等于。在水溫為20℃時(shí)，有：（5-SEQ（5-\*ARABIC14）式中．離子強(qiáng)度的單位為mol/L。對(duì)z—z電解質(zhì)溶液，離于強(qiáng)度等于電解質(zhì)的物質(zhì)的量濃度。使VT-h曲線上的斥能峰Vm＝0的電解質(zhì)濃度稱(chēng)為混凝的臨界電解質(zhì)濃度ca。當(dāng)溶液中實(shí)際的電解質(zhì)濃度等于或大干ca時(shí)，Vm為零或負(fù)值，顆粒迅速發(fā)生凝聚。隨著電解質(zhì)中離子價(jià)數(shù)升高，ca值將降低。因此，電解質(zhì)中離子價(jià)數(shù)越高，促進(jìn)顆粒脫穩(wěn)凝聚所需濃度越低。（5）ζ電勢(shì)由上述討論可以得出：①膠體顆粒在水中．由于表面官能團(tuán)的解離，電勢(shì)決定離子的吸附以及晶格缺陷等原因產(chǎn)生表面電荷及電勢(shì)。顆粒表面電荷大部分情況受水的pH控制，并存在一電荷零點(diǎn)的pH（PH0）。②固液界面處?kù)o電場(chǎng)受到吸附層中的吸附反離子和擴(kuò)散層中的反離子的屏蔽作用。吸附層內(nèi)電勢(shì)導(dǎo)線性降低而擴(kuò)散層的電勢(shì)則呈指數(shù)函數(shù)降低。③影響膠體顆粒穩(wěn)定件的主要參數(shù)是擴(kuò)散層電位ψd和厚度（由參數(shù)k-1代表）。增加溶液離子強(qiáng)度可使k值增大，表現(xiàn)為擴(kuò)散雙電層變薄。當(dāng)吸附層內(nèi)過(guò)量吸附反離子可引起電荷反號(hào)，使表面電位ψ0與擴(kuò)散電位ψd符號(hào)相反。這些都會(huì)引起肢體顆粒脫穩(wěn)而凝聚。然而，ψ0、ψ1、ψd皆為熱力學(xué)電勢(shì)，直接測(cè)定是困難的。通常可以測(cè)定的電勢(shì)是顆粒的表面電動(dòng)電勢(shì)，即ζ電勢(shì)。它可用微電泳儀測(cè)定。如圖5-3所示，ζ電勢(shì)是雙電層內(nèi)滑動(dòng)面處的電勢(shì)。當(dāng)存在一直流外電場(chǎng)時(shí)，膠體顆粒發(fā)生定向遷移，從而引起固液兩相分離。這稱(chēng)為顆粒的電泳。由于吸附層中的離子和極性水分子被牢固地束縛農(nóng)表面處，因而隨顆粒一起移動(dòng)。表面滑動(dòng)一般發(fā)生在外Helmholtz面附近。因此，ζ電勢(shì)的大小和符號(hào)與擴(kuò)散層電勢(shì)ψd相近。一般都假定：ζ=ψd（5-SEQ（5-\*ARABIC15）當(dāng)對(duì)電泳槽兩端施加直流電壓時(shí)，可通過(guò)顯微鏡觀測(cè)到電泳槽中膠體顆粒在水中向正極（帶負(fù)電膠體）或負(fù)極（帶正電膠體）運(yùn)動(dòng)的遷移率。顆粒電泳遼移率uc定義為（5-SEQ（5-\*ARABIC16）式中，uc為顆粒電泳遷移速度，單位為μm/s；E為施加的外電場(chǎng)強(qiáng)度，以電壓與兩電極間距離之比表示，單位為v/cm。因而uc的單位是μm·s-1/V·cm-1。這樣定義其單位是為了計(jì)算方便。M。uc與ζ電勢(shì)的關(guān)系為（5-SEQ（5-\*ARABIC17）式中，ξ為水的介電常數(shù)；μ為水的粘度；f（ka）為修正系數(shù)。a為顆粒半徑。當(dāng)水溫為25℃時(shí)，ζ=7.08×10-10C/V·m，μ＝0.001kg/m·s，上式變?yōu)椋海?-SEQ（5-\*ARABIC18）式中，ξ電勢(shì)的單位是mV。電解質(zhì)對(duì)親水膠體雖然同樣也起凝聚作用，但有不同于憎水膠體作用的特點(diǎn)。第一，離子的價(jià)數(shù)對(duì)凝聚無(wú)重要作用；例如，帶負(fù)電的膠體明膠分子，加氯化鈉不沉淀，加氯化鈣同樣也不沉淀。