（环境工程专业论文）分形理论在磁絮凝工艺中的应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展和跨学科的综合利用，将磁场应用于废水处理 已成为一项新型的水处理技术，它可以单独使用也可以与其它水处理技 术联合使用，其具有能耗低、易于操作、无二次污染且成本低的特点。 可见，将磁絮凝技术应用于废水处理具有广阔的前景。絮体的结构和性 能是混凝研究中十分重要的特征，它的形成往往具有分形的特征。一般 认为分维的不同反映了絮凝体结构所具有的开放程度不同。在混凝研究 中，应用分维可以对不同条件下形成的絮体结构进行更为准确的数学描 述。然而，到目前为止，对磁絮凝的应用效果分析尚无成型的理论，尤其 是对于磁絮凝中絮凝体强度和结构分析，无论是宏观分析法还是微观分 析法都还未有一个系统的研究方法。分形理论可作为一个强有力的理论 工具来研究与处理自然工程系统中的混沌现象和不规则图形。将分形理 论应用于磁絮凝领域，为磁絮凝微观结构和过程的研究开辟了新的途径， 并将磁絮凝研究推向一个新的阶段。 本研究创新性的将分形理论引入磁絮凝污水处理工艺的絮凝效果分 析之中，分别针对磁种复合絮凝剂和磁流体复合絮凝剂的絮凝效果进行 了分形研究，进而研究了磁絮凝体的分形特征。相应的研究成果如下： 1 、为了揭示影响磁絮凝效果的各环境因素与分形维数的关系，以接 近真实的角度来刻画絮凝体及形成过程，反应絮凝体的结构与形态，以 获得对磁絮凝机理，絮凝过程的认识和理解。本研究以泵站溢流污水为 对象，利用自行开发的磁絮凝装置，首先针对磁种复合絮凝剂和磁流体 复合絮凝剂，从絮凝剂投加量、水力条件、磁场强度等方面分析了磁性 絮体的分形结构。研究发现，影响磁絮凝效果的主要因素依次为：絮凝 剂投加量，磁场强度，水力条件，p h 值，助凝剂p a m ( 聚丙烯酰胺) 投 加量。而且对于磁种复合絮凝剂，在磁种絮凝的最佳条件下，各因素对 絮体分形维数的影响表现为，在p a c ( 聚合氯化铝、) 最佳投加量8 0 m g l 分形理论在磁絮凝工艺中的应用研究 时，d f 最大为1 9 6 ；在磁种投加量为2 5 0 m g l 时，d f 最大为2 6 4 ；在磁 场强度为2 5 0 m t 时，d f 最大为2 7 0 ；p h 为8 o 时，d f 最大为2 2 2 ；p a m 投加量为0 0 6 m g l 时，d f 最大为2 3 4 ；在最佳水力条件下，按快搅速度、 快搅时间、慢搅速度、慢搅时间顺序，d f 最大依次为2 6 2 ，2 0 3 ，2 3 4 ， 2 3 6 。 2 、通过对磁流体复合絮凝剂的分形研究，发现在最佳絮凝条件，即 当絮凝剂投加量为4 m l l 、磁场强度为2 5 0 m t 、p h 为8 时，絮体的分形 维数达到最大，依次为2 3 4 ，2 6 3 ，2 3 5 。同时，根据正交试验结果，采 用响应曲面法研究了各因素对磁流体复合絮凝剂絮体分形维数的影响作 用。结果表明，在絮凝剂投加量为3 5 m l l ，磁场强度为2 5 0 m t ，p h 为 7 0 7 5 时，絮体具有最大的分形维数和粒径。通过水力条件试验得知， 当慢搅速度为6 0 r m i n ，慢搅时间为2 4 0 s ，快搅速度为2 5 0 r m i n ，快搅时 间为6 0 s 时，絮体分形维数达到最大，此时的絮体最大，具有最佳沉降 性能。 3 、为了深入研究磁絮凝体的分形特征，更好地指导实际应用，本文分 析了磁絮凝中絮体的形态特征，并建立了生长动力学模型。结果表明， 磁性絮体粒径在絮凝阶段的前6 m i n 增长较快，在1 0 m i n 后逐渐趋于稳定。 通过试验模拟得出，在g l = 8 0 0 2 0 s - 1 , t l - - 5 1 4 5 s 、g 2 - - - 1 5 5 s - 1 , i 2 = 2 2 4 1 3 s 时，磁性絮体的平均生长速度达到最大值8 3 6 2 1 x r n m i n 。 总之，通过以上研究，可见分形维数的大小与磁絮凝效果有良好的 相关性。分形理论的应用，使人们对磁絮凝过程中的无序现象和无规形 态有了更清楚认识，为改进磁絮凝工艺和研究磁絮凝机理提供了强有力 的工具，使磁絮凝工艺在最佳出水水质下保持最低的能耗成为可能，同 时在磁絮凝剂的生产、使用、以及磁絮凝工艺控制等方面将发挥重要的 控制和预测作用。 关键词：磁絮凝，分形理论，分形维数，生长动力学，絮体特征 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ec o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no f i n t e r d i s c i p l i n a r y ，t h ea p p l i c a t i o n o f m a g n e t i c f i e l di n w a s t e w a t e rt r e a t m e n th a sb e c o m ean e w t y p eo fw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y ， i tc a l lb eu s e da l o n ea n