（环境工程专业论文）污泥壁面滑移影响因素试验研究.pdf

摘要 论文题目：污泥壁面滑移影响因素试验研究 学科专业：环境工程 研究生：张丽 指导教师：冯民权教授 签名： 摘要。 关于壁面滑移机理从2 0 世纪至今是流变学研究的热点之一，但目前对复杂流体壁面 滑移的研究，国外大多是针对纯聚合物，国内大多是针对水煤浆，还鲜有关于污泥壁面滑 移的报道。长久以来，污泥的处置一直是制约污水处理厂正常发展的主要问题之一。我国 在实验室已经开展了将污泥作为试验对象的研究，从输送角度将污泥看成是高浓度黏稠物 料的一种。高浓度黏稠物料的管内流动结构和阻力特性是由流体流变特性和壁面滑移特性 共同支配的。壁面滑移对流体的不稳定性和流量影响较大，在一定条件下，可以使流体在 管壁上的速度不为零，从而达到减小流体输送阻力、提高输送效率的目的。 壁面滑移是一个复杂的现象，影响因素很多，以平行板旋转流变仪( a r 2 0 0 0 ) 为主 要工具，并借助高速摄像机，在稳态与动态剪切模式下对脱水污泥是否存在滑移现象以及 影响壁面滑移的可能因素展开试验研究。本文主要取得的成果如下。 ( 1 ) 稳态剪切流试验中，采用直线标记法观察滑移现象，考察了应力应变数据对平 行板间距的依赖性，同时研究峰值扫描时间应力曲线的趋势。结果表明，随着应变增大， 含水率8 0 的污泥，剪切应力在某一处发生分叉，即剪切应力依赖于间距，说明发生了滑 移现象，同时将其用来研究临界剪切应力以及计算滑移速度的大小，拟合出剪切应力和滑 移速度的公式。而含水率8 7 的污泥在试验范围内应力应变曲线重合较好，即没有滑移 发生。同时对含水率8 0 的污泥在不同剪切速率下进行了5 s 矛d 6 0 s 的扫描，5 s 与6 0 s 情况下 剪切速率分别于大于1 0 s 。和0 5 s 。1 时时间应力曲线出现峰值情况，即均有滑移现象发生。 从而可以得到浓度、剪切速率和时间均对滑移有一定影响。 ( 2 ) 动态剪切流试验中，分析了应力总波形，应变= 6 2 8 ，应力幅值随时间逐渐 下降，然后保持平衡。y 。= o 1 ，应力幅值始终保持恒定。随后对含水率8 0 的污泥进行 不同角频率、温度三种间距下应变扫描，不同角频率下剪切应力在线性区以及非线性区的 前一阶段重合得较好，在非线性区某处分叉，而分叉点处的剪切应力和应变不是恒定的， 与角频率有关，这表明壁面滑移不仅与剪切应力有关，还可能与应变、角频率等有关。因 此使用临晃剪切应力不能解释壁面滑移的发生。一定温度范围内( 2 7 - 3 5 。c ) ，发生间距 依赖性，但是分叉点大概相同，即温度对污泥滑移影响甚微。 ( 3 ) 对污泥在不同材质( 铝、不锈钢和黄铜) 夹具上做了稳态剪切试验，分别用滑 教育厅重点实验室科学研究计划项目( 2 0 0 9 - 12 ) 西安理工大学硕士论父 一 移速度和滑移长度表征壁面滑移程度，发现夹具的表面能对于污泥壁面滑移有重要影响。 不同材质下，滑移速度不同，即滑移速度在不同材质的夹具下：不锈钢 铜 铝。这符合 目前流行三种滑移机理中的第二种，即高分子链与壁面的附着一脱离模型，它适用于表面 吸附能较弱的情形。结果标明：表面吸附越大，壁面滑移越弱。 关键词：污泥，壁面滑移，管道输送，影响因素 h b st r a c t t i t l e ：s t u d yo nt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fs e w a g es l u d g e v v a l ls l i p m a j o r ：e n v i r o n m n a m e ：l iz h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e n t a le n g i n e e r i n g m i n q u a nf e n g a b s t r a c t s i g na t u r e ：二1 2 s i g n a t u r e ：丛! 垒宝坐硇 m e c h a n i s mo fw a l ls l i pi so n eo ft h eh o tr e s e a c ho nr h e o l o g yf a rf r o mt h e8 0 s b u t a t p r e s e n t ，t h er e p o r ti ss t i l lr a r eo ns l u d g ew a l ls l i p ，a n do nt h es t u d yo fw a l ls l i po fc o m p l e x f l u i d sa r em o s t l yf o rp u r ep o l y m e r , i nc h i n aa r ec o a lw a t e rs l u r r y f o rl o n g ，t h ed i s p o s a lo f s e w a g es l u