（市政工程专业论文）剪切力场下腐殖酸絮凝体形态学特征研究与强度分析.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 剪切力场下腐殖酸絮凝体形态学研究与强度分析 专业：市政工程 硕士生：丁陇云 导师：袁宏林副教授 摘要 在给水和废水处理系统中，絮凝体的大小、形状、结构，对调节污染物的 传输与去除有着重要的作用。能否形成结构良好的絮凝体，在很大程度上影响 着后续流程的运行工况、最终出水水质。因此，絮凝体的形态学特征和强度是 固液分离技术中重要的影响因素。 论文采用显微摄影和图像分析技术对水中絮凝体进行了形态学特征描述， 分析比较了弱酸性( p h = 5 o ) 和中性( p h = 7 o ) 条件下腐殖酸的铁盐和铝盐絮凝体 的形态学特征，指出了腐殖酸絮凝体具有分形形态特征。 通过改变管道流速以增加管道内的速度梯度，计算了作用在微小絮凝体上 的粘结力和破碎力，并将这种微弱的变化情况通过光散射颗粒分析仪输入计算 机直观地得到表述；结合腐殖酸絮凝体的分形形态特征，建立了絮凝体强度的 分析计算方法，分析比较了不同条件下腐殖酸铝盐和铁盐絮凝体的形态学和强 度变化特征。 研究结果表明剪切力是影响腐殖酸絮凝体形态学的重要因素。在一定的化 学条件下，絮凝体所受破碎力的大小与g 值的变化成正比，g 值对于絮凝体所 受破碎力起着决定性的作用。g 值越大，絮凝体所受到的剪切破碎力也越大。 絮凝体一旦破碎，其分形维数会明显增加，说明絮凝体的结构趋于紧密。在弱 酸性条件下铝盐和铁盐絮凝体所受的粘结力和破碎力均比其在中性条件下所受 粘结力和破碎力小。在相同的化学条件下，铝盐絮凝体之间的粘结力小于铁盐 絮凝体之间的粘结力。 关键词：絮凝体；剪切力：形态学特征；强度 论文类型：应用基础研究 西安建筑科技大学硕士论文 a n a l y s i so nm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r e n g t ho f h u m i cf l o c sf o rag i v e ns h e a rr a t e 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 ：d i n gl o n g y u n a d v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y u a nh o n g l i n a b s t r a c t i nr e s o u r c ew a t e ra n dw a s t ew a t e rt r e a t m e n ts y s t e m ，t h es i z e ，s h a p ea n d s t r u c t u r eo ff l o ep l a ya ni m p o r t a n tr o l eo nc o n t a m i n a t i o na n dr e m o v a l w h e t h e rf l o e w i t hg o o ds t r u c t u r ec a nb ef o r m e dh a sg r e a ti n f u e n c eo nt h ef o l l o w i n go p e r a t i o na n d t h el a s tw a t e rq u a l i t y t h e r e f o r e ，m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r e n g t ho ft h e f l o ca r ev e r yi m p o r t a n tf a c t o r si nt h ep r o c e s so fl i q u i d s o l i ds e p a r a t i o n 一u s i n g t h e m i c r o s c o p i c a n di m a g e a n a l y s i st e c h n i q u e ，t h em o r p h o l o g i c a l c h a r a c t e ro ff l o ci nw a t e rw a sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r o ff e h u m i cf l o e sa n da 1 一h u m i cf l o c sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e da ts l i g h t l ya c i d ( p h = 5 0 ) a n dn e u t r a l ( p h = 7 0 ) c o n d i t i o n a n dt h ef r a c t a ls h a p ec h a r a c t e r i s t i co ft h e h u m i cf l o c c u l a t i o nw a sp o i n t e do u t c e m e n t i n