dc a na l s ob ej o i n tu s ew i t ho t h e rw a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y ；i t i so fl o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，e a s yo p e r a t i o n ，w i t hn o s e c o n d a r yp o l l u t i o na n dl o wc o s t v i s i b l y ，i th a sab r o a dp r o s p e c tw i t ht h e a p p l i c a t i o no fm a g n e t i cf l o c c u l a t i o nt e c h n o l o g yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t f l o c c u l e n tb o d ys t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c ea r ev e r yi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s i nc o a g u l a t i o nr e s e a r c h ，i t sf o r m a t i o nt e n dt oh a v et h ef r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c g e n e r a l l yt h ed i f f e r e n c eo ff r a c t a ld i m e n s i o nr e f l e c t st h eo p e nd e g r e eo f f l o c c u l a t i o nb o d ys t r u c t u r e i nt h e c o a g u l a t i o ns t u d y ，t h ea p p l i c a t i o no f f r a c t a ld i m e n s i o nc a nb eu s e df o rm o r ea c c u r a t em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no f f l o c c u l e n t sf o r m e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s s of a r ，h o w e v e r ，t h e r ei s n o m o l d i n gt h e o r yo ft h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cf l o c c u l a t i o ne f f e c ta n a l y s i s ， e s p e c i a l l y f o r m a g n e t i cf l o c c u l a t i o n f l o c c u l a t i o n b o d yi ns t r e n g t ha n d s t r u c t u r ea n a l y s i s ，w h e t h e rt h em a c r oa n a l y s i so rm i c r o s c o p i ca n a l y s i st h e r e i sn os y s t e mm e t h o do fs t u d y f r a c t a lt h e o r yc a nb eu s e da s a s t r o n g t h e o r e t i c a lt o o lt or e s e a r c ha n dt r e a te n g i n e e r i n gs y s t e mo fn a t u r a lc h a o s p h e n o m e n aa n di r r e g u l a rg r a p h i c s t h ef r a c t a l t h e o r yw a sa p p l i e di n m a g n e t i cf l o c c u l a t i o nf i e l d s ，a n di to p e n e dan e ww a yf o rt h er e s e a r c ho ft h e m a g n e t i cf l o c c u l a t i o nm i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dp r o c e s s ，a n d m a g n e t i c c o a g u l a t i o nr e s e a r c ht oan e ws t a g e i n n o v