d g ei so n eo ft h em a i ni s s u e sw h i c hr e s t r i c t e dt h en o r m a ld e v e l o p m e n to ft h es e w a g e t r e a t m e n tp l a n t i no u rc o u n t r y , s e w a g es l u d g e ( t h ec o n c e n t r a t i o nw a sm o r et h a n2 0 ) h a sb e e n c a r r i e do u tf o re x p e r i m e n to b j e c ti nt h el a b o r a t o r yw h i c ht a k e na st oah i g hc o n c e n t r a t i o no f v i s c o s em a t e r i a l sf r o mt h et r a n s p o r t a t i o np o i n to fv i e w t h ef l o ws t r u c t u r ea n dr e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c i nt h ep i p eo fh i g hc o n c e n t r a t i o no fv i s c o s em a t e r i a l sw e r ed o m i n a t e db y r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff l u i da n dw a l ls l i p w a l ls l i ph a sg r e a ti n f l u e n c eo nf l o w , u n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s ，i tc a nm a k et h es p e e do ft h ef l o wi nt h ew a l ln o tt ob ez e r o ，s oa st or e d u c e s r e s i s t a n c eo ff l u i dt r a n s p o r t a t i o na n di m p r o v e st r a n s p o r te f f i c i e n c y w a l ls l i pp h e n o m e n o no fs e w a g es l u d g ea n da f f e c ts l i pp o s s i b l ef a c t o r sw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yb yu s i n gar o t a t i o n a lr h e o m e t e rw i t hp a r a l l e lp l a t ef i x t u r e sa n db ym e a n sh i g h s p e e dc a m e r ai nt h es t e a d ys h e a r i n gf l o wa n di n t h ed y n a m i co s c i l l a t o r ys h e a rf l o w t h e a c h i e v e m e n t so ft h i se x p e r i m e n tw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h es t e a d ys h e a r i n gf l o w , t h et e c h n i q u ei n v o l v e sp l a c i n gas t r a i g h tl i n em a r k e r m o n i t o r i n go fw a l ls l i p 、c h e c k i n gt h eg a pd e p e n d e n c eo ft h es t r e s s s t r a i nd a t aa n ds t u d y i n gt h e t i m e s t r e s sd a t at r e n do fs t r a i ns t e p p e ds c a n n i n g f o rt h es e w a g es l u d g ew a t e rc o n t e n to f8 0 ，i t w a sf o u n dt h a t ，a st h es t r a i na m p l i t u d ei n c r e a s