gp o w e ra n dt h eb r e a k a g e s t r e s su n d e rs m a l lf l o c c u l a t i o nw e r e c a l c u l a t e db yu s i n gi n c r e a s i n gv e l o c i t y g r a d i e n tw h i c hr e s u l t e df r o mi n c r e a s i n g v e l o c i t yo ff l o w , a n dw e a kc h a n g es i t u a t i o nw a ss h o w nd i r e c t l yb yc o m p u t e rw h o s e r e s u l t sc a n l ef r o m o u t p u t o fp h o t o m e t r i c d i s p e r s i o na n a l y z e r ( p d a ) a n a l y s i s c o m p u t a t i o n a lm e t h o do ff l o es t r e n g t hw a se s t a b l i s h e dc o m b i n i n gw i t hh u m i cf l o c f r a c t a ln a t u r e m o r p h o l o g y a n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i co fa l h u m i cf l o ea n df e h u m i c f l o eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es h e a r i n gs t r e n g t hh a dv e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c eo n m o r p h o l o g yo fh u m i cf l o c u n d e rac e r t a i nc h e m i c a lc o n d i t i o n ，t h eb r e a k a g ef o r c eo f f l o ew a sp r o p o r t i o n a lt ot h es t r e n g t hs i z ea n dt h ev e l o c i t yg r a d i e n tc h a n g e t h e v e l o c i t y g r a d i e n tp l a y e dad e c i s i v er o l e t h es h e a r i n gs t r e n g t ho ff l o cb e c a m eh i g h w i t ht h ei n c r e a s eo fv e l o c i t yg r a d i e n to n c ef l o ew a sb r o k e n ，i t sf r a c t a ld i m e n s i o n c a nb ei n c r e a s e do b v i o u s l y ，i ts h o w e dt h a tt h es t r u c t u r eo ff l o ct e n d e dt oc o m p a c t i i 西安建筑科技大学硕士论文 t h ec e m e n t i n gp o w e ra n dt h eb r e a k a g es t r e n g t ho fa if l o ca n df e f l o cu n d e rt h e l o w a c i dc o n d i t i o nw a st h a nt h a to ft h en e u t r a lc o n d i t i o n u n d e rt h es a m ec h e m i c a l c o n d i t i o n ，t h ec e m e n t i n gp o w e ro f a l f l o cw a ss m a l l e rt h a nt h a to ff e f l o e k e y w o r d s ：h u m i cf l o c s ；s h e a rr a t e ：m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；s t r e n g t h p a p e rt y p e ：a p p l i e df u n d a m e n t a lr e s e a r c h 1 1 i 声明 x 9 7 0 2 3 2 一 本人郑重声明我所呈交的论文跫我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成柒。