（市政工程专业论文）粉煤灰提取液合成聚硅铁混凝剂及铅絮体分形研究.pdf

p o l y - s i l i c o n - f e r r i cc o a g u l a n ts y n t h e s i s e db yf l y a s h e x t r a c t i o na n df r a c t a lr e s e a r c ho nt h el e a df l o c s s u n y o n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f y uy a n z h e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 5 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑蓖声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童尘：鱼日期：川二穆 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至址导师签名：l 随日期：三坐 济南大学硕上学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 高分子混凝剂的研制与应用l 1 2 1 聚铁高分子絮凝剂的研制与应用2 1 2 2 利用废物制备无机高分子絮凝剂3 1 2 3f e ( ) 的水解反应3 1 3 分形理论4 1 4 分形在水处理中的应用8 1 4 1 絮体模型模拟8 1 4 2 絮凝体分形结构动力学生长模型1 0 1 4 3 分形维数1 0 1 4 4 混凝机理的研究1 2 1 4 5 分形理论在混凝中的展望1 2 1 5 课题研究的意义、内容及创新点1 3 1 5 1 课题的提出的意义1 3 1 5 2 课题的研究内容1 3 1 5 3 课题创新点1 4 第二章聚硅铁混凝剂的制备及其应用1 5 2 1 概述1 5 2 2 实验仪器与材料1 5 2 2 1 仪器与设备1 5 2 2 2 材料1 5 2 3 粉煤灰化学成分的分析1 6 2 4 聚硅铁混凝剂的制备1 6 2 5 混凝剂水力参数的确定1 6 粉煤灰提取液含成聚砖铁混凝剂及铅絮体分形研究 2 6 本章小结1 8 第三章絮体生长模型的模拟1 9 3 1 概述1 9 3 2 模拟絮凝体分形维数计算方法1 9 3 3 絮体模型的模拟2 0 3 3 1d l a ( d i f f u s i o nc l u s t e ra g g r e g a t i o n ) 模型2 0 3 3 2d l c a ( d i f f u s i o n m l i m i t e dc l u s t e ra g g r e g a t i o n ) 模型的模拟2 8 3 4 本章小结3 2 第四章铅絮体的分形维数测定与仿真模拟3 3 4 1 概述3 3 4 2 实验3 3 4 2 1 实验设备与仪器3 3 4 2 2 实验材料3 4 4 3 分形维数的测定3 4 4 3 1 不同投加量卜絮体分形维数的测定3 4 4 3 2 不同p h 值下分形维数的测定3 6 4 4 实测絮凝体与模拟结果对比3 9 4 4 1 不同投加量下实测絮凝体与模拟结果对比3 9 4 4 2 不同p h 值下实测絮凝体与模拟结果对比4 l 4 5 本章小结4 4 第五章混凝机理探讨4 5 5 1 概述4 5 5 2 聚硅铁混凝剂结构外貌特征4 6 5 2 1 聚硅铁混凝剂扫描电镜结构特征4 6 5 2 2 聚硅铁混凝剂粒径分布4 6 5 2 2 聚硅铁混凝荆红外( i r ) 结构特征4 7 5 3 利用分形絮体模型研究混凝机理4 8 5 3 1d i 。a 模世的形成过程4 8 济南大学硕 学位论文 5 3 2d l c a 模型的形成过程4 9 5 3 3 不同投加量对混凝机理的影响4 9 5 3 4 不同p h 值对混凝机理的影响5 l 5 4 聚硅铁混凝剂混凝机理5 2 5 5 本章小结5 3 第六章分形维数在混凝中的应用5 5 6 1 概述5 5 6 2 实验5 5 6 3 分形维数与去除率、絮体表面微观形貌的关系5 5 6 3 1 不同投加量下分形维数与铅离子去除率的关系5 5 6 3 2 不同投加量下分形维数与絮体表面微观形貌的关系5 6 6 3 3 不同p h 值下分形维数与铅离子去除率的关系5 9 6 3 4 不同p h 值下分形维数与絮体表面微观形貌的关系5 9 6 4 分形维数对混凝中能耗分配优化的分析6 2 6 4 1 实验水力参数6 2 6 4 2 能耗分配实验6 3 6 5 本章小结6 6 第七章结论与建议6 7 7 1 结论6 7 7 2 建议6 8 参考文献6 9 致谢7 5 附录7 7 i i i 粉煤灰提取液合成聚砗铁混凝剂及铅絮体分形研究 i v 济南大学硕上学位论文 摘要 论文主要包括聚硅铁混凝剂的制备，d l a 和d l c a 模璎中生长变量对其结 构影响的探讨，铅絮体分形维数的测定与模型的模拟，铅絮体分形维数与絮体内 部结构的关系，以及分形维数在能耗分配中的应用等五部分内容。 ( 1 ) 实验通过测定发现在6 0 温度下，用1 8 m o l l 的氧氧化钠溶液浸取 1 0 9 粉煤灰水浴加热3 8 h ，是粉煤灰液提取的最佳条件，然后将提取液冷却后， 调节p h 值至1 4 左右，活化2 5 h ，添加铁化钾使s i f e 摩尔比值为3 5 ，在4 5 下聚合反应后，可制得无机高分子聚硅铁混凝剂，其密度为1 5 5 k g m 3 。 ( 2 ) 为了明确絮体生长变量( 粒子数、凝结半径、运动步长等) 对d l a 和 d l c a 模型结构影响，实验通过改变单一生长变量的方法，经研究发现在d l a 模型中，增加粒子数会使其结构变得疏松，分形维数降低，而增加凝结半径和运 动步长，则会使其结构密实，分形维数增大；在d l c a 模型中，其主要影响因 素是粒子密度，发现增加粒子密度则会降低絮体分形维数，絮体变得疏松。 ( 3 ) 实验利用粉煤灰合成的聚硅铁混凝剂处理含铅的：【业废水，混凝效果 明显，铅离子去除率町达到9 5 以上。为了确定不同混凝条件对混凝机理的影响， 首先根据影像分析法，测得絮体分形维数，然后以此为基本参数，进行了不同投 加鼍和不同p h 值下实拍铅絮体图片与m a t l a b 软件生成d l a 的模型和 o p e n g l 软件生成d l c a 的模型对比，得出模拟的絮体模型与实测絮体具有一定 的相似度，且当分形维数达到最大值时，絮体会从d l a 模型转变成d l c a 模型， 并结合模型的生成过程得出混凝机理由多核羟基络合物的水解进行电中和及粘 结架桥作用促使絮体生长变成网捕作用聚集絮体。 ( 4 ) 实验为了明确铅絮体分形维数与絮体表面结构特征的关系，在絮体干 燥后进行了扫描电镜图片的拍摄以及x r d 衍射仪的测定，发现在最佳混凝条件 下絮体结构最密实，分形维数最大，同时通过分析铅离子去除率与分形维数之间 的关系，发现两者有良好的相关性，因此通过分形维数与絮体表面微观结构的测 定，可以实现对混凝效果进行在线监测，从而直接反应混凝程度与处理效果。 v 粉煤灰提取液合成聚硅铁混凝剂及铅絮体分形研究 ( 5 ) 为了确定新型聚硅铁混凝剂处理含铅工业废水的最佳水力条件，实验 将絮凝阶段的搅拌强度( g ) 和搅拌时间( ，) 分为不同的三个阶段，并利用正交试验 得出每个阶段最优的水力条件为( g j = 6 7 7 s ，t = 3 m i n ) ，( g z = 5 7 8s 1 ，t = 5 m i n ) ， ( g 3 = 2 3 9 s ，t = 7 m i n ) ，同时结合分形理论在水处理中的应用，利用分形维数对 最佳分配方案进行分析，得出每个阶段絮体适宜的分形维数分别是1 4 8 ，1 6 6 和 1 8 0 ，此时絮体结构密实而易沉降，能耗最低，因此将分形维数与能耗分配相结 合，不仅可以有效的说明能耗分配方案的合理性，而且为絮凝池的设计提供科学 的参数，使混凝阶段经济高效。 关键词：聚硅铁混凝剂；分形维数；絮体模型；絮体表面结构；能耗分配 v l 济南大学硕 学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri si n c l u d e d ：t h ep r e p a r a t i o no ft h ep o l y f e r r i c - s i l i c o n , t h ed i s c u s s i o no f t h ei n f l u e n c eo ft h eg r o w t hv a r i a b l et ot h ed l aa n dd l c am o d e ls t r u c t u r e ，t h e d e t e r m i n a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h el e a df l o e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e a df r a c t a l d i m e n s i o na n df l o e ss e ms t r u c t u r e ，t h ea p p l i c a t i o no ff r a c t a ld i