研究生精品课程建设教案第五章常规分离过程与膜分离（一）教学设计1.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①凝聚与絮凝②Kynch沉淀理论在沉淀、浓缩池应用③滤床过滤的流体力学④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浓悬浮液的沉淀试验5.8Kynch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1
1 研究生精品课程建设教案 第五章 常规分离过程与膜分离 （一）教学设计 1.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①凝聚与絮凝 ②Kynch 沉淀理论在沉淀、浓缩池应用 ③滤床过滤的流体力学 ④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Tyndalleffec、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）1.4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，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：①胶体的定义、现象、②双电层理论、电动电位、零电点、③凝聚与絮凝、④Kynch沉淀理论与设计、③滤床过滤用到哪些流体力学原理、③膜的定义、渗透与反渗透等、③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。（二）教学内容1.凝聚与素凝胶体的基本性质、絮凝动力学、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MBR2
2 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 Tyndall effec、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） 1.4 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，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：①胶体的定义、现象、②双电层理论、电动电位、零电点、③凝聚 与絮凝、④Kynch 沉淀理论与设计、⑤滤床过滤用到哪些流体力学原理、⑥膜的 定义、⑦渗透与反渗透等、⑧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。 （二）教学内容 1. 凝聚与絮凝 胶体的基本性质、絮凝动力学、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 MBR
S5.1凝聚与絮凝1、基本概念凝聚（coagulation）、絮凝（flocculation）。2、肢体颗粒的基本性质亲、增水性胶体3、（增水性）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-Ghapman扩散双电层理论扩散双电层的电势分布：4kTW=.(5- 1)exp(-kx)ze对于球形颗粒的扩散双电层电势分布：-k(r-a)(5- 2)y=Vo（3）Stem-Grahame吸附层内Helmholtz面（IHP）和外Helmholtz面（OHP）o(5- 3)Vo-V,=Cl00+1=-0dVi-a=9(5- 4)C,C2式中：o、中i、Φd分别为颗粒表而、IHP面和OHP面处的电势：o、01、0。分别为该三处的表面电荷密度；C1、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：0+1+0=0(5- 5)OHP面是扩散双电层的起点。OHP面处电势Φd也称为扩散层电势。图5-3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（a2为负电荷表面吸附阴离子的情况。图5-3（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（中o）与扩散层电势（中d）符号相反。3
3 §5.1 凝聚与絮凝 1、基本概念 凝聚（coagulation）、絮凝（flocculation）。 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-Ghapman 扩散双电层理论 扩散双电层的电势分布： exp( ) 4 kx ze kT = − （5- 1） 对于球形颗粒的扩散双电层电势分布： exp ( ) 0 k r a r a − − = （5- 2） （3）Stem-Grahame 吸附层 内 Helmholtz 面（IHP）和外 Helmholtz 面（OHP） 1 0 0 C i − = （5- 3） 2 2 0 1 C C d i d = − + − = （5- 4） 式中：ψ0、ψi、ψd 分别为颗粒表而、IHP 面和 OHP 面处的电势：σ0、σ1、 σd 分别为该三处的表面电荷密度；C1、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： σ0+σ1+σd=0 （5- 5） OHP 面是扩散双电层的起点。OHP 面处电势ψd 也称为扩散层电势。图 5-3 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 5-3（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（ψ0）与扩散层电势(ψd)符号相 反
滑动面电位离反离子胶团边界胶格+→吸附层+扩散+胶粒W电位 电位图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中（x）呈如图所示的分布情况：d业=0。由此得两平边界条件为：在z=0和x=h时Φ=Φ0。x=h/2时，dx行平板中间位置处（x=h/2）的电位：8yKTkh(5- 6)exp(Ym2ze4yKTxh这说明，由于而对一个孤立的平板双电层，在x=h/2处，exp(2ze双电层的叠加，该处电势值增加了一倍。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，4
4 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ψ（x）呈如图所示的分布情况： 边界条件为：在 z＝0 和 x＝h 时ψ=ψ0。x＝h/2 时， = 0 dx d 。由此得两平 行平板中间位置处（x=h/2）的电位： ) 2 exp( 8 h ze m − = （5- 6） 而对一个孤立的平板双电层，在 x=h/2 处， ) 2 exp( 4 h ze m − = 。这说明，由于 双电层的叠加，该处电势值增加了一倍。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 P0 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， Ψ电位 胶团边界 电位离 滑动面 子 反离子 扩散 层 胶粒 吸附层 胶核 ξ电位
即：IHPOHP（滑动面）IHPOHP（滑动面）格?O?+福o④$0④④0e?Reo+O+?O1④dol!-woh-虹代(-5)-d(C)中a)Y44(b)(a)图5-2Stem-Grahame双电层模型示意图中中(x)中中心0hx/2图5-3两平板双电层叠加示意图(5- 7)dP+pdy=0式中：P为平板间的静水压强：P为平板间空间电荷密度：为平板间电势分布。dpd'y dy=0(5- 8)-dx2dxdx积分得：edy（)=常数p-(5- 9)2dx在 x=h/2 时 dy=0。因此，该处只存在静水压强（Pm）。两平板因扩散双电dx层叠加产生的静电斥力（Fal）就等于Pm一Po）之差，即Fpr= Pm-Po= J"dp=-"" pdy(5- 10)5
5 即： 图 5-2 Stem-Grahame 双电层模型示意图 图 5-3 两平板双电层叠加示意图 dP + d = 0 （5- 7） 式中：P 为平板间的静水压强；ρ为平板间空间电荷密度；ψ为平板间电势分布。 ( ) 0 2 2 − = dx d dx d dx dp （5- 8） 积分得： − ( ) 2 = 常数 2 dx d p （5- 9） 在 x=h/2 时 = 0 dx d 。因此，该处只存在静水压强（Pm）。两平板因扩散双电 层叠加产生的静电斥力（Fdl）就等于(P m—P0)之差，即 = − = = − = = m m s FDL pm p dp d 0 0 0 （5- 10）