（市政工程专业论文）黄河高浊度水絮凝机理探索.pdf

西安建筑科技大学 js 3 7 1 8 6 黄河高浊度水絮凝机理探索 专业：市政工程 作者：许兵 指导老师：金同轨教授 摘要 本文根据絮凝理论，通过试验，分析得出高分子絮凝剂投量对絮凝效果的影响。指出，絮 凝剂分子量越大，絮凝效果越好：絮凝剂的离子度越大，絮凝的效果好。絮凝时，当沉速一定 时，投药量y 与浑液面自然沉速x 存在幂函数关系：y = a x 6 ；在泥沙进行絮凝时，絮凝剂投 量存在起动剂量d 。，其表达式为d 】= a ( s o c 。r ，在絮凝中，投药量理论上具有最佳值y ，此 值与浑液面自然沉速u 的关系为：y = a u 6 ；表面覆盖率与表面积有线性关系，口= a s + b ，絮 凝的效果和表面覆盖率有关，n = 口l 一们。并用表面覆盖率解释了e 述关系。本文还对高浊度 水的再絮凝现象进行了描述，简述了分形理论在絮凝中的应用。 本文将透光率脉动检测絮体技术应用于高浊度水絮凝中，通过对r 值的e e 较得出絮族谤果 的好坏；和静沉的结果进行比较；指出通过r 值以及絮凝指数的比较，得出了无机絮凝剂和有 机絮凝剂共同使用的效果情况，以及先后投加顺序。并解释了有机絮凝剂和无机絮凝剂的不同 絮凝机理。本文亦论述了透光脉动技术在实际生产中的应用。 本文还对高浊度水动水试验中浑液面一定时，不同深度的泥沙浓度进行了描述，并将实测 结果和计算结果进行比较。 关键词：高浊度水，起动剂量，透光率脉动，最佳投药量，絮凝指数 论文类型：基础理论 国家自然科学基金资助项目批准号：5 0 0 7 8 0 4 3 西安建筑科技大学 t h e e x p l o r e o fm e c h a n i s mo ff l o c c u l a t i o no ft h e h u a n g h e r i v e r h i g ht u r b i d i t y w a t e r s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：x u b i n g a d v i s o r ：p r o f j i n t o n g g u i a b s t ra c t o nt h eb a s i so ft h e o r yo ff l o c c u l a t i o n , t h ea u t h o ra n a l y z e da n de d u c e dt h ei n f l u e n c eo f f l o c c u l a t i o no l lt h ed o s a g eo f m a c r o m o l e c u l ef l o e c u l a f i o na g e a a tb ye x p e r i m e n t i tp o no u t ：t h em o r e t h em o l e c u l e w e i g h to f t h e f l o c c u l a t i o na g e n t t h eb e t t e r t h ee 戤co f f l o c e u l a l i o ni s , t h eh i g h e rt h ei o n d e g r e eo f f l o c c u l a t i o na g e n t , t h eb e t t e rt h ee f f e c to ff l o c c u l a t i o ni s t h ea u t h o rp o i n t e do u tt h e r ei sa e x p o n e n tf i m c f i o nr e l a t i o nb e t w e e nd o s a g eya n dn a t u r a li n t e r f a c es e t t l i n gv e l o c i t yxo f ：y = a x 6 t h e r ei sas t a r td o s a g e d 1 i nt h ef l o c e u l a l i o no f l o e s s p a r t i e l e s ，t h ee x p r e s s i o ni s d i = a ( s o c 。y t h e r e i sat h e o r e t i c a lo p t i m u mv a l u e y i nl h e d o s a g eo f f l o c e u l a l i o na g e l 止t h e r e l a t i o nb e t w e e ni ta n dn a t u r a l i n t e r f a c es e t t i n gv e l o c i t yui s y = a u 。