m e n s i o ni ne n e r g y c o n s u m p t i o n ( 1 ) i nt h i sw o r k ，f o u n d i n gt h eb e s to p t i m u mc o n d i t i o no f t h ef l ya s he x t r a c t i o ni s t h a t10 9 lo fc o a lf l ya s h e s 、析t l l1 8 m o l lc o n c e n t r a t i o no fs o d i u mh y d r o x i d es o l u t i o n i sb a t h e do s c i l l a t o r3 8h o u r si n6 0 ( 2 ，a f t e rc o o l i n g u s i n gt h ed e - i o n i z e dw a t e r d o u b l i n gd i l u t i o nt h es u p e m a t a n ta n da d j u s t e dt h ep hv a l u et o 1 4b ys u l f u r i ca c i d s o l u t i o n ，a tl a s ti ti sr e a c t e dw i t ht h ef e r r i co fp o t a s s i u m a t4 5 。c a f t e rs e v e nd a y s p o l y m e r i z a t i o n ，t h ep o l y f e r r i c - s i l i c o nc o a g u l a t i o ni s f o r m e d t h ed e n s i t yo ft h e c o a g a u l a n ti s1 5 5 k g m 3 ( 2 ) i no r d e rt oa s s u r et h ei n f l u e n c eo ft h eg r o w t hv a r i a b l et ot h es t r u c t u r eo ft h e d l aa n dd l c am o d e l ，t h et e s ti su s e dt h em e t h o do fc h a n g i n go n ev a r i a b l e ，f o u n d t l l a tt h ed l am o d e ls t r u c t u r ew i l lb e c o m e1 0 0 s e na n dt h ef r a c t a ld i m e n s i o nw i l l b e c o m es m a l l e rw h e nt h ep a r t i c l e sn u m b e ri si n c r e a s e h o w e v e rw h e nt h ec o n d e n s e r a d i u ma n ds t e pa l ei n c r e a s e ，t h ed l am o d e ls t r u c t u r ew i l lb e c o m ed e n s ea n dt h e f r a c t a ld i m e n s i o nw i l lb e c o m el a r g e r s p e a k i n gt ot h ed l c am o d e l ，t h em a i n l ye f f e c t f a c t o ri s p a r t i c l ed e n s i t y t h em o d e ls t r u c t u r e w i l lb e c o m el o o s e na n dt h ef r a c t a l d i m e n s i o nw i l lb e c o m es m a l l e rb yi n c r e a s i n gt h ep a r t i c l ed e n s i t y ( 3 ) i nt h i se x p e r i m e n tt h er e s e a r c hg r o u p ss y n t h e s i z et h ep o l y s i l i c o n - f e r r i c c o a g u l a n t ，w h i c hi ss h o w e dag o o dp e r f o r m a n c et od e a l i n gw i t ht h e l e