a t i v e l y ，i nt h i ss t u d yt h ef r a c t a lt h e o r yw a si n t r o d u c e di n t ot h e m a g n e t i c f l o c c u l a t i o n s e w a g et r e a t m e n tp r o c e s sf o rf l o c c u l a t i o ne f f e c t a n a l y s i s ，r e s p e c t i e l yo nm a g n e t i cs e e dc o m p o u n df l o c c u l a t i n ga g e n ta n d m a g n e t i cf l u i dc o m p o u n df l o c c u l a t i n ga g e n t ，t h ef l o c c u l a t i o ne f f e c tw a s s t u d i e dw i t hf r a c t a lr e s e a r c h ，a n dt h e nt h ef r a c t a lf e a t u r e so ft h em a g n e t i c f l o c c u l a t i o n t h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt or e v e a lt h er e l a t i o nb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n dt h e f r a c t a ld i m e n s i o nw h i c hi n f l u c i n gm a g n e t i cf l o c c u l a t i o ne f f e c t ，t h i ss t u d y d e p i c t e dt h ef o r m i n gp r o c e s s o ft h ef l o c c u l a t i o nb o d yw i t hc l o s et or e a lp o i n t ， a n dt h e nr e v e a l e dt h es t r u c t u r ea n d u n d e r s t a n d i n g o fm e c h a n i s ma n d f o r mo ft h ef l o c s ，s oa st og e tt h e f l o c c u l a t i o n p r o c e s s w i t h m a g n e t i c f l o c c u l a t i o n f i r s to fa l l ，u s i n gt h eh o m e m a d er e a c t o r i n ，t h et e s to fo v e r f l o w s e w a g ef r o mp u m ps t a t i o n ，t h r o u g ht h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，t h em a i n i n f l u e n c ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h em a g n e t i cf l o c c u l a t i o ne f f e c tw e r e ：p a c d o s i n gq u a n t i t y ，m a g n e t i cs e e dd o s i n gq u a n t i t y ，h y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，p h ， a n dp a md o s i n gq u a n t i t y a n df o rm a g n e t i cs e e dc o m p o u n df l o c c u l a t i n g a g e n t ，i nt h eb e s tc o n d i t i o no fm a g n e t i cf l o c c u l a t i o n ，t h ef a c t o r si n f l u c i n g t h e f r a c t a ld i m e n s i o no ff l o c sr e v e a lt h a t ，i np a co p t i m a ld o s i n gq u a n t i t y8 0 m 以d f m a x i m u mi s1 9 6 ；i nm a g n e t i cs e e dd o s i n gq u a n t i t yf o r2 5 0m 叽 d fm a x i m u mi s2 6 4 ；i nt h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hf