t h e r ei s al i n e nr e l a t i o nb e t w e a ls u r f a c ec o v e r a g e0a n d s u r f a c ea r e as ，0 = a s + b t h es u i f _ a c ee o v e r a g ea f f e c tt h ee f f e c to ff l o c c u l a t i o n , a n de x p l a i nt h e r e i a t i o nb y u s i n gs 咐蠡c ee o v e a a g e i td e p i c tt h ep l 扼m m l 盯啪o f s e c o n df l o c e u l a f i o no f h i g ht u r b i d i t y w a t e r , d e p i c t t h ea p p l yo f f r a c t i o ni nb r i e an e w p h o t o e l e c t r i cm e l h o d f o rm o n i t o r i n gl t a ef l o c e u l a t i o no f w a n m a i t t o dl i g h ti sa p p l i e dt ot h e f l o e c u l a t i o no f h i 曲t u r b i d i t yw a t e r b yc o m p 幽g t h ev a l u eo fr ，w ec a ne v a k l a t e dt h ee f f e c to f f l o c c u l a t i o n t h ea 1 1 o rp o i n t e do u tt h ee f f o c , to ff l o c e u l a t i o nc a nb ee v a l u a t e db yf l o e e u l a f i o ni n d e x ( 网t h ee f f e c to f u s i n gi n o r g a r a ca n do r g a n i ct l o e e u l a f i o na g e n tt o g e t h e ra n d t h eo r d e ro f c a s t i n gc 觚 b ee v a l u a t e db y c o m p a r i n gr a n df 1 al a s t w ed i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o n o f p h o t o e l e c t r i c m e l h o di n p r o d u e t i o r l t h ed i s c o u r s ea l s od e p i c tt h ec o i 商s i 删o f d i f f e r e n t d e e p n e s si np r e c i p i t a t o r ，w h e n 妇i n t e r f a c e i saf i x e dv a l u e , a n dc o m p a r et h en l e a 嗣鹏r e s u l ta n dc a l c u l a t er e s u l t k e y w o r d s ：h i 曲t u r b i d i t yw a t e r , o p t i n l l m 1a g e n td o s a g e , s t a r td o s a g e , f l u c t u a t i o no f w a n s m i t t e d l i g h t f l o c c u l 鲥o ni n d e x p a p e rt y p e ：f u n d a m e n t a l t h e o r y t h i sr e s e a r c hi s 弘n 。d b y n s f u n d e r5 0 0 7 8 0 4 3 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的酽究成果，也不包含本人或其他人在其它单位己 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名： 日期：锣哆，；。够 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：印岳导师签 注：请将此页附在论文首页。 锈瓤一一夕珞 嚣安建筑辩较大学 l 。1 高浊度水的概况 l 。l 。l 譬l 言 1 绪论 我莺怒赢浊度瘩 嘁众多静匿豢，据多年褒攫l 爨糕绫诗，冬平均竣沙量在1 0 0 0 万穗黻上黪 河流有4 2 条，年墩大输沙瀑超过1 0 0 0 万吨的有6 0 祭。直接入海泥沙憩薰年平均为1 9 4 亿吨， 其中黄弼蠢5 9 。