尽我所知，除了文中特潮蕊以拣注j l 致谢舱地方井，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡敞 均已在论文中做1 _ r 明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料糟有不实之处，本入承撵一萌相关责任。 论文作者签名：丁诫亥 吼如d 关予论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学毒关保餐、使用学位论文的规定，邵：学校 有权保啜送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，玎班采用影印、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) 一粼_ 胁瓢虢弘求瓤州。 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 问题的提出 1绪论 混凝就是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。这一过程涉及三个方 面问题：水中胶体粒子( 包括微小悬浮物) 的性质，混凝剂在水中的水解物种以及 胶体粒子与混凝剂之间的相互作用 1 1 。 混凝工艺在给水和排水处理工程中应用非常广泛。混凝过程的完善程度， 直接影响着后续处理如沉淀、过滤等工艺单元的处理效果。国内外迄今对于混 凝理论的研究成果大都集中在无机悬浮的混凝方面，关于腐殖酸类天然有机物 的混凝化学及动力学，尤其是絮凝体的形态学特征基本上没有深入系统的研究。 实践表明，在给水和废水处理系统中，絮凝体的大小、形状以及结构对调 节污染物的传输与去除有着重要的作用。能否形成结构良好的絮凝体，在很大 程度上影响着后续流程的运行工况、最终的出水质量和成本费用。许多试验现 象及电镜照片研究表明，絮凝体表面和内部具有高度不规则性及自相似结构和 标度不变性，这些都表明絮凝体的结构及其形成过程具有分形特征。分形维概 念可用来描述不规则絮凝体中的无规则程度，很好地描述和分析絮凝体的形成 和“生长”。因此，分形理论应用于混凝领域的研究，是近年来显著的前沿热 点，也是混凝理论研究的崭新生长点。 在国家自然科学基金项目( 项目编号：5 0 2 7 8 0 7 6 ) 的资助下，课题研究组考虑 到腐植酸与无机悬浮物在混凝方面的本质差异，提出了“腐植酸混凝化学成因、 形态学特征及动力学研究”的课题，对腐植酸的混凝化学、形态学以及动力学 进行了系统的研究。通过现代先进科学仪器以及分析手段，对腐植酸的化学构 造、腐植酸与金属盐的反应机理、腐植酸的絮凝过程、腐植酸金属盐絮凝体的 形态学特征以及引入分形维数的腐植酸混凝动力学做了大量试验分析研究，对 丰富水中天然有机物的混凝理论起到了推动作用，并且取得了创新性的成果。 课题组在以往的研究中，在腐殖酸金属盐( a t 、f e ) 絮凝方面，已经证实不同 金属盐的絮凝体在弱酸性及中性条件下的形态学方面存在着很大差异，但是， 这两种条件下絮凝体的强度以及剪切力对其形态与强度的影响尚未进行深入研 究。本研究就是采用现代化学分析仪器及分析手段，对腐殖酸絮凝体形态学特 征进行解析，讨论剪切力对絮凝体形态学特征与强度的影响及絮凝体形态学与 其强度之间的关系。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 研究的目的和意义 ( 1 ) 提高絮凝体强度在实际水处理工程中的意义 在水处理工程中，混凝是常用的一种去除水中杂质的方法。混凝过程所形 成的絮凝体状态，直接决定着混凝效果的好坏。如果所形成的絮凝体强度高， 不易破碎，则易去除；反之，絮凝体强度低、易破碎，在后续工艺中则不易去 除。因此研究絮凝体强度，在水处理中意义重大。 ( 2 ) 当前水处理中絮凝体强度分析还没有系统性的研究 目前，关于絮凝体的物理特性已经有了初步的研究结果，并且一些学者也 已提出了研究絮凝体强度的可行方法，例如采用p d a 在线监测、显微摄影仪拍 摄絮凝体形态等等。但具体如何操作、实验数据如何解析、结论如何，至今没 有系统的研究结果。因此本文主要针对这一空白点做出深入细致的讨论。 ( 3 ) 絮凝体的强度与絮凝体的形态学之问的关系尚不明了 絮凝体强度与其形态之间究竟有何关系，什么条件下形成的絮凝体分形维 数高，具有较密实的构造；什么条件下，絮凝体构造比较松散；是强度越大越 致密还是强度越大越松散，至今尚不清楚。 从絮凝体的分形构造特征及其在混凝过程中的变化规律，絮凝体的强度及 剪切力对絮凝体的形态和强度的影响，进行深入研究有助于从微观的角度找出 改变絮凝体构造、提高其密度和沉降性能的操作控制方法，填补国内外在该领 域的空白，具有一定的理论价值。同时，该研究对于改进混凝操作模式，提高 混凝效果具有实用指导意义。 1 3 研究内容 本论文通过现代化学分析仪器及分析手段，对腐殖酸絮凝体形态学特征进 行解析，计算不同剪切力条件下的絮凝体强度，讨论剪切力对絮凝体强度的影 响。 ( 1 ) 通过显微摄影仪对絮凝体结构进行观测 采用光散射颗粒分析( p d a ) 法，在弱酸性( p h = 5 o ) 和中性( p h = 7 o ) 条件下， 监测腐殖酸与铝盐、铁盐的絮凝体破碎过程，通过改变管道中水样流速，来改 变絮凝体所受剪切力的大小，采集不同破碎时段的絮凝体，运用显微摄影仪观 测絮凝体的构造。 ( 2 ) 絮凝体的形态学特征研究 研究弱酸性( p h = 5 0 ) 条件下和中性( p h = 7 o ) 条件下腐殖酸与铝盐、铁盐的絮 凝体的分形构造特征；分析管道剪切力的变化对絮凝体形态学特征的影响。 西安建筑科技大学硕士论文 ( 3 ) 絮凝体强度分析 运用图像解析法，根据投影面积和周长的关系确定腐殖酸絮凝体二维分形 维数，从而根据絮凝体分形维数与其粘结力和破碎力的关系，对不同剪切力条 件下的絮凝体强度进行解析计算。 西安建筑科技大学硕士论文 2 絮凝体形态学与强度分析的基本理论 2 1 絮凝体形态学基本理论 2 1 1 絮凝形态学 絮凝形态学( f l o c c u l a t i o nm o r p h o l o g y ) 又称混凝形态学1 2 】，是研究水质混凝过程 中溶液中胶粒和混凝剂的形态特征及其对混凝过程与混凝效果影响规律的混凝 学理论分支。它认为在胶体溶液中，胶体颗粒和混凝剂有着多种多样的形态特征， 而这些因素是决定混凝过程与混凝效果的重要因素。在国内，这一学科性的概念 是由蒋展鹏、汤忠红在许保玖教授的指导下于1 9 8 6 年首次提出的【”。絮凝形态学 的研究对象是水体中颗粒物，包括原始的和聚集在一起的有生命或无生命的颗 粒，即环境水质学中涉及的广义颗粒物。在现代环境水质科学范畴内，广义的颗 粒物概念包括矿物颗粒、无机和有机的胶体、高分子、有生命的细菌、藻类等， 实际上即粒度 ln n l 的所有微粒实体，其上限可达数十到上百t m1 3 。絮凝形态 学研究的内容将涉及这些颗粒物的形状、大小、粒度分布、空间结构、内外表面 特性、相关的化学因素以及它们对颗粒物凝聚絮凝作用的影响。 胶粒形状对混凝过程的影响，主要是由于它们决定了胶体颗粒上作用力的分 布而造成的。单个非对称胶粒上作用力的分布不同，也就导致了颗粒间相互作用能 的不同。此外，非均匀对称胶粒上水化膜随不同部位的变化，也会对混凝结构产生 一定的影响。在有速度梯度的流场中，非对称颗粒的定向，也会促进不对称部位间 的凝聚。因为非对称颗粒的长轴通常会沿着流速方向定向，而这种定向会大大地减 小不对称部位间的距离。同时，无规则的布朗运动又时刻都在消弱这种定向。因此， 只有在流场的速度梯度增大到一定的程度时，胶粒的定向才会完成【2 l 。 在经典的絮凝理论中，天然水中胶体颗粒均被简化成均匀对称的球形。但随 着电子显微镜等现代分析技术的运用，越来越多的实验表明：水中的胶体颗粒有 着各种不同的形状、大小及厚薄，有的胶粒( 如片状高岭土) 表面带有不同的电荷， 即薄片的平面上带负电，而薄片的边缘带正电【4 】。同时，混凝过程中投加的絮凝剂， 在水中也会形成不同形状、结构的微絮凝体。这势必影响到胶体絮凝性质和水处 理絮凝机理。混凝形态学从水中胶粒和混凝剂在水中的真实形态以及它们所形成 的絮凝体的真实结构出发来研究整个混凝过程，它把微观的颗粒形态与宏观的混 凝效果分析结合起来，把絮凝体的静止结构与其生长、破碎等动态过程结合起来， 从而能够更准确地定量描述与解释混凝过程、预测混凝结果。 从理论上分析，胶粒的形态对混凝的影响主要有四个方面【4 】： 4 西安建筑科技大学硕士论文 ( 1 ) 静电作用力。实际胶粒并非均匀对称的理想球形，其表面电荷的分布、 带电的强弱乃至电性以及由此引起的静电作用力都变得复杂了。 ( 2 ) 范德华力。包括取向力、诱导力和色散力三个基本组成部分，其中色散 力是普遍存在的，其大小与分子的变形性有很大的关系。胶粒可以看作是大量分 子的集合体，其形态必然影响到颗粒间范德华力的大小和分布。 ( 3 ) 碰撞机率。碰撞机率与颗粒间的形态和体系的水力学条件密切相关。形 态的差异必然使颗粒间的碰撞机率发生变化。 ( 4 ) 连接方式。颗粒的形态不同，必然导致颗粒之间、颗粒与絮凝剂之间相 互聚集的连接方式的多样化和复杂化，而这又将导致絮凝体的结构和性质的不 同。 絮凝体的结构、行为与性能，在混凝研究中一直具有十分重要的地位。尽管 混凝技术的应用在固液分离实践中是最为古老的工艺，但在实际操作过程中常常 出现松散不易沉降或易于破碎的絮凝体。这些实际困难连同对污泥处置与水质问 题的关注，再度激发着人们对絮凝体行为与性能诸如大小、强度、密度与穿透性 的研究与探讨。絮凝体的上述特性取决于颗粒物性质、过程协同物理化学因素的 综合和非线性、随机的水力学因素。不能清楚阐明这些复杂相互作用，将阻碍着 混凝工艺的设计与混凝实际操作过程的合理进行。在混凝过程中，絮凝体结构的 形成在一定范围内具有自相似性和标度不变性，这正是分形的两个重要特征。 2 1 2 分形理论及在混凝过程中的应用 口 ( 1 ) 分形理论的基本概念 欧几里德几何以规整的几何图形为研究对象，它们的空间维数均为整数，如 点、线、面、体分别为0 、l 、2 、3 维。而事实上自然界中存在大量不规则的物 体，传统的数学无法描述它们。 近年来，非线性科学领域，尤其是混沌学( c h a o s ) 、分形学( fr a c t a l s ) 与耗散结 构( di s s i p a t i v es t r u c t u r e ) 研究中所取得的迅猛进展，使人们对自然界中原本扑朔迷 离的无序混乱现象和无规形态取得更清楚认识渐渐有了可能【5 9 】。