i n g ，t h es t r e s sd a t ao b t a i n e da td i f f e r e n tg a p s ，t h e n ， a tac e r t a i ns t r a i na m p l i t u d e ，s t a r t e dt od i v e r g e ，i n d i c a t i n gt h a tw a l ls l i po c c u r r e d ，m e a n w h i l e ，i t h a sb e e nu t i l i z e df o rs t u d y i n gt h ec r i t i c a ls h e a rs t r e s sa n dc a l c u l a t i n gt h es l i pv e l o c i t y , t h e n f i t t i n gt h ef o r m u l a t i o no fs h e a rs t r e s sa n ds l i pv e l o c i t y b u tf o rt h es e w a g es l u d g eo fw a t e r c o n t e n t8 7 ，t h e s ec u r v e sa r es u p e r i m p o s e ，i n d i c a t i n gn os l i po c c u r r e d w h i l es c a n n e dt h e s e w a g es l u d g ew a t e rc o n t e n to f8 0 a td i f f e r e n ts h e a r r a t e si n5 sa n d6 0 s ，i tf o u n dt h a tu n d e r5 s i i a n d6 0 sr e s p e c t i v e l y , t h es h e a rr a t ei s g r e a t e rt h a n10 s 。1a n d0 5 s d u r i n gt i m e s t r e s sc u r v e s a p p e a r e dp e a kc o n d i t i o n ，s h o w ss l i po c c u r r e d ( 2 ) i nt h ed y n a m i co s c i l l a t o r ys h e a rf l o w , w ea n a l y z et h et o t a l w a v e w h i l es t r a i n y o = o 6 8 ，s t r e s sa m p l i t u d ed e c r e a s e sw i t ht h et i m e ，w h i l es t r a i n ：o 1 ，t h es t r e s sa m p l i t u d e r e m a l n sc o n s t a n t t h es t r e s s s c a n n i n gu n d e rt h et h r e eg a p sh a sb e e nd o n eo nt h es l u d g eo f d i f f e r e n ta n g u l a rf r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r e i nt h ep r e v i o u ss t a g e ，s h e a rs t r e s sc o i n c i d eb e t t e r u n d e rt h ed i f f e r e n ta n g u l a rf r e q u e n c yi nt h el i n e a rr e g i o na n dn o n l i n e a r r e g i o n ，s o m e w h e r ei n t h en o n l i n e a ra r e ai t a p p e a r sb i f u r c a t i o n ，b u tt h es h e a rs t r e s sa n ds t r a i ni sn o tc o n s t a n ti nt h e b l t u r c a t i o np o i n t i nac e r t a i nt e m p e r a t u r er a n g e ，g a pd e p e n d e n c eo c c u r s ，b u tt h eb i f u r c a t i o n p o i n t1 sa l m o s ts a m e i ti n d i c a t e st h a tt h ew a l ls l i pi n v o