o r2 5 0m t ，d em a x i m u m i s2 7 0 ；p h8 0 ，d fm a x i m u mi s2 2 2 ；p a md o s i n gq u a n t i t yo f0 0 6m g l ，d f m a x i m u mi s2 3 4 a n di nt h eb e s th y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，i nt h es e q u e n c eo f t h ef a s ts p e e d ，f a s ts t i r r e dm i x i n gt i m e ，s l o ws t i rs p e e d ，s l o w l ys t i rt i m e ，t h e d fi si nt h em a x i m u m2 6 2 ，2 0 3 ，2 3 4 ，2 3 6 2 t h r o u g ht h ef r a c t a ls t u d yf o rm a g n e t i cf l u i dc o m p o u n df l o c c u l a t i n g a g e n t ，i tw a sr e s u l t e dt h a t ，i nt h eb e s tf l o c c u l a t i o nc o n d i t i o n s ，t h a ti sw h e n t h e f l o c c u l a n td o s i n gq u a n t i t yf o r4m l ，l ，m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hf o r2 5 0m t ， p ht o8 t h ef r a c t a ld i m e n s i o no ft h ef l o c sr e a c h e sm a x i m u m ，a n di nt u r nl s 2 3 4 ，2 6 3 ，2 3 5 a l s o ，a c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，u s i n g t h er e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，s t u d i e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u c i n gt h ef r a c t a l d i m e n s i o no fm a g n e t i cf l u i dc o m p o u n df l o c c u l a t i n ga g e n tf l o c s t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ，i nt h ef l o c c u l a n td o s i n gq u a n t i t yo f3 5m 讥，m a g n e t i cf i e l d i n t e n s i t yf o r2 5 0m t ，p h7 0 7 5 ，t h ef l o c sh a v et h el a r g e s tf r a c t a ld i m e n s i o n a n dp a r t i c l es i z e t h r o u g ht h eh y d r a u l i cc o n d i t i o n st e s t ，i tr e s u l t e dt h a t ，w h e n l v 江苏大学硕士学位论文 t h es l o ws t i rs p e e do f6 0 r m i n ，t h es l o ws t i r r e dt i m ef o r2 4 0 s ，t h eq u i c ks t i r s p e e df o r2 5 0 r m i n ，a n dt h eq u i c ks t i rt i m ef o r6 0 s ，t h ef r a c t a ld i m e n s i o n a c h i e v et h em a x i m u m ，a n da tt h i st i m eo ft h e f l o e s ，i th a s t h eb e s t s e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c e 3 i no r d e rt of u r t h e rs t u d yt h ef r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a g n e t i c f l o c c u l a t i o nf l o e s ，a n dt og u i d et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e d t h em 