a di n d u s t r i a l w a s t e w a t e r , a n dt h el e a dr e m o v a li su pt o9 5 i no r d e rt oa s s u r et h ei n f l u e n c eo f c o a g u l a t i o nc o n d i t i o n t oc o a g u l a t i o nm e c h a n i s m ，t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt ot a k e t h ef l o e sp h o t o sa f t e rs t i r r i n gi nd i f f e r e n td o s a g e sa n dp hv a l u e s a n dc o m p a r e dw i m t h ed l am o d e lg e n e r a t e db ym a t l a bs o f t w a r ea n dt h ed l c am o d e lg e n e r a t e db y o p e n g l ，f o u n dt h a tt h es i m u l a t i o no ff l o e sw e r es i m i l a rt ot h ep r a c t i c a lf l o e s t i m e l y w h e nt h ef l o e sf r a c t a ld i m e n s i o ni su pt om a x i m u m ，t h ef l o e sw i l lb ef r o mt h ed l a v l i 粉煤厌提取液合成聚硅铁混凝剂及铅絮体分形研究 m o d e lc h a n g i n gi n t od l c am o d e l c o m b i n gt h eg e n e r a t i o np r o c e s so fm o d e l ，t h e c o n c l u s i o ni sg o tt h a tt h ef l o e sa r ef i r s t l yf o r m e db yc h a r g en e u t r a l i z a t i o na n db r i d g e f u n c t i o nt h r o u g hh y d r o l y s i sp r o d u c t so fm u l t i - c o r eh y d r o x y lp o l y m e r ，t h e nc h a n g e d i n t on e t t i n gf u n c t i o n ( 4 ) i no r d e rt oa s s u r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o na n df l o e ss e m s t r u c t u r e ，t h et e s ti sc o n d u c e dt h ef l o e ss e m p h o t ot a k i n ga n dx r dm e a s u r i n ga f t e r f o e sd r y i n g ，f o u n d i n gt h a tt h ef l o es t r u c t u r ei st h em o s tr e g u l a t i o na n dm e t i c u l o u s ，t h e f r a c t a ld i m e n s i o ni sb i g g e s ti no p t i m u mc o a g u l a n tc o n d i t i o n t i m e l ya n a l y z i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r a c t a ld i m e n s i o no ff l o e sa n dt h el e a dr e m o v a l ，f o u n d i n g t h a ti tc a nb es h o w e da g o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e m ，s ot h i si sn o to n l ya c h i e v et h e o u l i n e m o n i t o r i n gt h e f l o