l v e ss t r a i n ，a n g u l a rf r e q u e n c va n do t h e r f a c t o r s ，a n dt h et e m p e r a t u r eo fi t si m p a c ti sn e g l i g i b l e ( ”s t u d i e dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tm a t e r i a lf i x t u r e s ( a l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e la n d b r a s s ) o nt h ew a l ls l i po fs e w a g es l u d g e t h es l i p v e l o c i t ya n ds l i pe x t r a p o l a t i o nl e n g t hw e r eu s e dt o c h a r a c t e r i z et h es l i pd e g r e er e s p e c t i v e l y i tw a sf o u n dt h a tt h ef i x t u r eo fs u r f a c ee n e r g yh a sa n 1 m p o r t a n ti n f l u e n c eo ns l i p ，t h es l i pv e l o c i t yh a sg r e a t l yd i f f e r e n c eu n d e rd i 髓r e n tm a t e r i a l s t h a tt h er e s u l t ss h o w sa l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e l b r a s s w h i c h a c c o r dw i t ht h es e c o n do ft h r e e m e c h a n i s mo fw a l l s l i p i st h ed i s e n t a n g l e m e n tm e c h a n i s mp r o p o s e db yb m c h a r da n dd e g e n n e s n a m e l y , t h eg r e a t e ra d s o r p t i o n ，t h ew e a k e rs l i p k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ；p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ；w a i ls l i p ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s 目录 目录 1 绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义4 1 2 壁面滑移国内外研究概况5 1 2 1 壁面滑移现象6 1 2 2 壁面滑移机理一7 1 2 3 壁面滑移的检测及速度计算8 1 2 4 壁面滑移的影响因素1 1 1 2 5 存在的问题1 4 1 3 论文的主要目的及内容1 4 1 3 1 研究目的1 4 1 3 2 研究内容1 5 2 试验概况一1 7 2 1 试验材料1 7 2 2 试验仪器一1 8 2 3 试验方法2 l 3 污泥在稳态中的壁面滑移2 3 3 1 引言2 3 3 2 试验准备2 3 3 2 1 试验材料准备2 3 3 2 2 仪器参数设置2 4 3 2 3 试验方案2 4 3 3 结果分析2 5 3 3 1 污泥的流变特性2 5 3 3 2 污泥的滑移特性2 5 3 4 本章小结3 2 4 污泥在振荡剪切中的壁面滑移3 4 4 1 引言3 4 4 2 试验准备3 4 4 2 1 试验材料处理3 4 4 2 2 仪器参数设置3 4 4 2 3 试验方案n 5 4 3 结果分析：3 6 4 3 1 动态剪切中的应力总波形3 6 西安理工大学硕士论文 4 3 2 线性粘弹区的确定3 7 4 3 3 角频率对壁面滑移的影响3 8 4 3 2 温度对壁面滑移的影响4 0 4 4 本章小结4 2 5 夹具表面能对壁面滑移的影响4 3 5 1 引言4 3 5 2 试验准备4 4 5 2 1 试验材料处理4 4 5 2 2 仪器参数设置4 4 5 2 3 试验方案4 4 5 3 结果分析4 5 5 4 本章小结5 l 6 结论和展望。