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 so fm a g n e t i cf l o c c u l a t i o nf l o c s ，a n ds e tu p t h eg r o w t hd y n a m i cm o d e lo ft h ef l o e s t h ep a r t i c l es i z eo fm a g n e t i c f l o c c u l a t i o nf l o e sh a dah i g hs p e e do fg r o w t hi nf l o c c u l a t i o np h a s eo ft h ef i r s t 6m i n ，a n dt h e ng r a d u a l l yb e c a m em o r es t a b l ea f t e r1 0m i n t h r o u g ht e s t s i m u l a t i o n ，t h ea v e r a g eg r o w t hr a t er e a c h e dm a x i m u m 8 3 6 2 1 x m m i nw h e ng i = 8 0 0 2 0 s 、t 1 5 1 4 5 s 、g 2 = 1 5 5 s 、t 2 - - 2 2 4 1 3 s i naw o r d ，f r o mt h er e s u l t sa b o v e ，i ts h o w e dt h a tt h et h es i z eo ff r a c t a l d i m e n s i o nw a sr e l a t e dt ot h e m a g n e t i cf l o c c u l a t i o n e f f e c t f o rt h eo f a p p l i c a t i o nf r a c t a lt h e o r y ，w ec a nh a v eam o r ec l e a r l yk n o w l e d g eo ft h e d i s o r d e ra n di r r e g u l a r i t yf o r mo fm a g n e t i cf l o c c u l a t i o np r o c e s s ，a n dt h i s p r o v i d e sp o w e r f u lt o o l st oi m p r o v e t h em a g n e t i cf l o c c u l a t i o np r o c e s sa n dt o t h em e c h a n i s mr e s e a r c ho f m a g n e t i cf l o c c u l a t i o n ，m a k i n gm a g n e t i c f l o c c u l a t i o n p r o c e s s i nt h eb e s t k e e p t h el o w e s to u t l e tw a t e r e n e r g y c o n s u m p t i o nb e c o m ep o s s i b l e ，a n d ，a tt h es a m et i m ef r a c t a lt h e o r yw i l lp l a y a ni m p o r t a n tr o l eo fc o n t r o la n df o r e c a s tf o rt h ep r o d u c t i o na n du s eo f m a g n e t i cf l o c c u l a t i o na g e n ta n dm a g n e t i cf l o c c u l a t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：m a g n e t i cf l o c c u l a t i o n ，f r a c t a lt h e o r y , f r a c t a ld i m e n s i o n ， g r o w t hk i n e t i c s ，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 co ff l o c s v 江苏大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着自然科学的发展和学科的交叉利用，磁场越来越多的被引入环境保护领域， 尤其是在污水处理方面已成为一项典型的新型的废水处理技术。磁场作为一种具有 特殊能量的场，在磁场的作用下，溶液的各种性质如导电率、介电常数、粘度、电 化学反应等均会发生变化，而且这些变化会持续较长时间，我们称之为记忆效应【1 1 。 相关研究表明，磁场对物质的理化性质具有一定影响【2 】，在外加磁场条件下，物质的 萃取过程、吸附效果、絮凝沉淀【3 】等效果得到加强。基于上述现象，多年来磁技术一 直是研究热点。 