在世界大河流中，悬移质年辕沙鼹量超过亿吨黪蠢1 3 条，黄涎零平均辘 沙总量和簪平均含沙量居首位，多颦平均沙蓬为1 6 4 亿吨和3 7 6 公斤立方米，些支流的 年平均含沙量也接避5 0 0 公斤立方米，最大含沙量蠢嬲41 5 0 0 公厅立方米，相当于含沙 体积百分比5 5 6 - 6 0 4 。我国永资源总量为2 8 亿应方米，但几均占有量很低，只相当于世 羚人均的l 4 ，且有眠的水瓷源分布也不均匀，在黄浞流域，a 均水炎源量习孓避世界鳃l 1 g ， 黄河成为我国西北和华北魄区的重要水源。襁我国，商浊度水河流域 口粗略估计约占貔国总 人口的3 5 ，目工农业生产值所占魄铡也大，随着生产建设黪器要，黄河成为越来越多靛厂矿 企业和城市的重要尔源，确黄河流域的永资溯寺别贫惹，人均占有水激仅是世界值的l 1 0 。 所以，为了更加合耀的利用现有的水资源，邀步研究离浊度水资源悬项十分重要蛇谯务。“3 柏 在我阐给永工程牢，通常将含沙霾较高，有清晰弊面分选沉降的含溺冰律称为高浊废水。渤 高浊度水和一般浊度水是不同的，宙的沉降麟于干扰沉降，这是因为赢浊度水本身的特性决定 静。 ( 1 ) 高浊度水泥沙颗粒的电化学特性 泥沙簸予含电鸯晕质的永中，其表面带有一定性质的电荷。黄河泥沙表面多带负电荷。 主j 予 表面电荷的吸引，水体中芷离子被吸引在颗粒外表周围，形成反离子双电层。颗粒表西的电荷 弼时邀霰零| 求分子，在鬏粮表面负电蘅静辫弼j 下，靠近颗粒表面的永箭子紧密、整齐地摊列在 四周，这部分水称为粘结水。粘结水具有极大的粘滞和抗剪强度，可以和颗粒本身共同运动。 鬻雾涟稽缭隶乡 瑟瓣东分予瞧受到静电作嗣，僵垂于耀离愈逯，吸 l 稚用愈小，分子| 防8 t 较 西安建筑科技大学 疏散，这部分水叫做粘滞水。粘结水和粘滞水共同构成吸附水膜。 吸附水膜可视为泥沙浓度的一部分，泥沙浓度和因吸附水膜而增加的浓度，统称为高浊度 水的有效浓度。 对于颗粒较细的泥沙来说，其水膜对颗粒运动的影响相对较大，特别是黄河高浊度水细颗 粒泥沙，其矿物组成以蒙托石和伊利石为主，这两种矿物质结构多呈片状，表面积较大，吸附 水膜体积比相对较高，因而细泥沙的电化学作用和对水体特性的影响作用也更加突出。所以， 高浊度水的泥沙浓度和粒径组成是影响高浊度水流变的主要因素 ( 2 )高浊度水的自然絮凝特性 泥沙颗粒愈细，其重力作用愈小，颗粒之间的分子力作用就愈强，当带有吸附水膜的颗粒 相互接近时，会形成共同的吸附水膜，并将分散颚粒结合成整体，这种结成集合体的作用称为 絮凝。 在高浊度水中，泥沙颗粒愈细，泥沙浓度愈高，颗粒间的距离愈近。同时，由于细颗粒泥 沙形成公共水膜后，反离子层中离子的吸引和结合作用更加加剧。水中泥沙在不加入絮凝剂的 条件下，泥沙本身的吸附、结合作用称为高浊度水的自絮凝。自絮凝产生的絮体较松散，中间 含有大量的水份，比重比单颗粒泥沙小，体积比泥沙颗粒体积大，而且要受外界水流条件的影 响，所以，高浊度水的自然絮凝比较复杂。经过研究表明，当粒径 e 时，为吸附良好，这时 e 口兰r o - s 即所需投药量与分散相的总表面积成正比。 当e e 时，为吸附不良，这时 c 扩( 与心 即所需投药量与表面积无关。 从以上分析可知，c f 口随s ”而变化，此处0 5 月1 。 b a6ehkob ，e 认为浓度是决定投药量的主要因素，在下式中即可出 2 嚣安建筑辩技大学 d = k ，0 缸+ 瞩+ 嵌：旺+ 薏。尸 式中：d 一混凝剂最健投量； e 一痰串杂震豹重量浓痊； g 一混凝剂水解产物的重量浓度； 爱；一痰混凝蠢g 窳簿产物糙稳特镶褒决寇瓣系数； 疋一考虑混凝过程动力学特性的系数； k 一考虑杂囊载径维裁瓣系数； 一一与混凝剂化学条件有关的指数。 在嵩浊度求援麴p a m 鬓麴研究方瑟，兰媸耋来拳公霉最先骰了较系统熬磷究帮试羧，蓬窭 了投药量与稳定泥沙含量的关系，描出“当黄河水中泥沙基本上全为稳定泥沙戏，混凝剂起动 叠量与稳迩淀涉含爨嚣老之润存在豢嶷磐关系”。毽爨炳以餐窭，当嚣稳定淀涉客量占稠当魄 侧时，上述关系将受到影响。 怼与潍来说，颗粒静动电整磋i 起决定愁捧矮。鬻屋在炎然衷豹条佟下，躐篷对p a m 豹繁 凝效果没有显著影响。因此，以颗粒比表面积作为主要参数来计算p a m 的投鬣是可能的。 金围辕教授等辗攥s t 悯耪0 m e li a 瘦弱鲍l a n g m u i r 公式经过大量豹试狻箍窭了翔鬏粒 比表面积作为参数来计算p a m 的投鬣的论点和方法。即在投药后浑液颟沉速相同的条件下，单 锻水量中陨体颞粒总表面积s 。( 米4 舞) 与咖投量d ( 毫宪，舞) 截更好的器函数关系：嘲 d = f 媾p 1 。堪s ? 式中：d 、b 一经骚系数； s ，= s o c ， 式中：s o 一单位质量泥沙颗粒所拥有的表两积，米2 克： c 。一泥沙的质量浓度，克转。 1 3 西安建筑科技大学 3 1 实验设计及方法 3 1 1 实验用泥沙 3 高浊度水的静沉试验 试验所用泥沙为黄河泥沙，取自黄河中e 游青铜峡。泥沙经西安市市政管网水浸泡分选， 共分成两种级配。同时，选用西安黄土，也分为两种级配。