5 2 6 1 结论5 2 6 2 对今后工作的建议5 3 致谢5 4 附录5 9 绪论 1绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 a 污水处理厂污泥处理现状 随着我国城市化进程的加快，城市污水处理率逐年提高，城市污水处理厂的污泥产量 也大大增加。尚未经过恰当处理处置的污泥进入环境后，直接给水体和大气带来二次污染， 不但降低了污水处理系统的有效处理能力，而且对生态环境和人类生活造成了严重的威 胁；但是，受城市污水处理建设发展水平和认识程度的限制，我国对污泥的处理处置始终 没有给予足够的重视，污泥处理处置依然处于严重滞后的状态，大量的污泥资源化利用还 处在初步的试验阶段，能够应用到实际生产环节的项目还不普遍，使得靠国家、政府长期 投资运行的污水处理厂不能有效的利用资源，将其迅速的无害化和转化成为经济效益n 1 。 ( 1 ) 我国污泥处理处置的现状与问题 据资料介绍乜1 ，我国污水处理厂平均每年排放的污泥重量( 干重) 大约为( 1 3 0 4 2 0 ) 1 0 4 t f 折合成含水率8 0 的污泥量为 ( 6 5 0 2 1 0 0 ) 1 0 4 t ) ，年增长率大于1 0 ，在我 国城市化水平较高的城市与地区，污泥出路问题已十分严重。若城市污水全部得到处理， 将产生污泥量( 干重) 8 4 0 1 0 4 t ( 折合成含水率8 0 的污泥为4 2 0 0 1 0 4 t ) ，占我国总固 体废弃物的3 2 。 在我国，由于经费和技术上的原因，目前污泥尚无稳定而合理的出路，总的状况还是 以填埋、堆放为主。有资料显示，在建成的污水处理厂中9 0 以上没有污泥处理的配套 设施。污泥处理处置问题已经在大城市中显现出来。早期的污水处理厂，由于没有严格 的污泥排放监管，通常将污水和污泥处理单元剥离开来，为了追求简单的污水处理率，尽 可能地简化、甚至忽略污泥处理处置单元；有的还为了节省运行费用将已建成的污泥处理 设施长期闲置，甚至将未做任何处理的湿污泥随意外运，简单填埋或堆放，致使许多大城 市出现了污泥围城的现象已开始向中小城市蔓延，给生态环境带来了隐患。目前我国虽然 开始关注污泥问题，但仍然停留在研究层面。2 0 0 3 年，我国主要大城市开始尝试进行污 泥处理处置规划，对其技术方案进行了充分论证，如：广州市近期采取生污泥填埋，远期 将用于农肥；深圳市已完成专项规划，拟采取干化加焚烧工艺；上海市则根据不同情况， 采取处理分散化、处置集约化、技术多元化的方针；天津市计划建设3 座污泥处理厂，采 用污泥消化发电工艺，但尚无污泥最终处置的方法；北京市污泥处理处置专项规划还未经 审批，土地利用将是主要发展趋势。 ( 2 ) 污泥处理处置的国际经验 西安理工大学硕士论文 污水和污泥的处理处置是与解决城市水污染问题同等重要又紧密关联的两个系统。污 泥处理处置是污水处理得以最终实施的保障，在经济发达的国家，污泥处理处置是极其重 要的环节，其投资约占污水处理厂总投资的5 0 - 7 0 。“。污泥处理处置的方法主要有填 埋、焚烧和多种形式的土地利用。由于各国具体情况不同，选择的方法各有侧重。在美国， 土地利用逐渐占据主角，2 0 世纪8 0 年代末填埋约占4 2 ，1 9 9 8 年土地利用比例急剧上 升至5 9 ，到2 0 0 5 年土地利用的比例己上升至6 6 ；日本由于国土面积较小，所以污泥 的处理处置以焚烧为主，约占6 3 ，土地利用占2 2 ，填埋占5 ，其他约占1 0 ；卢森 堡、丹麦和法国主要以污泥农用为主，爱尔兰、芬兰和葡萄牙等国污泥农用的比例还会逐 渐增加，而法国、卢森堡、德国和荷兰则计划加大焚烧的比例。“。即使一个国家的不同地 区对于污泥处理处置的方法也有所侧重，如在英国北部大型工业城市，由于污泥中重金属 含量较高且含有一些有毒成分，因此焚烧的比例较大，约占5 0 ，而英国的其他城市则 以污泥土地利用为主。通过以上分析可得到两点启发：一是各国都把污泥处理作为污水处 理系统的非常重要的环节，给予巨大投入，使污染治理能更加完善，这是成熟的污水处理 思路；二是不同国家和地区因地制宜地采取了适合各自国情的污泥处理处置技术路线，主 要考虑的因素为产业结构、土地资源、城市化程度等p j 。 b 污泥输送方式的探讨 长久以来，污泥的处置一直是制约污水处理厂正常发展的主要问题之一。污泥的运输 是污水处理厂与污泥利用单元之间的重要纽带。常用的污泥处置办法是在建立污水处理厂 的同时在厂内建立相应的污泥处置设施，就地将污泥浓缩、脱水和干燥成含水量较少的滤 饼，焚烧或运往山谷、海边等地予以掩埋和抛弃。早期建设的污水处理厂，周边已很难再 有可以利用的空闲土地资源，因此，将污泥深化利用单元建造在较远的地方成为必然，将 污泥处置设于郊区或山谷的分建方式日渐增加，污泥长距离输送的技术发展很快。 在传统方式中，通常是利用车辆、船舶等交通工具将污泥运往处置地，但车辆的相对 运输量较小，还会对环境带来噪声、异味，有时还会散漏形成二次污染，同时也会增加人 员、车辆维修及占地等方面的投资。这样，管道输送成为可供选择的方式之一。