磁絮凝水处理技术是近年来新提出的一种废水处理技术。将磁场应用于废水处 理中主要在生物和磁分离两个方面。生物磁效应方面，目前常用的是对微生物的处 理，通过磁场效应来促进反应速率。而在磁分离中，主要是基于磁场力的作用，通 过对废水外侧设置磁场，将废水中的含磁颗粒进行磁化，从而使之凝聚，最终形成 较大的絮凝体后，在磁场作用下分离出去：对水中的无磁颗粒，则需要投加磁种， 通过进行化学絮凝反应，生成含磁絮体，从而将其分离出来，目前磁场在磁分离技 术中的应用主要集中在高梯度磁分离方面【州。 目前，磁技术己在多种废水中得到应用，它可以单独使用也可以与其它水处理 技术联合使用，其具有能耗低、易于操作、无二次污染且成本低等优点n 磁絮凝技术虽已经在多种废水处理中得到应用，但是此技术要想在水处理中广 泛应用还具有一定距离。余永富等研究了磁场对磁性颗粒的作用机理，并分析了磁 场作用下颗粒的沉降过程。目前，对磁絮凝的研究主要集中在絮凝剂和磁场的作用 前期，而对磁场作用后期，诸如絮体的形成过程和变化规律的缺少相应的研究。 1 2 磁絮凝技术研究现状 磁场对物质理化性质影响的研究，已有几十年的历史，但由于多种影响因素综 合作用，过程复杂，试验的可重复性和可靠性都较差。因试验条件的限制，致使磁 场对物质理化性质影响的机理问题一直没有弄明白。多年来国内外许多学者在机理 研究方面进行了大量的努力，做了许多试验，取得了许多宝贵试验数据，也提出了 一些见解和看法，然而到目前为止，还没有一种理论能比较圆满地解释磁场对物质 分形理论在磁絮凝工艺中的应用研究 理化性质影响的作用机理。对机理深入地、细致地、广泛地进行研究，必将提高人 类对磁现象的认识，进一步促进磁技术的蓬勃发展。 1 2 1 磁絮凝技术应用现状 目前，磁絮凝技术在处理生活污水、含油废水和印染废水方面都有应用。刘吉 生等【8 】采用磁化絮凝高梯度磁分离方法处理城市污水，研究了磁种用量、磁场强度、 混凝剂用量、污水p h 值和流速等工艺参数对废水净化效果的影响。陈文松【9 】等选用 低剂量f e n t o n 氧化磁种混凝一高梯度磁分离技术处理色度为8 0 0 倍、c o d 为 5 6 5 0 m g l 的成分复杂印染废水效果良好，色度、c o d 的去除率分别达到9 2 6 和 7 9 5 ，符合国家二级排放标准。朱又春【1 0 】等采用磁分离法借助于磁性物质作为载体， 利用油珠的磁化效应，将磁性颗粒与含脂类废水相结合，使废水中的油脂等分散在 磁性颗粒上被吸附，再通过分离装置，将磁性物质及其吸附的脂类留在磁场，从而 达到分离的目的。另外，利用磁絮凝技术处理含维生素c 废水、含藻废水、含铬废 水等都具有良好的效果【1 1 1 。 磁絮凝技术作为一种较新的污水处理技术，为污水处理指明了一个发展方向， 它具有耗能低，效率高，方便快捷等优点。磁絮凝剂及磁反应器的生产所需物料廉 价易得，因此生产成本低，适于大批量生产，有广阔的市场前景。并且磁反应器能 节约絮凝剂的使用量，减少污泥处理费用，还可大幅降低后续处理构筑物的运行费 用，有极大的社会效益。 1 2 2 磁絮凝技术机理研究现状 自上世纪5 0 年代以来，人们对絮凝机理做了大量深入的研究。目前，比较合理 的絮凝机理有：胶体的双电层结构、压缩双电层机理、吸附一电中和作用、吸附一架 桥作用和絮体的卷扫网捕作用等。而这些作用在水处理中常不是单独孤立的现象， 而往往是同时存在的，只是在一定情况下以某种现象为主而己，可以用来解释水处 理中的絮凝现象。磁场的介入，也是通过改善水质以及絮体的理化性质从而强化絮 凝效果【1 2 1 。 相关研究表明，磁场处理对水的许多物理化学性质( 如折射率、电导率、介电常 数、表面张力、粘度、紫外吸收光谱、激光拉曼光谱、红外吸收光谱等1 都有影响； 磁处理对溶解、结晶、湿润、凝聚及凝固也有影响【1 3 】；磁处理可使水系统显著活化， 并能影响化学反应的动力学过程；磁场能强化离子交换，强化吸附和强化絮凝等 江苏大学硕士学位论文 1 4 - 1 5 】。本研究表明，通过在絮凝过程中投加磁种或磁性絮凝剂，使形成的絮体体积 明显增大，能显著提高絮体沉降速度，提高絮凝效果。目前，关于磁场强化絮凝的 理论主要有以下几点： 1 1 磁场对水体颗粒物化学过程的强化作用 水中粒径小的悬浮物以及胶体物质，由于微小粒子的布朗运动，以及胶体颗粒间 的静电斥力和胶体表面的水化作用，能够增强水中粒子悬浮状态的稳定性。向水中投 加絮凝剂后，由于降低了颗粒间的排斥力，降低胶体颗粒的6 电位，从而使胶粒“脱 稳 ，同时由于聚合高分子混凝剂的吸附架桥作用和网捕作用等，使颗粒发生凝聚 1 6 - 1 8 1 o 在外加磁场作用下，由于水中不规则运动的颗粒本身带有电荷，在磁场中会受 到磁力的作用，其大小表示为【1 9 】： f = 留 ，b( 1 1 ) 其中，f 一洛仑兹力，n ； ( 广一粒子带电量，c ； r 粒子在磁场中的运动速度，m s ： b _ 一磁感应强度，t 。 存在于溶液中的磁力能够影响运动粒子间的碰撞效率，通过改善溶液中各种粒 子之间的作用途径，提高它们的离解和化合作用效率，从而影响沉淀颗粒间的平衡， 提高絮凝效果。 相关研究认为，水作为一个极性分子，当在水周围添加磁场时，较大水分子集 团链中的一h 会发生断裂，使处于近中性的单分子或双分子水变成极性较强的水，从 而使这些极性水分子具有了较强的活性，这样就能使水中较大的胶体粒子进一步被 水分子细化，使水的溶解度增大 2 0 1 。