这两种泥沙的比表面积的测定根据 文献“2 3 得出，其各自比表面积如下表 泥沙编号 a #1 3 #c 抖d 群 比表面积( m 2 7 9 ) 0 4 1 60 8 2 10 3 9 10 6 2 6 其中a # 为青铜峡颗粒较粗泥沙，b # 为青铜峡颗粒较细泥沙； c # 为西安黄土颗粒较租泥沙，d 为西安黄土颗粒较细泥沙。 3 1 2 实验用药剂 本试验所采用的药剂均为阳离子絮凝剂( 由智洁公司上海办事处提供) ，其分子量为6 0 0 1 0 0 0 万，根据文献嘲可咀得出絮凝剂的分子链长约2 0 3 0u n l 。 3 1 3 试验设计 试验在容积为1 l ( 高3 1 6 m ，直径6 3 5 m m ) 的十个沉降柱中进行，沉降柱底部平整，用有 机玻璃制成。以不同粒度的泥沙配成不同浓度的浑水，然后按其粒度和浓度投加不同量的p a m ， 用带孔圆铁片制成的搅拌器搅拌要控制搅拌器的移动速度，除在上、下端点处速度变化较大 外，在移动过程中尽量保证匾速，搅拌器上下移动距离平均为3 0 0 m ，这样保证混合的均匀性， 并不使空气卷入。再进行静止沉降，记录其在不同时间的浑液面位置，根据文献m 计算出温度 为2 0 c 时的平均沉速。o ”同时做不加药的自然静沉对e 匕试验。含沙量测定采用比重瓶( 1 0 0 m l ) 置换法，温度计可精确至0 1 。 高浊度水絮凝的最佳贸值较小，般该值在1 7 0 0 - 2 0 0 0 间波动“，这与低浊度水混凝是 显著不同的。且在最佳6 7 值附近有个絮凝效果较好的范围，般为最佳卯值的上下5 0 0 以 内。超过此范围，絮凝效果变坏。因此，对最佳凹值的准确控制十分重要。 1 4 疆安建蟪辩技夫学 试验中搅拌器为直径d = 5 2 m m | 勺圆铁片，钻有1 8 个圆孔( 内6 外1 2 ) ，孔径垂= 7 o m m 。手 韵揽捧对程l s 串蔓下瓣5 凌，涟囊搽菠g 筮 葬方法参照文献渊。对子含宅璃为l o o k g h 的高浊度水样2 0 时经计算其u 釜4 3 9 s ，搅拌历时1 0 s ，6 7 = 4 3 9 0 。混合反威中采用这个固定 瀚贸毽，器受拳滋、含沙鬟竣及搽终条转静影舔会绞有薮动。 3 。2 絮凝裁分子量蕊测定 试验中蘑蕤凄法涎定褰分子豫螽裙熬分子量，掰耀鼗设备簿摹，撩佟氇滋较容荔，述霹滚遮 剿较高的精度。 褰努予捷台麴 至耩溶泼申馥鹣瘦翳霞了涟蒋在流瀚过程孛懿痨i 斡熬| 鬟索毯箍：霜纛糖寻龟 浴利分予之间的摩擦这种麟擦表现出来的粘度称之为溶剂粘魔：其次魑高分予与高分予之间的 鬻攘鞋爱离分子与溶懿之间戆悫摩绦这三静摩攘豁慧窝转现了溶裁静旗褰。 蚍仉代表纯溶剂的粘麋，叩代袋三种摩擦总和形成的粘脱在相i 弼的温度下： 鼙 繇 因溶剂中加入商聚物阻后而增加的粘魔分数称为增比粘魔，以冲。表示： 帮。= 至益= 旦一l = r , 一i r oq o 式中鼢壤舔乏鸯提越精度；蹩滚漆糖爨醐察骞 擞壤黪撼对壤 宅代表整令溶液戆穗发簿灸； 丽是扣除了溶剂分子2 间的内麟擦效应所余下的纯溶剂与高分子志间以及黼聚物分予之间 黪蠹摩擦散泣陵罄溶凌浓庹魏变纯牯度瞧瓣之发生焚纯在誉霹浓度8 重 萃整浓度爨鬟示邀寒 的粘度以叩形表泌成为增比游搜。 为了消除高分予与高分子之间的内摩擦散应，采取将浓度滗限稀释，使高分予聚合物之间相 置原离这样，高分子_ 之超静摩擦就餐殴蓦堍此跨懒呈瑗爨来煞数凄 炎主要是爱跌毫分 予也溶剂分子之阐的内摩撩这一浓度值为： 慧警= 翻 h o ， 。6 豁之巍特懊粘度。 高分子化合耪的分子黧越大，它与溶剂之间韵簿濂也越夫，表现出涞的秸魔识大斯茑定格 我赛了瑶e 与大分子戆分子量藏驻魄囊浆寿太逶遗斌验与疆瓷考蕊，把这令瑾瓷纛瓣与蔫 聚物毂磷究上，褥感特性牯度与裹聚按分子量之间的头系姆半经验公式： 嚣安建筑科技大学 嘲= 董夏“ 液体在毛细管粘度计内因重力作用而流出时遵守下列公式： 翌：贼g r t 一卅三 p 8 1 v8 ，r l t 对巢种粘魔计而言，可改写为：翌：m 一墨 p t b 1 ，当流出时筒大于两分钟瞳羔可瓯卷昭不计，又因为铡定粘度蹩在极稀的溶液中避伉所 苏港渡豹餐度也滚赛4 的密度远 基媚簿，在这耪蘩终芄霹薅稿瓣糕度写残： 轨= 旦= 上 野。 # 而增比粘廒：秘p = 一l 特性粘度：陆圃 目前我国粘度法测定聚丙烯酰胺的推荐公式为：【叩】= 3 7 3 x 1 0 “m “，m 根据此式计算p a m 的 平均分子爨。 试验中采用了三种阳离子絮凝荆f 0 4 1 9 0 s h 、f 0 4 2 9 0 p 昧f 0 4 3 5 0 s h ，经过粘度法澳4 定，试验 缎果如下袭： i药荆 f ( ) 4 1 9 0 s hf c l 嘎2 9 0 p 矗f 0 4 3 5 0 s h i特性黻度嘲 9 3 7 51 2 6 5 8l o 黢s 根据袋式白】= 3 ，7 3 x 1 0 。m 。“计算出f 0 4 1 9 0 蹦势子量为4 + 6 1 x 1 0 6 ：r ) 4 3 5 0 s h 分子量为 5 3 8 1 0 6 ：f 0 4 2 9 0 p 岛分子量为7 3 2 x 1 0 6 。分子照的大小关系为f 0 4 1 9 0 s h f 0 4 3 5 0 s h f 0 4 2 9 0 p c m 。