第二，使親水膠體凝聚沉淀出來(lái)起重要作用的是陰離子，陰離子個(gè)僅對(duì)帶正電的親水肢體起凝聚作用，同樣也對(duì)帶負(fù)電的親水膠體起凝聚作用。陰離子起凝聚作用的能力也不一樣，其大小順序如下：檸檬酸根，酒石酸根，CH3COO-，Cl-，，Br-，I-這一順序稱(chēng)為Hofmeister順序。各種陽(yáng)離子起凝聚作用的能力差別，不如陰離子那樣明顯。當(dāng)產(chǎn)生親水膠體凝聚作用所需要的鹽的濃度太高時(shí)，這一過(guò)程就稱(chēng)為鹽析。大量的鹽不僅中和了親水膠體上所帶的電荷，同時(shí)也起了脫水作用。如硫酸銨為鹽析蛋白質(zhì)最重要的試劑，原因是硫酸根及銨離子都有很高的凝聚能力。鹽析需要的硫酸銨濃度約在2mol／L以上。憎水膠體間的互凝而沉淀出來(lái)的現(xiàn)象比較簡(jiǎn)單，就象正負(fù)離子相中和而沉淀出來(lái)的現(xiàn)象一樣。憎水膠體還可以同帶相反電號(hào)的親水肢體互相凝聚而沉淀出來(lái)，如用少量的蛋白質(zhì)可使憎水膠體沉淀出來(lái)。在蛋白質(zhì)帶負(fù)電的pH值范圍內(nèi)，可沉淀帶正電的憎水膠體，在帶正電的pH值范圍內(nèi)，可沉淀帶負(fù)電的憎水膠體。親水膠體間的互凝現(xiàn)象較復(fù)雜。例如，有下列幾種情況：酸性的蛋白質(zhì)溶液（帶正電的膠體）中加少量陰離子型蛋白質(zhì)后，可以把蛋白質(zhì)沉淀出來(lái)。這是帶正電膠體與帶負(fù)電的膠體互相凝聚的一個(gè)例子．原理與餡憎水膠體的互凝一樣。但是也有帶負(fù)電荷的強(qiáng)親水膠體與帶正電荷的強(qiáng)親水膠體混合而不產(chǎn)生凝聚的現(xiàn)象。兩種帶負(fù)電荷的親水肢體混合后，其中一種沉淀出來(lái)而只一種保持分散的現(xiàn)象。5.2理論對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)（1）該現(xiàn)象產(chǎn)生基于膠體現(xiàn)象一種消除納米級(jí)含鐵物質(zhì)kevin平衡干擾的預(yù)處理方法。采用納米級(jí)含鐵物質(zhì)的吸附劑或催化劑在吸附或催化有機(jī)物后，進(jìn)行有機(jī)物含量測(cè)定時(shí)，由于kevin平衡溶解的含鐵膠體使待測(cè)量液體呈紅色，產(chǎn)生吸收干擾紫外分光光度法、氣相或液相色譜對(duì)有機(jī)物的測(cè)定。（2）膠體脫穩(wěn)的處理方法將待測(cè)液體測(cè)量pH值后，采用含鋁鹽中和含鐵膠體所帶電荷，采用高速離心機(jī)4000rpm/min，液固分離后調(diào)回pH，溶液送入測(cè)定，可消除含鐵膠體對(duì)測(cè)量的干擾。（3）對(duì)結(jié)果的誤差分析鋁鹽絮體對(duì)有機(jī)物不產(chǎn)生吸附，也不改變含鐵膠體的原有吸附。該方法簡(jiǎn)便、成本低廉、誤差小、操作方便，可以消除含鐵吸附劑或催化劑kevin平衡干擾紫外分光光度法、氣相或液相色譜法測(cè)定有機(jī)物。

第六章生物化學(xué)工程基礎(chǔ)對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)6.1細(xì)菌的成分細(xì)菌也和其它活的生物一樣，需要某些營(yíng)養(yǎng)物才能生長(zhǎng)。這些營(yíng)養(yǎng)物必須包含該細(xì)胞的細(xì)胞物質(zhì)中所含的元素，以及酶的活力及運(yùn)輸系統(tǒng)所必需的元素。1.細(xì)菌的元素組成細(xì)菌所必需的元素可以稱(chēng)為細(xì)菌的生物元素。