e sf r a c t a l d i m e n s i o n ，b u ta l s or e f l e c tt h ed e g r e eo f c o a g u l a t i o na n dt h et r e a t m e n te f f e c tb ym e a s u r i n gt h ef r a c t a ld i m e n s i o na n ds e m ( 5 ) h a o r d e rt oa s s u r et h e o p t i m a lh y d r a u l i c c o n d i t i o no fan e wt y p e p o l y - - f e r r i c - s i l i c o nc o a g u l a n tw h i c hi sv e r yw e l li nd e a l i n g w i t ht h ei n d u s t r i a l w a s t e w a t e rw i ml e a d t h et e s tu t i l i z eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tt os e e kt h eb e s te n e r g y c o n s u m p t i o na l l o c a t i o nd e c i s i o nw h i c hi s ( g j = 6 7 7 s 一，t = 3 m i n ) ，( g z = 5 7 8s ， t = 5 m i n ) ，( = 2 3 9 s ，t = 7 m i n ) b yd i v i d i n gt h es t i r r i n gi n t e n s i t y ( gv a l u e ) a n ds t i r r i n g t i m eov a l u e ) i n t od i f f e r e n tt h r e eg e a r s a tt h es a m et i m e ，c o m b i n i n gt h ea p p l i c a t i o n o ff r a c t a lt h e o r yi nw a t e rt r e a t m e n ta n da n a l y z i n gt h eb e s te n e r g yc o n s u m p t i o nb yt h e f r a c t a ld i m e n s i o n ，t h et e s tg e t st h ea p p r o p r i a t ef l o e sf r a c t a ld i m e n s i o nb e i n g1 4 8 ， 1 6 6 和1 8 0i ne a c hs t a g ei nt h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h i sc o n d i t i o n t h ef l o c si sd e n s ea n de a s ys e t t l e m e n t s oc o m b i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na l l o c a t i o n d e c i s i o na n df r a c t a ld i m e n s i o n ，i tn o to n l ye f f e c t i v e l yi l l u s t r a t et h er a t i o n a lo ft h e e n e r g yc o n s u m p t i o na l l o c a t i o nd e c i s i o n ，b u ta l s oo f f e rt h ec o m p a r a t i v e l ys c i e n t i f i c d e s i g nd a t af o rd e s i g n i n go ft h ef l o c c u l a t i o nt a n k ，m a k i n gt h ew a t e rt r e a t m e n t e c o n o m i c a la n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：p o l y f e r r i c s i l i c o nc o a g u l a n t ；f r a c t a ld i m e n s i o n ；t h ef l o e sm o d e l ； t h ef l o e ss e m s t r u c t u r e ；e n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o n v 1 i i 济南大学硕卜学伊论文 第一章绪论 1 1 课题背景 水是人类的生命之源，是人类一切活动的基石。