由于公式系数的不确定性，计舞出的5 争子量可能与实嚣德存一定误差， 獭计算出的分子羹的大小关系是确定的。 3 3 不同药掰下沉逮及余浊的比较 p a m 怒线性高分子，由几万至肘万静碳一碳键构成，由予碳一碳键豹海旋转，就会有不 同的分子构型。r a y l e i g h 从统计力学的观点出发，把碳一碳键视为刚憾捧而对遮种构型进行了 猕述，提潞无规行迮模型，该模羹帮理解为向量x 在空间自蠢意改交向薰角所褥的n 个囱蓬的加 秀安建筑科技太学 粒，积淘襞麴长发喜之为均方摄拳攒距e 2 。萝，均方援寒端题越大，蒺絮凝效果越好。抽 根据e i n s t e i n 公式可以导出： h 】观s 等删x 菩 对为阿佛加德罗常数； r e 3 为等效溅体力学举径 假定r e 与高分子线性长度成正比例，则有； 纠：航 另宥糊= 茁丽4 成立，两式合并，褥： 秘：。声= 棚8 其中，a ，b 均为系数， 可以蒋出均方根末端躐和高分予的分子最成比例袋系，分子量越太，其均方根末端距就越 大，絮凝效果裁越好。 对于f 0 4 1 9 0 s h 、f 0 4 2 9 0 p g ，和f 0 4 3 5 0 s h 三种絮凝荆，其分子爨有f 0 4 1 9 0 s h f 0 4 3 5 0 s h f 0 4 2 9 0 毪，所以三者的均方根拳端距也蠢上述关系，其絮凝效果也应如此。 如图： 051 01 52 0 投莼量 图3 一l 投加不同絮凝剂时沉速之比较 飙萄3 一1 种很明显看出絮黻簸采静麓嗣，在捐同投药量下均方根末端距大的絮凝荆 夸8 7 8 5 4 3 2 l e 沉速 西安建筑科技大学 f 0 4 2 9 0 p g 。的浑液面沉速撮大，f 0 4 1 9 0 s h 的沉速最小。 同样对于浊度作比较： 2 5 0 2 0 0 浊1 5 0 度1 0 0 5 0 o o5 1 0 投药量 1 5 图3 2 投加不同絮凝剂时余浊之比较 从图上看出使用絮凝剂f 0 4 3 5 0 s h 的余浊要比使用絮凝剂f 0 4 1 9 0 s h 的余浊要小，说明絮凝 剂f 0 4 3 5 0 s h 的絮凝效果好但是絮凝剂f 0 4 2 9 0 p g 3 对余浊的效果却不好，这和沉速与投药量的 关系是不相符的，主要是因为絮凝剂f 0 4 2 9 0 t b 和其他两种絮凝剂的离子度不同，造成这种现 象。一般在絮凝剂与泥沙颗粒之间的多种相互关系中，电荷中和和吸附架桥作用是最主要的。 絮凝剂f 0 4 2 9 0 p g 。的离子度比其它两种絮凝剂弱，它的电荷中和作用就比较弱；更主要的是在 水中的泥沙颗粒胶团多带负电荷阳离子絮凝剂基团带正电荷，其离子度越高，所带正电荷越 多，更容易和泥沙颗粒表面吸附结合形成架桥作用，而目这种吸附结合更牢固，形成的絮体结 构更密实，絮凝的效果更好。所以，投加絮凝剂f 0 4 2 9 0 p g ，后，上清液的余浊相对比较高。 3 4 有机高分子絮凝剂投加量与浑液面沉速的关系 静沉试验中，将青铜峡和西安黄土加西安市政管网水配制的泥样搅匀后，分别加入到十个 有机玻璃沉降柱中，在十个沉降柱中分别加入不同剂量的p a m ，其中个不加p a m ，进行一系列 静止沉降试验。 在开始加药剂量比较小时，沉降速度和自然沉降时没有明显区别，但当加药剂量超过某一 值时，沉降速度会明显加大。也就是说，当混凝剂投量低于某临界值时，加药对沉淀没有影响 这时浑水的泥沙沉降主要表现为自然沉降。随着投加量的增加，当投加量超过该临界值后，浑 液面沉速将随投药量的增大而迅速增大。高浊度水混凝沉淀中的这一临界投药量称为混凝起动 聪安建筑辩救太学 麴爨。”懿嚣3 3 舞示： 投期蠡d ( 端儿) 躅扣旧投鸷鬟与洋域蕊沉速麴关系 濑糕起熟栽登雩零巾滋渗赠瀚潆溺褡溥s 羚辩明显静美篆。箕裘蠛辫最海：怒穗懿| 燮熬潺沙 麟随袭葡熬鲍增翔 i 蠼穴。途种现象的出现i 下瓣释：漉上的吸附瞧霈每l 剃的 溪链熬鳍合，君能形戏絮凝薅。淀沙鞭羧表露积南欧，要求毒之螭台懿蕊翔量斑越夫，鲰暴游 沙灏羧较糕，蔟表瓣积必然小，在一定稷嶷下，瓤骥渤旮舫予提蕊絮凝，翱犬葵沉涟，城 乡蕤裁期璧。n ， 在_ 系秘浓翩拢袭西糗穗黼熬混榉巾，静剃靛次匀眵穗鼹不掰粒p a l l ，避褥霸擎移熬詹观 繁潮豁赣躐蕊速。试蝴戆是魄豪藤联分嚣麓q4 l 耐耩氇8 2 l 黥鬻镳块滗撵，在磐窘簿 沉1 5 0 分钝后，褥刘一蔟刘匈刍h 莼蕊捆掰斑晒瀵，凝瑗分辑数摇，如下圈； 辫q潮争喝 麓器鞭摧嚣 西安建筑科技大学 1 0 0 起 翥，。 量 起 动 剂 量 图3 娟图3 _ 7 图3 4 、图3 6 分别是在絮凝剂f 0 4 1 9 0 s h 作用下的起动剂量与取自青铜峡和西安黄土泥 沙颗粒表面积的关系；图3 5 、图3 7 分别是在絮凝剂f 0 4 3 5 0 s h 作用下的起动剂量与取自青 铜峡和西安黄土泥沙颗粒表面积的关系。从图上可以看出，起动剂量与泥沙颗粒表面积存在幂 函数关系，i i j d = 4 s 。c wr ，按本试验结果，絮凝剂f 0 4 1 9 0 s h b 值约为1 1 1 2 5 ，d 值约为 l 6 1 0 。