用管道输 送的方式运输污泥则会很大程度上减少对环境的污染，而且输送效率较高、规模较大，且 易于自动化，便于管理，还能有效节省人员、车辆、场地等方面的投资，同时也有助于缓 解交通紧张等社会性问题。 e 管道输送实例 ( 1 ) 国外污泥管道概况 国外很早就使用管道来输送污泥，污泥长距离管道输送实际应用在1 9 0 2 年始于英国 伯明翰，该系统管长约6 k m ，管径为2 2 5 m m 。随后，在欧美和日本等国相继建成多条管输 系统，欧美和日本各国若干管道输送概况。“5 | ，列举于表卜1 。从实例中可以看出污泥的 输送浓度一般比较低( 如1 2 左右) ，象清水一样输送，这是为了减少污泥的输送阻力， 没有考虑污泥的流变特性，因此输送效率很低。 2 绪论 表卜1 美国和日本各国污泥管道输送概况 t a b l e l t h eo v e r v i e wo fs o m es l u d g ep i p e l i n ei na m e r i c a na n dj a p a n 国家 城市管长( k m )管径( m m )污泥类型浓度( ) 英国伯明翰 6 4 32 2 5 消化污泥 8 5 1 0 美国伊格达 1 1 32 0 3 消化污泥 4 5 美国洛杉矶1 2 0 7 6 1 0 消化污泥 3 7 美国芝加哥 2 7 3 53 5 6 生污泥 1 2 美国芝加哥 8 0 53 0 5 生污泥 2 4 美国克利夫兰 2 0 9 23 0 5生污泥 3 4 美国费城 8 0 52 0 3生污泥 3 4 美国哥伦布 8 0 4 ，5 日本东京 1 0 63 0 5生污泥 1 2 日本东京 1 3 53 5 0浓缩污泥 1 5 日本人阪 1 33 5 0 0 6 日本大阪 1 0 3 5 0 0 6 日本名古屋 2 s t l l 82 0 0 4 8 0 ( 2 ) 国内污泥管道概况 我国目前没有管道输送实例，但我国在实验室已经开展了将污泥作为试验对象的研 究。北京中矿机电工程技术研究所哺3 从输送角度将污泥看成是高浓度黏稠物料的一种。所 述高浓度黏稠物料”特指如原生煤泥、城市污泥、造纸污泥等一类工业副产品或固体废 弃物，其浓度( 含固量) 一般都是现有生产中所能获得的最高浓度( 以符合“减量化原则”， 最大程度减小体积和重量) ，如煤泥浓度为7 0 以上，城市污泥的浓度为2 0 以上( 脱水 污泥) ，造纸废渣的浓度为4 0 以上。北京中矿机电工程技术研究所( 国内惟一专门从事 研发高浓度黏稠物料远距离管道输送成套装备的单位) 在中国矿业大学( 北京) 的帮助下 首先开发成功用于煤泥输送的管道系统中矿“m n s 煤泥管道输送系统”，使煤泥输送 难题迎刃而解。截止到目前为止，该实验室已经对城市污泥( 含水率8 0 ) 、造纸废渣 污泥( 含水率4 0 ) 和煤泥( 含水率3 0 ) 三种高浓度黏稠物料进行输送试验并进行了 一些测试研究。测试表明在输送过程中平均压力损失大小依次为造纸废渣污泥、煤泥和污 泥，这说明输送难易程度以城市污泥为最小，煤泥次之，而造纸废渣污泥输送为最难。 综上述分析，管道输送是以高效率、减阻为目的。国内提出了高浓度管道输送，以及 西安理工大学硕士论文 滑移减阻思想。滑移这一学科发展还比较短，减阻的机理还不太清楚，这方面的认识还存 在很大分歧。同时滑移减阻思想目前还鲜有应用到污泥管道输送方面。 d 污泥的处置 污泥的成分很复杂，是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的 集合体，除含有大量的水分外，还有富含n 、p 、k 及有机质，是天然的有机肥料。相对 于发达国家来讲，我国污泥处理利用技术还比较落后，同时考虑到我国是一个农业大国， 因此，将经过稳定化、无害化处理后的污泥进行土地循环利用，应该是我国污泥资源化利 用较有前景的一种途径。但由于城市污水来源于生活污水和部分工业废水，所以不可避免 含有一些有害物质口。污泥吸附了污水水体中绝大部分重金属污染物，如c u 、p b 、z n 、 n i 、c r 、h g 、c d 等。直接将污泥施于土壤势必对环境产生一定程度的污染，并且重金属 对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程。无论是污泥经过简单处理后直接施入农田， 还是污泥经堆肥发酵作为有机肥料，生产有机无机复合肥，都不可避免地将有害重金属 带入环境砷3 。因此，需要采取一定的措施减少污泥中重金属进入农阳。人们研究了环保施 肥器1 ，简易图如图1 1 所示，为污泥合理农用提供新的方法和依据。环保施肥器包括圆 筒，该圆筒底部密闭，圆筒顶部为开口，在靠近圆筒底部附近还有若干个小孔。其方法是： 将污泥分别和重金属固定剂：粉煤灰、石狄、硫酸钾混合；将混合后的污泥放入施肥 器中，然后将施肥器放在种植植物的土壤上；在施肥器开口处，通过人工淋水和自然降 水，使污泥中的肥分从施肥器中流入土壤，直接对土壤进行施肥，重金属则被固定在施肥 器内而不污染环境。 由于污泥的复杂流变特性使得该方法效率很低，污泥在圆筒壁面的流速较小。