其中，分形理论 ( fr a c t a lt h e o r y ) 的研究与发展揭示了非线性系统中有序与无序的统一，确定性与 随机性的统一，使人们探索这极为复杂的现象背后所存在的规律性有了可能。分 形理论提供了人们以全新的观念与手段来处理这些难题。因此，将分形理论应用 于混凝领域的研究并加以丰富与发展，为混凝理论研究提供了一个崭新的生长 点。 早在1 9 7 0 年，美籍法国数学家曼德布罗特( m a n d e l b r o t ) t ! o 造了f r a c t a l 一词，它源 于拉丁文f r a c m s ，意为“不规则的”、“破碎的”。目前中文译为“分形”，它与耗散结 西安建筑科技大学硕士论文 构、混沌学并称为2 0 世纪中后期科学史上的三大发现1 5 】。 分形是指一类介于有序和无序、微观与宏观之间的中间状态，它的外表特征 一般是极其破碎、无规则和复杂的，而其内部特征则是具有自相似性 ( s e l f - s i m i l a r i t y ) 或自仿射性( s e l f - a f f i n i t y ) 。自相似性是指把考察对象的一部分沿各 个方向以相同比例放大后，其形态与整体相同或相似，而自仿射性是指把考察对 象整体以不同的比例放大后，其形态与整体相同或相似。因此，分形的一个较为 通俗的定义是：指组成部分以某种方式与整体相似的形态叫分形【5 1 。分形理论的 基本观点是：分形维数的变化可以是连续的，处理的对象总是具有非均匀性和自 相似性，分形理论使人们能够以新的观念、新的手段透过扑朔迷离的无序的混乱 现象和不规则的形态，来揭示隐藏在复杂现象背后的规律、局部和整体之间的本 质联系。分形理论在创立伊始就以全新的角度而倍受研究者关注。 分形概念来自于大自然。在许多形貌不规则的食物群体中，却包含着局部与 整体的相似性规律。例如，人们发现椰菜花的局部与其整体外形相似等。分形正 是用以研究包含着这样一种内在规律的混沌系统。由于分形理论对描述混沌的情 形有独特之处，而混凝过程本身就是一个极度无序状态，因而借助分形理论，人 们对混凝过程中絮凝体的结构、动力学模型以及混凝机理进行了研究，提出了崭 新的观点，这为混凝工艺的进一步优化提供了新的途径。 从1 9 8 8 年至今，分形进入深入攻坚与开拓应用的阶段，人们开始理性地审视 分形理论。与此同时，在化学研究的各个领域，分形理论几乎无所不在，研究深 度也在加大，提出了更具有说服力的混凝机理，可以说分形理论将人们对混凝过 程的应用往前推动了一大步。 ( 2 ) 絮凝体的分形结构特征 混凝处理过程中，絮凝体的结构一直是人们研究的热点。在混凝中，絮凝体 常出现松散和不易沉降等现象，这是影响处理效果的关键。分形理论是研究絮凝 体性质特征的新工具。 由于絮凝体的成长是一个随机的碰撞与结合过程，m e a k i n 1 0 】根据其形成特性 将分形理论引入了混凝过程。按照分形的定义，物体的质量m 与其特征长度d 。之 间的关系表示为： mz 学 ( 2 1 ) 式中：d ，为分形维数。 对于絮凝体，我们通常以其当量直径( 与平面投影面积相同的圆的直径) 作为 特征长度。显然，在欧几里德系统中d ，= 3 ，而对于非欧几里德系统d ， o ，絮凝体的分形维数d ，就小于3 ，呈现出分形的特 征。 为了更好地了解絮凝体的形成过程，研究者提出了许多絮凝体结构模型。最 早的是由v o i dm j 通过计算机模拟得到的三层结构模式f l l 】，它由初始颗粒、絮凝 体和絮凝体聚集体组成，该絮凝体结构只考虑初始颗粒的随机运动叠加，推出絮 凝体密度随颗粒直径变化的经验攻势，但是此结构没有考虑颗粒絮凝过程中的内 部重组过程，因而有很大的缺陷。g o o d a r z n i 【1 2 】等人认为初始颗粒分布基于一正 态分布，用s m o l u e h o w s k i 方程计算其碰撞频率，得到的絮凝体结构与用单一粒度 得到的结构模型区别不是太大。随着分形理论在计算维数中的应用，f r a n c o i sr j 等【1 3 j 提出了具有四层结构的模型。它由初始颗粒、絮粒、絮凝体与絮凝体聚集体 组成，该模型认为不同层次絮凝体碰撞是靠特定的可弹性变化的结合键来完成 的。h i g a s h i t a n ik1 1 4 1 等人对絮凝体形成进行了大量研究，得到了不同实验条件下 形成的四类不同的絮凝体：微絮凝体、小球丸、大球丸与絮团。t a m b o n 【1 5 】等人 对球丸絮凝体进行了进一步的研究，建立了分步成长絮凝体分形结构模型。提出 促进致密型絮凝体形成的两个途径：降低孔隙率的途径；絮凝体脱水收缩模式与 提高颗粒数的途径逐一附着模型。 在研究絮凝体结构时，与其性能最密切相关的性质是絮凝体强度。絮凝体强 度往往决定于颗粒间结合键的能力和在每个颗粒中形成的数量。混凝过程中形成 粒径较大、结合力较强的絮凝体以更好地抵抗在固液分离时出现的各种剪切力， 且脱水率好，细小颗粒和絮凝体碎片易影响混凝效果。因此，形成致密絮凝体的 混凝工艺成为絮凝体研究的热点，而分形理论在其结构研究中的成功应用极大地 西安建筑科技大学硕士论文 推动了其发展。 ( 3 ) 絮凝体分形成长模型 随着对分形理论在絮凝体生长过程中研究的逐步深入，人们提出了各种动 力学生长模型。