絮凝剂f 0 4 3 5 0 s h b 值约为1 6 6 l _ 8 ，口值约为l 3 1 0 。根据参考文献“”， 其表达式为：d 。= 4 3 7 x 1 0 。( s o q ) 2 。“。这两式只是系数不同，这可能是由于试验条件的原 因，但规律是致的。从表达式的形式看，起动剂量与颗粒的表面积成比例，颗粒的表面积越 大，其起动剂量就越大。这和试验结果是相符合的。 3 4 2 高分子有机絮凝剂的最佳投药量 在静沉试验中，随着投药量的增加，浑液面沉降速度也随之增大。但当投药量大到一定程 度时，浑液面沉速增大的趋势逐渐交小，一直到沉速增大到最大，然后，如果继续增大投药量， 沉速会变小。这是因为此时产生的絮体很大，形成个整体一起下沉，同时由于投加的絮凝剂 量很大，使水的粘滞性增大，也会造成沉速下降。这样就有一个最大投药量，如图3 8 ： 沉 速 最大投药量投药量 图3 - _ 8 2 0 西安建筑科技大学 当投药量为最大投药量时，泥沙颗粒所产生的絮体很大，沉速也最大，表面上看絮凝效果 最好，但是这时的投药量很大，这在实际生产中是不符合经济效益的。而且在水中残留的p a m 过多，对人身体健康会产生影响。这样就存在个最佳投药量，它既能产生较大的絮体，使絮 体具有较高的沉速，又符合经济效益。如图3 9 ： 沉 速 u 图瑚投药量p 根据图3 _ _ 9 可以看出，沉速与投药量的关系呈s 型曲线，曲线中有个拐点，拐点所对应 的投药量即为最佳投药量，对应的沉速为最佳沉速。嘲因为在该点加入单位水体中p a m 药量的 微小变化可以引起浑液面沉速的最大变化。 正如前面姆0 的，按般的絮凝机理来说，絮凝就是高分子絮凝剂一端的活性官能团吸附 在颗粒上，而另端的官能团吸附在其他颗粒e 形成架桥。当絮凝荆用量过大时，每个颗粒都 吸附了大量的高分子化合物，则此种颗粒就没有空余的表面，就超出了实现架桥作用的范围。 当高浊度水内悬浮颗粒表面积一定时，为促使它们形成大量凝胶团的p ： m 数量就一定。适 量p a m 投入后，几乎每根p m 分子链均可作为凝胶团的骨架，使凝胶团结构充分发展。过量 的p a i i i 投入后，由于泥沙颗粒向p a m 分子链的吸附，而且被吸附的泥沙颗粒又会因特殊部位长 程力作用而絮凝形成凝胶网状结构。多余的p a m 分子链会因为凝胶结构的迅速形成而包裹，即 并不是每一根p m 分子链均起诱导骨架作用。 当投药量达到最佳投药量时，所投加的絮凝剂都完全用于架桥作用，当超过最佳投药量时， 开始有部分絮鞠峁l 对泥沙颗粒产生凝胶保护作用，表现为絮体增长的速度变慢，随着投药量的 增加，这种变慢的趋势越来越明显，最终，絮体不再增长，这时，参与架桥作用的絮凝剂高分 子链数目最多。 按文献嘲所述，泥沙颗粒表面积与浑液面自然沉速有一对应关系，而泥沙颗粒表面积s 与颗粒表面覆盖率口是有关系的，根据文献嘲提供的计算方法，可以计算出删在泥沙鄹粥嚷面 覆盖率它和泥沙颗粒襄醒线形关系，即口= 西+ 6 ，aj b 为待定系数。所以，浑液面自然 2 l 西安建筑科技大学 藏逮努定霸表嚣覆盏率有关系，按基本壤论孛掰遴，最臻投莼蘩与表瑟覆箍率毒女下关系： c z o = - 南n + 甄( 1 一训 所以，最健投药量与浑液丽自然沉速存在函数关系。将实验数据整理如下图： 最 佳 投 莼 璧 塑3 1 0 图卜n 图- 1 0 和图卜11 分别为投加絮凝荆f 0 4 3 5 0 s h 和f 0 4 1 9 0 s h 下，最佳投药量和浑液面自 然沉遥盼关系，两者符合幂函数关系。箍体关系如下表； 授拥絮凝麓 经验关系式 栝关系数 冈1 4 3 5 0 s h1 i r ：1 3 6 矿“o 。9 5 8 3 f 0 4 1 9 0 s l 7 = 2 。6 1 4 x 4 ” 0 9 4 5 6 蔽女h 不闻羽絮凝裁，最佳投嚣量和鑫然流逮酶关系建不耜同鹃。鲡表率所示鳓h 絮凝髓 f 0 4 3 5 0 s h ，其最佳投药慧随浑液黼自然沉速增大目蹶别、的趋势大。遂也从另个方阐证明了絮 西安建筑科技太学 凝剂f 0 4 3 5 0 s h 的絮凝效果好。 但是这里的最佳投药量是理论值，在实际生产中往往选用固定的沉速，一般采用沉速为 0 5 一1 0 1 1 1 1 1 , 3 ，这样实际最佳投药量往往小于理论值，根据实验结果，按不同沉速下，整理投药 量和自然浑液面沉速的关系。 图3 - - 1 2 浑 黼沉速与投药量关系( 絮凝剂为f 0 4 1 9 0 s h ) 图3 _ - 1 3 浑液面沉速与投药量关系( 絮凝剂为f 0 4 1 9 0 s h ) 图3 - - 1 2 和图3 _ _ 1 3 分别是取自青铜峡泥沙和西安黄土投加絮凝荆f 0 4 1 9 0 s h 时，浑液面自 然莎德和投药量的关磊两者在双对数坐标下符合直线关系，因此，两者具有幂函数关系。 疆安建筑辩投文学 鞭3 _ q 4 浑渡黼巍然滋速舄投势堂装系 o 5 ，羽陇架桥作用所锨顿的泥沙耘| 粒哮湎吸附活性点少，链环和链端部分濉以伸展捌 西安建筑科技大学 溶液中去，使架桥变得困难。 