有人对 污泥特性及固液界面流变学的研究，发现存在滑移现象，此现象能为提高效率做出一定的 贡献。 图1 1 盆栽装置示意简图 f i g 1 - 1d i a g r a m m a t i cd r a w i n go fp o t t e dp l a n t 1 1 2 研究意义 污泥是由各种形状和浓度的颗粒悬浮物和水组成的复杂流体，复杂流体是指聚合物流 4 绪论 体以及填充了各种形状固体颗粒的熔体、溶液、泡沫、胶体颗粒、胶束等多组分液体物质。 总体上说，复杂流体常含有聚合物或较高浓度的刚性颗粒，是具有某特殊性质的非牛顿流 体，有壁面滑移现象n0 1 1 1 2 1 ( 图1 ( a ) ) ，与已验证的非滑移条件( 图2 ( b ) ) 对比，复杂 流体壁面接触处的速度不为零，此现象为减阻提供了依据。 z u ，j 7 一 固壁 ? ( a ) z u 。 一 一 固壁 咿 ( a ) 滑移( b ) 非滑移 图1 - 2 壁面滑移与非滑移图示 ( a ) w a l ls l i p( b ) n os l i p f i g 1 2d i a g r a m m a t i cd r a w i n go fw a l ls l i pa n dn os l i p 污泥的管内流动结构和阻力特性是由流体流变特性和滑移特性共同支配。这些特性会 从根本上影响污泥运输过程的压力、阻力等，影响污水处理工艺的运行效果，影响污泥的 处理、处置过程。壁面滑移对流量影响较大。壁面滑移现象的研究，对获得准确的污泥流 动数据是必要的，同时为研究污泥管道内流动的减阻，降低输送中的能耗并节约能源提供 依据。在当今世界能源紧缺和环境危机的形势下，对污泥的壁面滑移特性展开预测层面上 的研究，进而优化运输及操作条件具有重要的实践意义。 环境工程领域中的污泥输送、处置是水处理工艺中的重要环节。污泥壁面滑移规律和 机理的研究，对于理解环境工程污泥处理与传输过程，科学合理地计算污泥长距离管道输 送中的压力损失，实现输送过程的节能减阻，指导生产实际和填补理论空白具有重要的理 论意义。 1 2 壁面滑移国内外研究概况 壁面滑移现象在6 0 年代在塑料加工的挤出、注塑工艺中被观察到。随后壁面滑移用 毛细管流变仪的试验得到反复的证实和研究，有大量的文献报道。壁面滑移又被发现与挤 出流的不稳定性，熔体破裂等聚合物加工工艺的关键问题密切相关。吴舜英等”3 i 在前人研 究的基础上，将聚合物溶体在挤出口模中流动时的滑移与聚合物的弹性、分子结构及溶体 在壁面上的粘附联系在一起。由于受到剪切作用，壁面处的分子链高度取向，降低了溶体 与壁面间的粘附，剪切力高于粘附力时，滑移产生，分子取向使其构型熵降低，则向中间 西安理工大学硕士论文 大熵值处移动，滑移后弹性能释放，滑移产生热量使聚合物又粘附到壁面，回复到初始态。 这样反复进行，粘附一滑移交替出现。这种过程在一薄层内出现，导致鳖鱼皮症状，称这 种滑移为“界面滑移”。剪切速率增加，薄层的分子扩散到本体区，降低了本体区与薄层 的结合力。当剪切力超过薄层的分子问作用力时，发生结构破坏而产生无规则撕裂滑移， 称这种滑移为“本体滑移”。运用弹性能和界面粘着转变功的概念推导了“界面滑移”的 临界应力表达式，运用分子活化率理论和高聚物内聚能的知识推导了“本体滑移”的临界 应力表达式，还建立了滑移运动方程，推导了滑移速度表达式。黄兴元等的综述指出， 聚合物溶体与壁面间发生粘附一滑移时，挤出物的表面质量受到破坏，而发生完全滑移时， 挤出物内部和表面质量都较好，也提高了挤出效率。在聚合物溶体中加润滑剂或在聚合物 与口模壁面间加液体或气体润滑剂能改善挤出物的表面质量。关于壁面滑移机理从8 0 年 代至今是流变学研究的热点之一。 1 2 1 壁面滑移现象 在解液体在固体壁面上的流动状态方程时，通常假设固液之间的相对速度为零，这就 是所谓的非滑移边界条件例。在流变仪中，流体黏附在固体边界上，而临近的流体受到拖 曳或压力梯度而运动。通常，在简单小分子液体如水的流动中，壁面滑移通常被忽略，即 非滑移边界条件是有效的，除非在特别窄的流道中或临近运动接触线上。但是h e r v e t n 劫 应用近流场激光测速技术做了一系列试验，发现在光滑固体表面上，对于简单流体，即使 在湿润的条件下，也观察到了显著的滑移现象。 高分子液体在管道、模具或设备内部流动时，通常总是假定最贴近管道壁或流道壁的 非常薄的一层物料与管壁之间是相对不运动的。由于粘附作用，这层物料的运动速度可以 认为等于管壁运动速度。这个假定称为“管壁无滑移”。实际上，此假定有时不能成立。 例如：在挤出硬质聚氯乙烯( r p v c ) 、高分子量聚乙烯以及橡胶类材料时，当物料在 流道壁承受的剪切应力超过某一个临界剪切应力仃耐，溶体将沿着流道壁发生滑动。紧 贴流道壁的那层物料具有一个有限相对滑动速度眠枷= v ，这种现象称“管壁滑移现象”n 6 | 。 如果固体样品处于两板之间，其中一板静止另一板运动，则固体样品的一个或两个表面 会发生相当于边界的滑移运动。