但是随着城市和经济的高速 发展，我国的水资源短缺和水资源污染的问题日益严重，尤其是在工业发达地区 更为突出，这主要是因为工业废水中含有不同数量和种类的重金属离子，它们的 排放不仅会污染水源，而且还会对生物及环境造成严重的的破坏，从而对人类造 成不可逆转的危害【1 。2 1 。因此当地表水在短时间内无法修复的情况下，如何高效 的净化废水，有效地防止对地表水以及地下水的污染，成为目前水净化技术研究 的重点。 混凝作为净水处理过程中的一个重要环节，通常人们通过投加混凝剂的方式 来破坏体系的稳定性，以达到去除水中物质的目的。从目前的研究成果看，常规 的混凝剂在除浊、除色等方面取得一定进展，但在去除含重金属离子的工业废水 方面仍需要改进，因此如何研制一种新型混凝剂，能够在重金属离子的去除上取 得良好效果已越来越受到人们的重视。而含硅多核无机高分子混凝剂，因其具有 良好的混凝效果、高效的去除率、对多种不同的水质较强的适应性以及受p h 值 的影响较小【3 击l 等优点，不断受到越来越多研究者的青睐。混凝作为水处理的重 要环节，通常人们只能从混凝剂的投入和出水效果，来确定混凝效果的优劣，虽 然混凝过程中产生的絮凝体结构特性，也可作为评价混凝效果优劣的重要指标， 但由于絮体易碎和不规则的特点，以及缺乏适用的研究方法，而无法对絮凝体做 深入研究，即使国内外做了很多的研究，仍得出的结论与实际观察仍有较大的差 别，从理论上分析仍很不完善【7 - 9 1 。而分形理论1 0 1 ，作为一种新兴的研究手段， 为人们对絮体的结构与形态的研究提供了新 具【1 1 1 2 1 ，启发了人们不断通过新手 段、新技术对絮体结构进行模拟研究，从而对絮体的动力学模型和混凝机理有了 进一步的认识。 1 2 高分子混凝剂的研制与应用 混凝剂的种类发展经历由低级向高级，有单功能到多功能的变化趋势，这其 粉煤灰提取液合成聚石丰铁混凝剂及铅絮体分形研究 中无机高分子混凝剂具有比传统混凝剂高效，比有机高分子混凝剂低廉【1 3 】的优 势，而被受到广泛关注，且制备工艺已日臻成熟。就目前而言，铝系混凝剂和铁 系混凝剂是最具有代表性的的两类无机高分子絮凝剂。但是由于铝系絮凝剂在混 凝过程中产生的残余铝会影响人类身体健康，所以现在使得高分子铁盐混凝剂的 研究制备成为了热点，出现多种铁盐混凝剂，且在水处理中取得很好的效果。 1 2 1 聚铁高分子絮凝剂的研制与应用 由于铁离子也具有三价离子水解絮凝特征，因此聚铁类高分子混凝荆就是通 过聚硅酸和铁盐聚合而成的一种新型产物，其原理就是利用聚硅酸加强铁盐的凝 聚能力，利用铁离子延长聚硅酸的胶凝时间，最终聚合而成既具有电中和作用又 具有吸附架桥能力的絮凝剂。目前聚合铁盐的种类主要有聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚合氯化铁( p f c ) 和聚合磷酸铁( p f p ) 等，这类混凝剂在水处理中取得了一 定的成果。 聚合硫酸铁( p f s ) 是一种在硫酸铁分子族的网状结构中插入羟基后形成的 絮凝剂1 4 1 。聚合硫酸铁( p f s ) 最早是由日本人于1 9 7 4 年率先研发成功【1 5 1 ，并成 功取得生产专利。h a s e g a w 1 6 l 等利用铁与聚硅酸制备高分子量的聚硅酸铁阳离子 混凝剂，并进行烧杯搅拌实验，发现其性能优于传统混凝剂。p o k r o v s l i t l l 7 1 利用x 射线吸收精细结构光谱( x a f s ) 探索水合硅对铁盐水解的影响，发现当没有硅 元素存在时铁成六面体结构，有硅元素存在时铁成八面体结构，这些数据有助于 聚硅铁结构的研究。在国内，王东升【1 8 1 等以水玻璃、无机酸和氯化铁制各了含铁 聚硅酸( f p s ) ，通过实验发现当n ( f e ) ：n ( s i ) = l 、活化时间为l h 时，混凝效果最佳， 此时易形成沉速快、结实粗大的絮体。李和平【1 9 】等利用硅酸钠和聚合硫酸铁( p f s ) 为原料制备p s f s ，实验发现当n ( f e ) ：n ( s i ) = 1 5 时，产品稳定性和除浊效果均较 好。杨园晶【2 0 1 合成了聚合硅酸铁( p s f ) ，进行烧杯实验，发现u v 2 5 4 、t o c 的去 除率比传统混凝剂高出2 0 。 