s v o b o d aj 【2 1 l 等在研究磁性微粒( 包括弱磁粒子) 的絮凝时得出磁场能改变物质的化学和物理特性，改善悬浮颗粒物的絮凝效果，增 大其沉降速度。他假设固体颗粒是两个等同的半径为b 的球体，由此可以推得两个 颗粒间附加的磁性作用v m 为： 圪= - ( 3 2 7 c 2 b 3 2 2 8 2 ) ( 9 r 3 比o ) ( 1 2 ) 式中，附一真空磁导率，h m ； 广颗粒的磁化率，h m ； b 一磁感应强度，t ； 3 分形理论在磁絮凝工艺中的应用研究 b 一颗粒半径，m ； r 一两颗粒中心间距，m 。 根据胶体稳定性的d l v o 理论【2 2 1 ，在外磁场中絮体间相互作用的总能量v 可以 表示为： v = 屹+ k + k + k + 圪 ( 1 3 ) 其中，v f 一范德华作用，n ： - 一双电层作用，n ； v a _ 一架桥作用，n ； v s _ 吸附作用，n ； v r 附加的磁作用，n ； v 二一外磁场中絮体间相互作用的总能量，n 。 由( 1 2 ) 可知，v m 与) c 的符号无关，即在外加磁场条件下，无论是抗磁性还是顺 磁性颗粒，其v m 值恒为负值。这样就使得各种颗粒在磁场中的v 值有所下降，从 而增进了颗粒间的互相吸引，促进了颗粒之间的凝聚。 庄杰，张玉龙等【冽认为磁场能够提高( 一o h ) 基团的活性，促进对金属离子的吸 附，从而发生其更多的络合反应。l c l i p u s 刎等在研究中发现，在磁场作用下，水 中的细小的非磁性颗粒的扩散更加不稳定，溶液中的离子大量地向固体颗粒表面移 动，从而使得加速凝聚和沉淀生成在理论上成为可能。 2 ) 磁场促进絮体沉降速度的机理研究 在磁场作用下，形成的絮体体积较大，密度增加，从而使絮凝过程中絮体沉降 速度提高。悬浮颗粒的沉降速度可用式( 1 4 ) 表示【御： ，= g d 2 ( 8 - p ) 1 1 8 少( 1 4 ) 其中，卜颗粒密度，k g m 3 ； 、卜液体粘度，p 挑； 旷液体密度，k g m 3 ； 旷自由加速度，一般取9 8 m s 2 ； 卜颗粒直径，m 。 在磁场作用下絮团尺寸增大，同时磁化后的剩磁作用也使絮凝体进一步致密化。 由于1 ) o c d 2 ，且1 ) o c 6 ，这样就使得磁性絮团的沉降速度有所增加。 3 ) 磁场改善污泥过滤性能机理分析 4 江苏大学硕士学位论文 许多研究认为溶液中的众多水分子在一般情况下可以通过氢键形成以四面体结 构互相联结而成的比较大的分子集团，但是在外磁场作用下水分子的内聚能减小， 即外磁场作用后，水系统局部能量下降，使得大分子集团拆散，单个水分子增加， 从而使水系统的粘度和表面张力降低，污泥的渗透性能得以改善。类似的，a b b o n a f t 2 6 等学者也指出，磁场能够降低水分子间的约束，使水的粘度减小，渗透性增强，滤 渣含水量减少，从而提高了过滤速度，改善沉渣的脱水性能。 1 2 3 影响磁絮凝处理废水的因素研究现状 磁絮凝过程是一个复杂的物理和化学过程，磁场强度、絮凝剂投加量、磁种投 加量、搅拌时间和强度、p h 等都直接影响絮凝凝的效果。 1 滋场强度的影响 通常情况下，磁絮凝效果会随着磁场强度的增大而提高，如磁絮凝去除淡水藻 华的研究中，在外加磁场条件下，利用壳聚糖和f e 3 0 4 负载除藻，在0 0 5 t 的磁场 强度下，磁场强度越大，磁铁对藻细胞的富集时间越短，外加磁场的选择直接影响 了壳聚糖与f e 3 0 4 复配除藻的效率。但如果磁场超过一定范围，其起的作用就会下降。 尹春艳【2 7 1 做的磁场协助改性p a c 处理含c ，废水试验中，随着磁场强度的增大，c ， 去除率逐渐增加，当磁场强度大于5 0 0 m t 后，c ，去除率趋于平稳。这是因为，刚 开始随着磁场强度的增大，有利于絮凝剂的定向排列及与水样中污染物的接触，沉 淀逐渐增多、增大、密实、容易沉降、螯合作用增强，所以去除的重金属离子也逐 渐增多。但当磁场强度增加到一定程度后，磁场使絮凝剂和水样中的污染物有效碰 撞的几率不再增加，螯合作用也达到极限，因此c ，去除率也就趋于平稳。 2 1 絮凝剂投加量的影响 在磁絮凝工艺中，往往通过絮凝剂同磁性物质复合，形成具有磁性核心的磁性 絮体，同时利用磁场效应提高絮凝效果。同样，絮凝剂以及磁性负载物的用量往往 对絮凝效果也具有很大影响。柳丹、王相勤 2 8 - 2 9 1 等利用磁聚复配物絮凝预处理维生 素c 废水，其复配物浓度对絮凝效果的影响很大。试验表明絮凝剂浓度的增加有助 于架桥的发生，但过多的加入反而会引起吸附饱和，在每个胶粒上形成覆盖层，从 而使胶粒产生再次稳定现象。所以体系中絮凝剂浓度过高和过低都达不到好的处理 效果。另一方面，复配物中f e 3 0 4 的含量越高，形成的絮体在外磁场下的磁响应性越 强，故沉降速度越快，但要考虑成本和固液分离速度来确定f e 3 0 4 的最佳投加量。 分形理论在磁絮凝工艺中的应用研究 3 ) 磁种投加量的影响 目前磁絮凝技术多用向絮凝剂中投加磁种的方式来净化污水，因此磁种的用量 对污染污的去除效果和污泥沉降速率都有很大影响。