复杂流体在低剪切速率下表现出液体的性质，在很高的剪 切速率下发生“塞流”( p l u gf l o w ) ：熔体作和固体运动相似的整体运动。因而，当流体在 一定剪切速率下主要表现为固体性质时，相对于固体边界发生滑移并不奇怪。对于含固体 颗粒的复杂流体，壁面滑移可分为两类：真实滑移和表观滑移。真实滑移是指液体分子在 固体界面上滑动，流动边界上的速度不为零。表观滑移是指悬浮物与液体之间的滑移，或 者在靠近壁面处由滑移层导致的大的流速梯度区域。在该层中几乎没有颗粒物质，其黏性 比其他区域低得多。很明显，两种分类的分歧在于壁面层是否存在滑移和“滑移”发生的 位置在哪里。k a y l o n n 铂等用毛细管流变仪观察到高聚物在管壁处的滑移现象，见图1 3 ， 当存在剪切应变速率梯度时，颗粒会由剪切应变速率大的区域向剪切应变速率梯度小的区 6 绪论 域移动，致使管内壁面处形成了一层浓度很低、粘度显著下降而剪切应变速率很大的薄层， 称为“滑移层n 踟”( 用符号万表示) 。该层中几乎没有颗粒物质，液体分子在固体界面上 滑动，流动边界上的速度不为零，为真实滑移。滑移层之外的区域构成了管内主流区，其 中悬浮物与液体之间也存在相对的滑移，为表观滑移。 悬浮液变 柱流 边界 r t7 l o “ 滑移层厚度，6 兽霪滑移 薯嚣冀囊观 “ u s b u s 图1 3 蚓毛细管流壁面滑移( 半径r ) f i g l 一3w a l ls l i po fc a p i l l a r yr h e o m e t e r ( r a d i u s ：r 1 1 2 2 壁面滑移机理 壁面滑移的产生机理十分复杂，人们在试验研究和微观分析的基础上，把流体力学 原理同微观分子结构结合起来，对流体壁面滑移的形成机理提出了各种不同的解释。目前， 较为一致的观点主要有三种n 引：- - 中c o h e s i v e 滑移机理，见图1 4 ( a ) 所示，认为溶体流 动时在通道壁面上总是粘附着一个薄层，当溶体所受剪切应力超过某一临界值时，粘附薄 层内侧的溶体分子和流动的本体分子间发生解缠而随之流动，其分子链运动的速度比按经 典连续介质力学计算的速度要大，从而表现为溶体沿壁面滑移。这被称为溶体壁面滑移的 缠结一解缠机理，这种滑移是表观的；另捌a d h e s i v e 滑移机理，见图1 4 ( b ) 所示认 为当溶体在通道壁面处的剪切应力超过某一临界剪切应力时，粘附于通道壁面的分子会因 解吸附而发生相对滑动。这称为壁面滑移的吸附一解吸附机理，这种滑移为传统意义上的 “真滑移”。很明显，两种机理的分歧在于壁面层是否存在和“滑移”发生的位置在哪里。 还有- - l u b r i c a t i o n 滑移机理，见图1 4 ( c ) 所示，认为壁面滑移是缠结一解缠和吸附一 解吸附同时发生，溶体流动时具体发生哪种壁面滑移要取决于聚合物溶体的弹性、分子结 构以及它与通道壁面的粘附性等因素。对吸附能力弱的通道壁面材料，吸附一解吸附是产 生壁面滑移的主要原因；对吸附能力强的通道壁面，缠结一解缠结是造成壁面滑移的主要 原因乜0 2 川。这三种机理有各自的应用范围，并都得到了试验的支持。 西安理工大学硕士论文 ( a ) c o h e s i v e 滑移机理( b ) a d h e s i v e 滑移机理 图1 - 4 壁面滑移机理 f i g1 - 4m e c h a n i s m so fw a l ls l i p 1 2 3 壁面滑移的检测及速度计算 a 检测滑移发生的方法 ( 1 ) 标记技术显示法 是检测滑移的最直接的方法，k a y l o n 和g e v g i l i l i 口胡首次在阶跃应变和稳态剪切流中用 直线标记技术检测到，当应变较大时，样品与夹具壁面之间有滑移发生。用标记法检测壁 面滑移是受限制的，只能显示测试之初的表面流动情况，平行板转过的角度不能太大，一 般为圆周的1 3 ，在其它部分作标记和拍照都很困难( 被流变仪挡住) 。标记显示的是试 验结束后的流动情况，若要记录流动随时间的变化，则需要借助高速摄像机。由于样品表 面受表面张力、表面平滑程度等因素的影响，标记只能粗略反映表面某- 4 , 部分的流动， 所以这种方法的使用并不普及。如图1 5 心3 1 所示为直线标记法，观察到了壁面滑移现象。 绪论 ( a ) 线性标记( b ) 滑移现象 图1 5 直线标记法滑移现象 ( a ) s t r a i g h tl i n em a r k e rt e c h n i q u e ( b ) w a l l s l i pp h e n o m e n o n f i g1 5w a l ls l i ps h o w nb yas t r a i g h tl i n em a r k e rt e c h n i q u e ( 2 ) 依赖于间距的表观剪切速率 在用旋转流变仪平行板夹具进行流变测量时，如果被测试样品