聚合氯化铁( p f c ) 作为无机聚铁高分子混凝剂的另一类产品，其研究制备 也已经大约有2 0 年的历史，虽然在一些方面显现优势，尤其是对低温水，但是受 制于稳定性差等原因，而无法得到广泛推广应用。衣守志【2 l 】等以酸洗废液为原 料制备了聚硅酸氯化铁，对渤海海水海水淡化进行了预处理应用研究，发现控制 济南大学硕上学位论文 条件为n ( f e ) ：n ( s 沪1 5 、熟化时间1 5 h ，此时易形成沉速快、结实粗大的絮体。 絮凝效果尤其是在低投加量时效果明显优于聚合硫酸铁和氯化铁。目前对该类混 凝剂由于对其混凝荆分子大小、所带电荷对混凝性能影响的研究罕见，从而影响 了其向更高阶段发展。 1 2 2 利用废渣制备聚铁盐絮凝剂 在环境保护意识逐渐增强的今天，如何将废渣资源化成为学者们研究的一个 热点，因为随着我国经济的发展，工业与生活中排放的废水、废液、废渣的量越 来越大，如果不对废弃物进行合理的处置，不仅占用了大量耕地，造成环境污染， 而且还浪费了废弃物中价值极高的铝铁和稀上资源【2 2 1 ，因此利用工业废渣中的稀 土资源制备混凝剂或其他材料，既可以对工业废渣综合利用，实现“以废治废， 变废为宝，又可减少废渣排放，降低环境污染。 随着我国对用电量需求的增加，目前我国每年工业生产的粉煤灰量已达到2 0 亿吨【2 3 1 ，而且还在以每年l 亿吨的速度增加。由于粉煤灰的化学成分8 5 以上为 硅、铝等元素的氧化物，在经过酸碱活化后，可制备既高效，又具有电中和凝聚 及吸附架桥作用的混凝剂。比如：米杰 2 4 1 分别利用浓盐酸提取粉煤灰 3 a 1 2 0 3 s i 0 2 ，利用硫酸提取硫铁矿烧渣中f e ”，两者混合后聚合成新型聚铁硅铝 混凝剂。实验发现此混凝荆对大麻废水中c o d c r 和色度的去除率分别是8 8 和 9 6 6 以上。李亚强 2 5 1 等通过先碱溶后酸溶，提取粉煤灰中铁和铝，并用溶出液 制备p s a f 。通过光谱实验发现混凝剂主要是通过羟基桥联的铁铝聚合物吸附乳 制品中的c o d c r 和s s 。 因此如何高效的提取粉煤灰的有用物质，并实现资源的再利用，成为目前学 者研究的重点与热点。 1 2 3f e ( i i i ) 的水解反应 f e ( i i i ) 在溶液中通常以水合铁的形式存在，主要有f e 3 + 、f e ( o h ) 2 + 、 f e 2 ( o h ) 2 4 + 、f e 3 ( o h ) 4 5 + 、f e 6 ( o h ) 1 2 6 + 、f e 9 ( o h ) 2 0 7 + ，且大鼍实验【2 6 】证明f e ( i i i ) 的 各种水解形态可以平衡共存，m e l i a l 2 7 1 通过研究发现，低聚态的氢氧化铁最稳定， 且絮凝效果最佳。 由于聚铁的水解性能弓传统f e ( i i i ) 有一定的差别【2 引，冈此f e ( i i i ) 的研究对聚 粉煤灰提取液合成聚硅铁混凝剂及铅絮体分形研究 铁的研究有着非常重要的作用。受诸多条件的影响，f e ( i i i ) 的水解聚合物的形成 及后续的沉淀过程是十分复杂的，目前提出的反应过程如下： ( 1 ) 脱质子水解反应 f e ( h 2 d ) 3 + + o h 一= f e ( h 2 d ) 5 ( d 日) “+ h 2 0 ( 2 ) 单核至高分子聚合反应 凡+ 2 0 h 一= f e ( o h ) ； ( 3 ) 高聚物水解 2 f e ( o h ) “= f e 2 ( 伽) 2 4 + 2 f e ( o h ) 2 4 + + 2 0 h 一= f e ( o h ) 6 “ 甩阮( 鲫) 】“= 牌( 伽) 】2 + 4 f e ( o m 2 + + 2 i o h 一= i f e ( o h ) 3 因此聚铁的形成为以下三种机理过程： 一f e ( o h ) + - f e ( o h ) 铮- f e ( o h ) 2 凡一= 羟桥 一f e ( o h ) + - f e ( o h ) 一凡帆一+ 胃2 0j 氧桥 i f e ( o h ) j 3 一。( f e ，o k ( o h ) p 磁) 7 3 一+ 肥2 0j 缩聚 1 3 分形理论 随着人们对混凝研究的不断深入，人们不断将混凝形态学与分形理论相结 合。分形( f r a c t a l ) 一词首先由美国数学家曼德布罗特1 2 9 1 ( b b m a n d e l b r o t ) 在 1 9 5 7 年提出，并用f 描绘和计算粗糙、破碎或不规则客体1 3 0 1 ，由于它极其广泛的 应用价值，受到越来越多人的鼋视。 分形本意指分散的、支离破碎的，主要特征是不规则、自相似性和自仿射性 【3 1 1 ，且体系是随机非线性形成，其窄间拓扑维数是分数【3 2 】。