3 4 3 泥沙表面覆盖率 絮凝过程主要包括两个步骤：田1 1 ) 聚合物在颗粒表面的吸附； 2 ) 颗粒碰撞导致架桥形成。 l am e r 等认为泥沙颗粒絮凝速率等于颗粒碰撞频率与颗粒碰撞效率系数的乘积，而颗粒碰 撞效率系数a 是由表面覆盖率决定的，a ：郇一口) 如前一节所讲，最佳投药量也与表面覆盖率有关：2 i 若【l + r s r o 一目) 】。因此 看来，在絮凝过程中，颗| j 宜表面覆盖率是非常重要的。 根据文献m 1 ，絮凝剂在水中呈现卷曲状。当泥沙颗粒粒径在0 卜1 0 删，絮凝剂分子量在 2 0 1 0 0 0 万时，单个絮凝剂的回转半径为0 0 1 _ 0 2 胛。根据公式：p = 4 r g 一。单个絮凝剂吸附面积 r 。单个絮凝剂回转半径 可以计算絮凝剂的吸附面积，计算后得絮凝剂的吸附面积，其中，絮凝剂f 0 4 1 9 0 s h 为 0 0 1 4 胛z ，絮凝剂f 0 4 3 5 0 s h 为0 0 2 3 9 z 。 泥沙表面覆盖率可用下式求得： 肚毒乏 ( 1 ) 根据s t u r n m 和0 m e l i a 的研究嘲，吸附能力常数r , n 和平衡常数k 在一定吸附体系中可认 为是常数。而表面覆盖率的大小较为复杂，它与颗粒性质、吸附剂性质、投药量以及颗粒比表 面积的大小有关。根据文献嘲，在同絮凝沉速下，表面覆盖率0 与泥沙颗粒表面积s 有如下 关系： 0 = 丘s + b 1 ) 起动剂量与表面覆盖率的关系 当投药量为起动剂量时，投药量比较小，所投加的絮凝剂可以认为是全部用于絮凝，在溶 液中无残余絮凝剂，因此，按公式( 1 ) 算出泥沙颗粒的表面覆盖率。 两安建筑科技大学 0 2 5 0 2 表 面0 15 覆 盖0 1 室 0 0 5 0 2 0 0 0 04 0 0 0 06 0 0 0 08 0 0 0 01 0 0 0 0 01 2 0 0 0 0 表面积( 平方米立方米) 图3 1 6 不同表面积投加量为起动剂量时的覆盖率 从图上看出，当投加量为起动剂量时，泥沙颗粒的表面覆盖率比较低，如前面所讲的颗粒 碰撞效率系数口是由表面覆盖率决定的，a = 一( 1 一口) ，当覆盖率比较低时，a 值e 匕较小，这时 的絮凝效果较差。根据计算的结果，表面覆盖率随表面积的增大而增大，这说明当表面积增大 时，所需投加的絮凝剂也要增加，两者并不是线性关系，而是符合幂函数关系。表面积增大， 絮凝镕惜咖量成比例增大，而表面积增大小，相应的表面覆盖率也增大，也鬯成投药量增大， 投药量增大的部分是由这两方面的原因共同造成的，所以，起动剂量和表面积应该呈幂函数关 系。这和前面的实验结果是相符合的。 2 ) 理论最佳投药量和表面覆盖率的关系 按理论上絮凝时，两个颗粒之间要发生絮凝，其中一个必须吸附有絮凝剂高分子长链，另 一个颗粒要有空白吸附位，这样两个颗粒之间才能发生絮凝，照此推算，当泥沙颗粒表面一半 吸附有絮凝齐怅链，另一半是空白吸附位时，絮凝的效果最好，此时的表面覆盖率为5 0 ，此 时的投药量即为理论最佳投药量。当投药量为理论最佳投药量时，这时所投自i ：1 的絮凝剂应认为 是刚好完全被泥沙颗粒吸附。当投药量小于理论最佳投药量时，泥沙颗粒表面还有空白吸附位， 絮凝效果没有达到最佳，当投药量大于理论最佳投药量时，过多的絮凝剂会缠绕在泥沙颗粒表 面，形成凝胶保护，絮凝效果会下降。 在沉速与投药量的关系图中，将拐点处的投药量称为最佳投药量，按前面所述方法计算此 时的表面覆盖率。计算时，认为此时投加的絮凝剂刚好被泥沙颗粒完全吸附。 西安建筑科技大学 表 面 覆 盖 室 0 6 0 5 0 1 0 02 0 0 0 04 0 0 0 06 0 0 0 08 0 0 0 0 1 0 0 0 0 012 0 0 0 0 表面积( 平方米立方米) 图3 1 7 理论最佳投药量时颗粒表面覆盖率 如图3 - _ 1 7 可以看到，此时颗粒的表面覆盖率在5 0 左右，这和理论上是符合的。从国上 还可以看到，投加絮凝剂f ( ) 4 3 5 0 s h 时的表面覆盖率比投加絮凝剂f 0 4 1 9 0 s h 时的覆盖率要高， 这也说明了絮凝剂f 0 4 3 5 0 s h 的絮凝效果比絮凝剂f 0 4 1 9 0 s h 好。 3 4 4 有机高分子絮凝剂投加量与沉速的关系 将静沉试验结果整理如下图 3 0 2 5 2 0 o 1 5 1 0 5 0 12 3 浓度7 5 ，比表面积o 8 1g u 一1g u i 图3 - _ 1 8 3 0 25 2 0 o l5 1 0 5 0 0l2 3 浓度5 0 比表面积o 8 lgu lg “1 图3 一1 9 西安建筑科技大学 4 0 3 0 a 2 0 10 0 0l23 浓度75 公斤，比表面积0 4 1 9 u 一1 9 u 图3 _ 2 0 5 0 4 0 口3 0 2 0 1 0 o 0123 浓度1 0 0 ，比表面积0 81 9 u l g u l 3 0 2 5 2 0 凸1 5 1 0 5 0 图3 _ - 2 2 0l 23 浓度1 0 0 ，比表面积d 4 l g u - l g u l 4 0 3 0 。