这些模型基本上是建立在2 0 世纪6 0 年代后v o l d 、s u t h e r l a n d 、 g o o d a r z n i a 等对颗粒物的凝聚模型基础上，并引入分形理论来完善。它们可以 分为三种类型，其中，每一种模型均涉及单体( m o n o m e r ) 凝聚和簇团( c l u s t e r ) 凝 聚i ”】： 一扩散控制凝聚模型( d i f f u s i o n l i m i t e da g g r e g a t i o n ) ，简称为d l a 模型； 单体凝聚为w i t t e n s a n d e r 模型，簇团凝聚为扩散控制集团凝聚模型 ( d i f f u s i o n l i m i t e dc l u s t e r a g g r e g a t i o n ) ，简称为d l c a 模型； 一 弹射凝聚模型( b a l l i s t i ca g g r e g a t i o n ) ，简称b a 模型；单体凝聚称为v o l d 模型，簇团凝聚称为s u t h e r l a n d 模型； 一 反应控制凝聚模型( r e a c t i o n - l i m i t e da g g r e g a t i o n ) ，简称r l a 模型；单 体凝聚称为e d e n 模型；簇团凝聚称为反应控制集团凝聚模型 ( r e a c t i o n l i m i t e dc l u s t e ra g g r e g a t i o n ) ，简称为r l c a 模型。 上述这些模型分别对应于不同的作用机理过程，但是仅适用于较纯的理想 体系中。在实际混凝过程中，颗粒物的聚集过程不可避免地与其它现象相结合， 从而使絮凝体结构的形成不可能是一般意义上的分形，大多数为复杂分形或多 重分形结构。上述模型的提出于发展，突出表明了分形理论在近期所取得的迅 猛进展与成就。 ( 4 ) 絮凝体分形维数的计算方法 分形维数是描述分形体的不规则和复杂性或空间填充度的程度，分形维数 的不同反映了聚集体结构所具有的开放程度。显而易见，在分形理论的应用过程 中，分形维数的测定是其中十分重要的步骤之一。严格数学意义上的分维分析 测试方法非常多，诸如：改变观察尺度求维数，根据测度关系求维数，根据相关 函数求维数，根据分布函数求维数，根据频谱求维数等【1 7 】。目前，絮凝体的分 形维数的计算方法一般有两种途径：计算机模拟絮凝体聚集成长过程和实验直 接测定。在2 0 世纪7 0 8 0 年代，主要采用计算机模拟，这种方法基于分形结构 的形成机制。而最近，越来越多的研究者采用实验技术直接测定絮凝体的分形 维数，采用较多的有图像法、粒径分布法、沉降法、小角度光散射法等【18 1 ，此 外还有根据相关函数求分形维数，根据频谱求分形维数等方法。根据二维或三 维空间的定义又可将分形维数分为二维或三维分形维数。 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 3 絮凝体的分形特性 分形维数概念用来描述不规则絮凝体中的无规则程度，可以很好地描述和 分析絮凝体的形成和生长。表征絮凝体特性的参数有：絮凝体的密度、孔隙率、 粒径分布、絮凝体强度、沉降速度等。 ( 1 ) 密度 密度是絮凝体结构的一个非常重要的性能参数，它反映了絮凝体结构的密 实程度。 如果已知水温，可以运用沉淀公式通过絮凝体的最终沉淀速度和絮凝体粒 径分析絮凝体密度。 一个离散颗粒的终点自由沉淀速度可用下式表示： ”= p 寺( h r 陋6 ， 式中为终点沉淀速度( c m ，s ) ；g 为重力加速度( 9 8 0 c m s 2 ) ；c d 为阻力系数； p 。和p 。分别代表颗粒和水的密度( g c m 3 ) ：d 为颗粒粒径( c m ) 。 絮凝体颗粒的阻力系数大约可表达为c d = 4 5 爪e f l 9 】，则2 3 9 式变化如下： 一 堕3 坠4 5 ( 气p h r 亿7 ， ii。j 由于雷诺数r e ：p w u d ，代入( 2 ) 有： “”上d 。一p 。弦2 (28)34 p 、6 ” 。 t a m b 。等将反一a 定义为絮凝体的有效密度成1 1 9 】，则p 。= 专等= 争，即 为絮凝体的有效密度函数，为理想状态下推求而得的絮凝体密度函数，其中 a = 3 4 u l t l g 。 t a m b 0 1 2 0 1 等通过对静水样中测定离散絮凝体的速度和直径( 通过摄影) 的实 验方法，得出的密度函数为成= 万a ，其中系数口和知仅与a l t 比( 铝离子投量 浊度) 有关。在通常投药量范围内拓= 1 0 1 4 并随a l t 比增大而增大。 王晓昌和t a m b o 2 1 - 2 4 1 根据絮凝体的分布成长模型提出絮凝体密度成与初始 颗粒密度风之间的关系为以= p o o 一占，其e e s 为空隙率，玎为形成的 级集团。 上述几种模型，前两种是计算机模型。后两者是通过大量的实验所得的结 论，具有实际意义。 对于分形体系，絮凝体的密度有下述表达【2 5 】： 西安建筑科技大学硕士论文 p = p o g “3 ( 氢f ) ( 1 t o ) “3 ( 2 9 ) 其中，成为初始颗粒的密度，为絮凝体的特征长度，o 为初始颗粒的特征 长度，、| ，为特征长度为，的絮凝体的形状系数，e o 、e 分别为絮凝体初始颗粒以 及絮凝体的堆积系数，d 则为该絮凝体的分形维数。 ( 2 ) 空隙率 絮团结构与密实性受空隙率的影响。如前所述，按照s u t h e r l a n d 集团凝聚模 型的基本构思，絮凝体的成长过程是由初始颗粒构成小的集团，又结成大的集 团的多层絮凝体结构，即初始颗粒、絮凝体及絮凝体的聚集体。其他许多学者 也提出了多层絮凝体结构模式。t a m b o 和w a t a n a b e 2 6 1 的研究为多层絮凝体结构 模型提供了证据，着重于絮凝体密度随粒度的变化特征。基于三层结构凝聚模 型，他们进一步建立了分步成长絮凝体分形结构模型。 设占为孔隙率，肌为颗粒数，得到分维： d = 3 + 3 1 n ( 1 一e ) l l n m l ( 1 一s ) ( 2 1 0 ) 研究结果表明，降低孔隙率占和每一步结合的颗粒数，均有利于提高絮凝体 分维值。 ( 3 ) 粒径分布1 2 ” 絮凝体粒径的大小直接影响着絮凝体的密实程度与成降速度。粒径分布在 絮凝池及沉淀池的设计与工程实践中具有实际指导意义。分维能定量地确定出 絮凝体的最佳粒径。 混凝开始时，在一定的水力条件下，颗粒互相碰撞形成絮凝体。随着生长 的进行，由于絮凝体分形结构的形成，絮凝体变得更加多孔，因而更不坚实而 易于破碎。逐渐增大剪切力，凝聚与破碎问相互竞争，经足够长时间后，絮凝 体粒径分布到达平衡态或稳定态分布。在这种状态下，单位时间内由凝聚导致 絮凝体数量的降低等于破碎引起的絮凝体数量的赠加。 ( 4 ) 强度 絮凝体的强度决定着形成絮凝体的最大尺寸，它对合理设计絮凝池和固液 分离的后继工艺具有重要意义。絮团强度也是絮凝分离的一个重要参数。絮团 强度反映了絮凝体的抗破碎性能。絮团破裂主要有两种机理【2 7 】：其一是絮团受 到脉动压差应力发生大规模裂解；其二是絮团表层受到剪切应力后表面粒子或 微絮团发生剥离破坏。实际上，絮凝体形成、生长的过程是一个絮团凝聚，破 碎，在凝聚，相互竞争，不断重组，最终达到平衡稳定的过程。 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 强度分析的基本理论 2 2 1 絮凝体强度分析的概述 在以去除聚集颗粒的固液分离工艺中，絮凝体的强度是一个十分重要的操 作参数。在设计上，一般都要尽可能减少水处理单元流程中絮凝体的破碎。然 而，在实际中，在高剪切力普遍存在的区域1 2 ”，情况并非如此简单。这些区域 可能包括絮凝杯罐的边壁的附近地区，加压浮上法的过程中。在这些情况下， 絮凝体均处于一定范围的压力中。如果絮凝体要避免被破碎成更小的粒子，它 就必须抵抗这种压力。从工艺运行意义上来说，这是十分重要的，因为较小的 絮凝体一般具有较低的动能，在相同的密度下，一般说来，小颗粒比大颗粒稳 定的更慢。在加压浮上法( d a f ) 去除絮凝体中，絮凝体接着会破碎成更小的颗粒， 将有可能不能被气泡有效的捕捉。另外，在膜过滤装置中，如果絮凝体破碎成 小颗粒将会使膜发臭并且堵塞膜孔。 絮凝体的强度取决于絮凝体组成部分之间的粒子的内部的粘结力1 2 州。这包 括絮凝体之间单个粘结力的数量和强度。然而，如果作用于絮凝体表面的力大 于絮凝体内部粘接力的话，那么这个絮凝体将会破碎。增加絮凝体的密实程度 就是考虑增加絮凝体的强度，因为使絮凝体结合在一起可以增加絮凝体之间的 粘结力。有研究者也将絮凝体微粒的尺寸和形状列为在絮凝体的强度方面一个 非常值得考虑的因素。 然而，实践已经证明，找到一个令人满意的增强絮凝体强度的工艺方法是十 分困难的。一方面是因为由于絮凝体内部结构比较复杂以及絮凝体的尺寸、形状、 组成变化多样，另一方面是因为大多数人只认同y e u n g t 3 0 等人提出的絮凝体破碎 的两个模式的观点。这个模式已经阐明的絮体破碎机理是表面腐蚀和大尺度的破 碎。表面腐蚀将小的粒子从絮凝体的表面去除，导致小粒径范围内的颗粒数增加。 大尺度的破碎是指絮凝体分裂成小的相似尺寸的碎块，但是基本粒子的浓度没有 增加。我们可以这样描述絮体破碎的两个模式：两个破碎模式是由不同的力造成 的【3 l 】。破碎被认为由于普遍作用在整个絮凝体的张力引起的，而腐蚀是由比较轻 地作用于絮凝体表面的剪切力而引起的。另外，对于絮凝体的强度还有一个比较 复杂的解释说法：絮凝体强度由相同的涡旋尺寸引起的。 已有的资料表明，尽管对絮凝体强度检测方法已经作了很多改进，但是目前还 没有已被公认的标准的絮凝体强度检测方法。普遍认为，絮凝体强度是由在压力或 剪切力的作用下，絮凝体破碎所需的能量决定的【3 ”。然而，确定使絮凝体破碎力的 大小是复杂的。因此，絮凝体的强度怎样计算、从絮凝体强度试验中能够得到什么 样的信息需要我们进行更加全面的考虑。本论文的研究就是从这个角度出发，探讨 剪切力条件下，絮凝体形态学特征与强度的变化，建立絮凝体强度试验与计算方法。 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 2 絮凝体的形成和破碎 絮凝体的强度和絮凝体的结构有着直接的关系，因此，絮凝体强度高度依 赖于絮凝体的形成过程。凝聚和絮凝的过程目的是增加絮凝体的尺寸以提高微 小粒子、胶体、微污染物的去除率。