而且随着人们对分 形研究的不断深入，发现我们生存的世界中方方面面部存在着分形现象。例如， 4 j 开两大学帧卜学位论文 喧闹的都市生活、变幻莫测的股市变化、复杂的生命现象、蜿蜒曲折的海岸线、 坑坑洼洼的地面等等，从而打破了传统欧几里得几何学中所认为的各门自然科学 总是把研究对象想象成一个个规则的形体。同时分形几何则提供了一种描述这种 不规则复杂现象中的秩序和结构的新方法，让人们重新发现世界的不规则和支离 破碎，并与欧几里得几何图形相比，拥有完全不同层次的复杂性。因此分形几何 能真正揭示世界的本质和描述大自然，使人们从新审视事物的本来特征，发现其 独特之处。 分形的主要价值在于它有机地结合了极端有序和真正混沌、简单与复杂，使 得看来十分复杂的事物，可以用含很少参数的简单公式来描述，因此分形常用拓 扑学中的迭代法去揭秘几何图形中的无穷精致的细节和独特的数学特征以及连 续不断的自我复制。因此，数学家们利用分形这一特性创造出了一些具有极其特 异性质的集合，典型的分形集有以下几种： 1 三分康托集 1 8 8 3 年康托尔( gc a n t o r ) 首先提出了广为人知的三分康托集。虽然三分康 托集很容易构造，但是它却显示了最典型的分形特征。它的核心就是把线段无限 的等分，直到产生一个个离散的、无穷多的点集，如图1 1 。经无限次操作，达 到极限时所得到的离散点集称之为c a n t o r 集。三分康托集的h a u s d o r f f 维数为 0 6 3 0 9 。 l i 一一 鼍一 图1 1 三分康托集的构造过程 f i g 1 1t h eg e n e r a t i o np r o c e s so ft h ec a n t o rs e t 2 k o c h 曲线 1 9 0 4 年瑞典数学家科赫( h v o nk o c h ) 提出 k o c h 曲线。它和三分康托集 粉煤灰提取液含成聚硅铁混凝剂及铅絮体分形研究 一样，也是典型的分形结构。可根据迭代次数的不同分为三次k o c h 曲线、四次 k o c h 曲线等等，它的核心就是把线段不断向外折起夹角为6 0 。，如图1 2 展示了迭 代6 次的三次k o c h 曲线。自然界中的海岸线可用它来模拟。 a 。a 丸o k 图1 2k o c h 曲线的生成过程 f i g 1 2t h eg e n e r a t i o np r o g r e s so ft h ek o c hc u r v e 3 j u l i a 集 j u l i a 集是法国数学家g a s t o nj u l i a ( 1 9 8 1 年) 和p i e r r ef a t o n ( 1 9 1 9 年) 在发展了复 变函数迭代的基础理论后提出的。通过一个复变函数( z 川) = z n 2 + c ，在复平 面上当c 取不同值时，经过简单的迭代过程，就能生成具有奇异形状的分形图像， 如图1 3 。 ( a )( b ) 图1 3j u l i a 集( a ) 象尘埃一样的结构( b ) 象树状结构 f i g 1 3j u l i as e t ( a ) t h es t r u c t u r ea st h ed u s t ( b ) t h es t r u c t u r ea st h eb r a n c h e s 6 济陌大学硕上学位论文 4 n e w t o n 分形 n e w t o n 不仅奠定了经典力学、光学和微积分学的基础，同时也建立了一些 已被证明非常有价值的方法。例如，牛顿建议用一个逼近方法求解一个方程的根。 首先猜测一个初始点，然后使用函数的一阶导数，用切线逐渐逼近方程的根。如 方程z 6 + l = 0 有六个根，用牛顿的方法“猜测”复平面上各点最后趋向方程的 那一个根，可以得到一个怪异的分形图形，如图1 4 所示。 图1 4n e w t o n 分形 f i g 1 4n e w t o nf r a c t a l 5 n o v a 分形 p a u ld e r b y s h i r e 研究牛顿分形图形时，他把j u l i a 集合的c 加入进去，并改变了 一下算法，然后用同样的方法去估算z ，产生的奇特图形称之为“n o v a 分形图 形，如图1 5 所示。 图1 5n o v a 分形 f i g 1 5n o v af r a c t a l 7 粉煤灰提取液合成聚石丰铁混凝剂及铅絮体分形研究 随着计算机的发展，人们不断通过计算机让数学的某些内在的美直观呈现 出来，并给其形式化的表达，从而表现出许多、美妙惊奇的分形图画，令 你心犷神怡、眼花缭乱，如图1 6 所示。 图1 6 分形图像 f i g 1 6f r a c t a li m a g