細(xì)菌元素可以通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞物質(zhì)的分析得出。細(xì)菌和其他微生物成分中所含的主要元素見(jiàn)表6-1。這些元素所占的百分?jǐn)?shù)是以細(xì)菌干重計(jì)的。由表6-1可看出，大多數(shù)元素都占0.5%以上。表6-2列出了細(xì)菌成分中的次要的生物元素。表6-1所列的數(shù)據(jù)，是判別在廢水生物處理過(guò)程中，水質(zhì)中所含有的幾種主要元素含量是否滿足了細(xì)菌生長(zhǎng)需要量的根據(jù)，一般情況下都能滿足，故不必加以核實(shí)。但表6-2中所列的某種微含量元素缺乏時(shí)，代謝作用就會(huì)受到影響，廢水處理就會(huì)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。2.細(xì)菌的大分子組成細(xì)菌或其它的微生物細(xì)胞物質(zhì)主要是由一些大分子組成的，如表6-3所示。其中蛋白質(zhì)和核酸是微生物細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。（1）蛋白質(zhì)的組成微生物細(xì)胞的蛋白質(zhì)分為兩種，一種為結(jié)合蛋白質(zhì)，如糖蛋白等，是構(gòu)成細(xì)胞組織的一部分；另一種為溶解性的單純蛋白質(zhì)，主要在細(xì)胞質(zhì)中。各種蛋白質(zhì)的元素組成都很有碳、氫、氧、氮四種元素，大部分還含有硫。有的還含有磷、鐵、銅等。α-氨基酸是一切蛋白質(zhì)的組成單位。組成蛋白質(zhì)的天然氨基酸主要有20種，如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、精氨酸、天冬氨酸、色氨酸、氨酸等。氨基酸的基本結(jié)構(gòu)通式為：上式具有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，具有酸性的-COOH及堿性的-NH2，為兩性電解質(zhì)。第二，如果R≠H，，則具有不對(duì)稱(chēng)碳原子，因而是光活性物質(zhì)。氨基酸在中性水溶液中是以?xún)尚噪x子形式存在的。一個(gè)氨基酸的氨基與另一氨基酸的羧基可以縮合成肽，其鍵稱(chēng)肽鍵。（2）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是由α—氨基酸結(jié)合而成，水解后產(chǎn)生α—氨基酸。根據(jù)氨基酸分子數(shù)目、排列次序，以及肽鏈數(shù)目和空間結(jié)構(gòu)的不同，形成了不同的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。（3）蛋白質(zhì)分子中的重要化學(xué)鍵蛋白質(zhì)分子中的化學(xué)鍵可分為共價(jià)鍵與非共價(jià)鍵兩大類(lèi)。共價(jià)鍵如肽鍵、酯鍵，非共價(jià)鍵即次級(jí)鍵，如氫鍵、靜電作用、范德華力等。（4）蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)蛋白質(zhì)是大分子物質(zhì)，在水中形成膠體溶液，不能透過(guò)半透膜，能與水結(jié)合，在分子周?chē)纬梢粚铀ぁＪ紫?，蛋白質(zhì)也是一種兩性電解質(zhì)。但其離解情況遠(yuǎn)比氨基酸復(fù)雜，可簡(jiǎn)化表示為上式表明蛋白質(zhì)在不同pH溶液中可為正離子、負(fù)離子或兩性離子。其次，蛋白質(zhì)存在變性現(xiàn)象。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)受物理或化學(xué)因素的影響，其分子內(nèi)部原有