凝聚是胶体的化学变化过程，因此，其能 通过相互问的互相靠近而凝聚成较大的颗粒。这可能是压缩双电层，或是胶体 的网扫絮凝或化学吸附作用而使胶体脱稳造成的。 絮凝是相互聚集在一起的胶体形成更大的凝聚体的转变过程1 3 ”。颗粒的脱 稳和随后的胶体的聚集的过程是复杂的。一般认为，颗粒的输送和颗粒的接近 过程是两个阶段。聚集的颗粒首先必须互相碰撞，其次是必须依靠碰撞粘结在 一起。g r e g o r y l 3 2 j 认为这两个步骤是独立的并且是彼此分离的。然而，在给定的 剪切条件下，絮凝体达到一个稳定状态的尺寸后，就不再继续成长。普遍认为 絮凝体的破碎控制着絮凝体的成长，因此凝聚速率被看作为絮凝体形成和破碎 之间的一个平衡，悬浮胶体的稳定性依赖于絮凝体破碎的难易程度。絮凝体的 破碎直接影响胶体聚集的架桥的强度和数量。在最初的快速絮凝过程中，微絮 凝体的形成要比絮凝体的破碎占优势：然而，破碎的重要性随着絮凝体尺寸的 增加而增加，直到絮凝体尺寸的分布达到一个稳定状态。因此，在絮凝池中， 稳定状态的胶体尺寸是由剪切力条件决定的。颗粒的碰撞速率和粒子相互作用 的本质是以絮凝体的成长速率( r p o c ) 为基础的，可以由方程( 2 1 1 ) 计算，也可以 计算出絮聚速度和胶体破碎速度的差别。前者可以写做颗粒的碰撞速率，： g i 是有效碰撞系数，系数口是产生聚凝的碰撞因素，因此，总的絮凝体成长速 率公式可以写为： 胄= 口r “一r ， ( 2 - 1 1 ) 当方程的右边的两项是相等的时，絮凝体的成长速率是0 ，絮凝体的尺寸将 达到一个极限值。碰撞效率不是常数，由有效剪切速率和颗粒的尺寸决定。在 假设的剪切条件下，当颗粒( 絮凝体) 的尺寸增加，系统的粒子数减少的时候， 口比。减少。这是絮凝体尺寸达到极限值的另外一个原因。絮凝体的破碎，在某 种程度上有可能是不可逆的，所以，破碎的部分不能重组。由于破碎的不可逆 性，碰撞效率将减少，对于绝对不可逆性，口= 0 。 总而言之，在絮凝体的形成和破碎过程中，絮凝的尺寸由剪切条件决定， 而最终将达到一个稳定的状态。当剪切速率增加到絮凝体破碎的临界值时，絮 凝体将会破碎，直到达到新的稳定状态。在有些情况下，由于絮凝体破碎的不 可逆性，在一个较高的剪切速率下，絮凝体不可能重新长大。因此，悬浮液中 絮凝体所受的剪切力大小的计算，是十分重要的。 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 3 絮凝体强度的测量方法 目前已有两个基本的测量絮凝体强度的方法【2 9 3 5 】：对于絮凝体的破碎的测 量，这是一种测量系统中能量的宏观方法；另一种是微观方法，单个絮凝体之 间的颗粒的力的测量。这些方法的简要说明如表2 一l 所示。由于剪切率决定絮 凝体尺寸，对于絮凝体的大多数宏观的研究，用的都是剪切力的方法。 ( 1 ) 宏观絮凝体强度检测法 宏观絮凝体强度试验来源于流体剪切速率和由此产生的絮凝体尺寸之间的 联系。低剪切速率条件可能有助于颗粒凝聚；在剪切速率增加的条件下，能观 察到絮凝体的破碎。因此，絮凝体的尺寸是在絮凝体破碎和凝聚之间的一个动 态平衡【35 1 。 格利高里于【3 6 】2 0 0 3 年指出：比较不同的絮凝体时，在给定的剪切速率下， 絮凝体的尺寸( 或絮凝指数) 能够指代絮凝体强度。然而，这只是说明了：在一个 给定的剪切力的条件下所形成的絮凝体，而并不能指出，当絮凝体被暴露在一 个增加的剪切速率的条件下( 比如，在加压浮上法或高速过滤的处理过程中) 絮凝 体会发生怎样的情况。因为这个原因，絮凝体的强度能够用一个增加的剪切率 计算或是一个作用于已成型的絮凝体的一般的压力来衡量，絮凝体的强度还与 能量的耗散、速率半径、最大或平均絮凝体尺寸有关( 运用这类方法，需要克服 的主要问题是：能量的耗散从来不是均匀的分散在试验容器中) 。 大多数絮凝体强度试验都已经使用了叶轮搅拌系统，容器和叶轮的形状的 几何特征都是不同的，通过一定剪切速率下絮凝体尺寸的变化来监控絮凝体的 破碎。我们知道，不同的研究试验中，速率变化的研究范围是不同的。确定絮 凝体尺寸的方法是至关重要的，在不同的工艺中所采用的研究方法也是不同的。 由于絮凝体的非常易破碎的性质，保证测量絮凝体尺寸的所使用的方法不会破 坏絮凝体是十分重要的。 ( 2 ) 微观絮凝体强度检测法 宏观的方法依赖于紊流、旋涡尺寸、絮凝体破碎模型等复杂的理论，近年 来，研究成果已经得到一种更为直接的通过单个絮凝体测量絮凝体强度的方法， 即微观絮凝体强度检测法。这种方法最主要的优点是：絮凝体是怎样、在哪里 破碎的方法的理解可能被收集，能够直接测量出絮凝体破碎力，从而得到絮凝 体的强度。这也许能丰富目前还比较空洞的絮凝体破碎机理的理论。微观法由 于实验仪器和设备造价比较昂贵，目前还不能广泛的应用，这在一定程度上限 制了微观法的发展。因此，大多数研究还是采用的宏观法，本论文研究中所采 用的方法也属于宏观法。 力4 量方法 说明强度公式 在容器中，对絮凝体 絮凝体强度因子2 鬻枷。 施加不同的剪切力，比较 叶轮法( 2 - 1 2 ) 絮凝体在受剪切前和受剪 d o ) ：絮凝体破碎前的平均体积 后的尺寸的变化率。 d ( 2 ) ：絮凝体破碎后的体积 占一o 7 8 k o5 a r 妒一秽，d ( 砂砒+ 。( 2