磁种与絮凝剂、有机污染物之 间能产生较强的吸附力，它们之间进行磁絮凝反应后能形成粒径和相对密度较大的 复合磁絮凝体，增强絮凝效果，加快分离速度，从而大大缩短沉降时间。 4 谠拌强度的影响 磁絮凝是一个复杂的物理化学相结合的动力学过程，由于采用磁力和机械双重 搅拌，如果搅拌强度控制不好，絮凝剂和污水中的悬浮颗粒就不能充分混合，从而 影响絮凝效果；如果在絮团形成以后继续剧烈搅拌，则会使已形成的絮团破碎，使 体系重新达到平衡，影响絮凝效果。 5 ) p h 值的影响 在采用磁絮凝工艺对废水进行处理工程中，p h 值是影响絮凝效果的主要因素之 一。以铝盐絮凝剂为例：铝盐在水解过程中所生成的氢氧化铝胶体物质属于两性化 合物。当其离解时能生成带正电的阳离子，也能生成带负电的阴离子，这主要取决 于水的p h 值，如p h 值 8 5 ，氢氧化铝离解成带负电、溶于水的铝酸盐。化学反 应式是：a 1 ( o h _ ) 3 = a 1 0 2 - + h 2 0 + i - i * 。如果水中碱度大，则此反应式即向右进行。 如果p h 7 ，处在酸性溶液中，上式即趋向左方进行【3 1 。3 1 。 1 3 磁絮凝技术发展趋势 1 3 1 工艺特点及存在问题 磁絮凝与传统絮凝沉淀工艺相比，具有独特的优势：磁场的应用，不仅有利于 保持水质的稳定，进一步提高絮凝效果，缩短絮体沉淀时间，还能减少污泥产量、 缩短运行周期、节省投资费用。而且还具有适用范围广、处理效率高、占地面积小、 耐冲击负荷、药剂用量低等优点。但同时，由于磁絮凝作为一种新型的水处理技术， 必然存在一定问题：低廉的、具有较好作用效果的磁絮凝剂有待进一步开发； 磁反应器普遍存在造价高，运行能耗高等问题；和磁絮凝实际应用相比，磁絮凝 的理论研究还很欠缺；目前，磁絮凝只在部分地区、对特定废水处理中得到应用， 离大规模应用还有一定差距；对磁絮凝过程中絮体的形成过程及变化规律的研究 很欠缺。 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 发展趋势 目前对絮凝剂的研制主要集中在追求高效、廉价和环保方面，降低现有技术的 生产成本、提高处理效率是当前污水处理工艺的当务之急，而开发新型的污水处理 工艺则是重中之重。因此，对于磁絮凝技术的发展，还需要从以下几个方面进行改 进：加强对磁絮凝理论的深入研究，尤其是磁场对絮体的作用方式和机理，以及 絮体的变化规律，为该技术在实际中的应用提供更多的理论指导，研究高效磁絮 凝反应器；加强各种力场控制力的作用，提高絮凝效果；研究适合我国国情的 高效、节能的新型磁絮凝剂；加强磁絮凝技术同其他技术的联用；提高磁絮凝 技术在实际应用过程中的智能化，利用计算机及数学模型，对水处理过程中磁场的控 制、絮凝剂的投加等进行智能化管理，提高絮凝剂的使用效率。 1 4 絮凝形态学研究现状及进展 絮凝形态学是蒋展鹏、汤忠经于1 9 8 6 年在国内首次提出的，是一个研究水质混 凝过程中溶液中胶粒和混凝剂的形态特征及对混凝过程与混凝效果影响规律的一门 新的混凝学理论分支【州。 絮凝形态学一经提出，便立即成为混凝过程研究的热点，不少学者p 5 。6 1 做了许 多相关的研究，并把混凝形态学的研究分为三个方面： ( 1 ) 检测和研究水溶液中胶体粒子及所投加絮凝剂的各种性质，如大小、形状等； ( 笏研究胶体粒子和絮凝剂的形态特征对其结构的影响规律； ( 3 ) 从理论上将形态学特征对混凝效果的影响规律作出准确的数学描述。 目前对絮凝形态学的研究主要集中在前两个层次上，汤忠经和蒋展鹏借助电子 显微镜对絮凝体粒子在水中的形状进行了观察，结果表明，不同絮凝剂颗粒有着相 互迥异的形状、大小和空间结构，大部分都是以片层状为主体的结构及其衍生态( 如 折叠、卷曲等1 ，而经典胶体化学中所描述的球形颗粒在其中并不多见【3 7 】。 絮凝形态学必然涉及絮凝剂形态研究，混凝过程中投加的絮凝剂，其水解产物 会有不同的物理形态，对混凝效果就有着不同的影响。经过十余年的发展，在水中 胶粒形态、絮凝剂形态以及两者对絮凝效果的影响规律方面的研究都取得了一定的 进展，但仍不完善，如絮体的生长动力学、絮体的结构模型都没有新的研究成果， 而且第三层次的研究也还没有较大的进展。另外，针对具体胶粒絮凝的形态学研究 也较少【3 8 1 。 7 分形理论在磁絮凝工艺中的应用研究 细小的颗粒或者胶体可以通过人为的或天然的过程聚集在一起，这种聚集过程 就形成了具有高度孔洞结构、不规则性的聚集体，即所谓的“絮体。混凝工艺过程 中，絮凝体的成长是一个随机过程，其特性( 如絮凝体等效粒径、密度、空隙率、絮 凝体强度、沉降速度等) 对絮凝效果有重要影响【3 9 1 。絮体具有非线性的特征，如果不 考虑絮凝体的破碎，常规的絮凝过程是由初始粒子结成小的集团，小的集团又结成 大的集团，然后结成更大的集团，一步一步地成长为大的絮凝体。这一过程决定了 絮体外侧和中心结构具有高度不规则性，及自相似性和标度不变性，这表明絮体的 结构及形成过程具有分形特征。分形理论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。因此，将分形理论应用于絮凝领域的研究并加以丰富和发展，成 为一个显著的前沿热点，并为絮凝理论研究提供了一个崭新的生长点。 1 5 分形理论基础及其应用现状 1 - 5 1 分形理论