2 0 1 0 0 01 2 浓度1 0 0 ，比表面积0 4 3 0 2 0 o 1 0 0 图3 2 1 3 1g i , l o 51 52 5 浓度7 5 比表面积0 4 g u l g u l 图3 2 3 图3 2 4 图3 1 8 到图3 2 0 所用的絮凝剂为f 0 4 1 9 0 s h ，图3 2 1 到图3 2 4 所用的絮凝剂是 f 0 4 3 5 0 s h 。从上述图可以看出投药量d 和沉速的对数t g u - l g u l 是有线性关系的。图中的u 是投 加絮凝剂后浑液面的沉速；u 1 是自然沉降时浑液面的沉速。 一 将数据整理入- f 表- 西安建筑科技大学 比表面积( m 2 g )浓度( k g m 3 )表达式相关系数 o 87 5 y = 7 8 2 6 x + 7 4 4 6 0 8 8 2 1 o 85 0 y = 7 7 3 4 x + 5 1 9 0 0 9 4 0 5 0 47 5 y - - 8 9 1 8 x + 4 4 2 8 o 8 8 3 5 0 41 0 0 y = 9 1 7 6 x + 6 3 2 3 0 9 5 6 8 0 8l o o y = 1 0 7 5 3 x + 1 4 8 5 40 9 4 2 7 0 47 5 y - - - 6 6 1 4 x + 5 9 3 80 9 3 6 8 0 4l o o y = 8 8 3 2 x + 6 8 5 7 0 9 7 5 2 这种关系总结起来可以用下式来表示m ： d = d 1 + k ( 1 9 u l g u l j d p 蛳投加剂量( m g l ) ： n 一起动剂量( m g l ) ： u 一投加剂量位d 时的浑液面沉速( m s ) ： 讲一自然沉淀浑液面沉速( m s ) ： 足一系数 根据试验得到的k 值变化范围不大，基本在6 - - 1 0 之间，尤其是对于比表面积相同的泥样， k 值的变化范围更小。起动剂量的存在证实了絮凝动力学的正确性。应用此公式确定投药量比 较繁琐，要知道起动剂量以及不同投药量下浑液面的沉速才可以求出投药量。 3 5 高浊度水的再絮凝 黄河水泥沙含量很高，经絮凝沉淀后产生大量沉泥，能否利用这些沉泥是非常重要的问题。 因此，我们考虑对黄河泥沙进行再絮凝试验。 本试验是将浓度为5 0 公斤立方米的泥沙先浓缩到浓度为2 0 0 公斤立方米，然后加药再 次进行絮凝。采用的药剂为f 0 4 1 9 0 s h 。 根据试验结果得出沉速与投药量的关系，如图3 _ _ 2 1 ： 西安建筑科技大学 o2 04 06 0 图3 - - 2 1 8 01 0 01 2 0 投药量 可以看出再絮凝试验得到的沉速与加药量之关系合前面静沉试验得到的关系是相似的，也有起 动剂量和最大剂量。这说明再絮凝的机理和絮凝机理是样的。絮凝试验中，在不加药时，泥 沙颗粒产生自絮凝现象，产生的絮团体积比较小，大部分直径为l 6 i 册。较大絮团的直径在 l o 2 0 p m 。自絮凝产生的絮体对于片状泥沙的边面结合，形成“工”字型和“l i ，结构，而 对于球状颗粒其絮体结构可假设为正立方体形c 1 2 1 , 加入絮凝剂后，发生架桥作用使絮体增大， 变得更加密实，沉速也相应增大：再絮凝试验中，开始加入的絮凝剂使泥沙颗粒发生絮凝作用， 产生絮体，这时的絮体也是比较小的，目结构较为松散，絮体空间内有大量的水存在。浓缩时， 由于泥沙的自重，沉泥的结构发生变化，其松散的结构可能被破坏，其间的水分披挤压出来， 絮体结构变得比较密实。再絮凝时，作用机理如图3 2 2 ： 图3 2 2 再絮凝时，已经经过絮凝结成的小絮体在p a m 长链分子的架桥作用下结成较大的絮巾磷行 沉降。 通过沉速与加药量的关系，还可以看出再絮凝时的沉速比初次絮凝相同加药量时的沉速要 小，这可能是因为初次絮凝时，由于搅拌或其他原因，造成某些颗粒届洞口保护，再絮凝时，这 部分颗粒不再发生架桥作用，颗粒粒径不再增长。 西安建筑科技大学 3 6 分形理论概述 近几年来，絮凝技术领域研究在各方面均取得较大的成果。虽然对于絮凝过程中的各种影 响因素逐渐得到明确，但综合性的实验研究十分缺乏，制约着人们对絮凝过程本质性的深入认 识。其原因之一在于絮凝整体过程所具有的纷繁复杂性以及众多连续发生的重要过程与现实现 象所具有的混沌性。而相应地缺乏强有力的手段进行检测分析和定量描述。 以往大量的研究局限于对絮凝化学形态分布和转化规律的表征。未能对絮体的复杂结构引 起足够重视，未能抽象归纳出其中具有的普遍规律性。近年来，分形学研究取得迅猛进展。分 形理论的研究和发展揭示了非线性中有序与无序的统一，确定性与随机性的统一。对于探索复 杂现象背后存在的规律，分形理论提供了全新的观念和手段。将分形引入絮凝中来，将对絮凝 的研究提供一个全新的生长点。m ， 在多种体系与条件下( 诸如颗粒聚集与团聚过程中) 分形得以广泛应用。其中分形维数是 关键的参数。对于颗粒物聚集体而言，分形维数d ，定量描述了聚集体中颗粒物的空间占据规律 以及在连结质量与粒径之间的关系具有十分重要的决定作用，如下式所示：川 m 忸) r 咋( 1 ) 上述方程区别于通常的质量一粒径关系仅仅在于其指