（环境工程专业论文）流动电流与混凝剂相关特性的研究.pdf

内容摘要 本文首次系统深入研究了混凝控制领域中流动电流( 简称s c ) 与混凝剂的 相关特性。对于这些特性的研究不仅使我们从理论上对流动电流与混凝剂的相关 特性有更深入的认识，更为重要的是为流动电流混凝技术的进一步推广应用奠定 坚实的基础。本文的研究主要包括： 1 、流动电流与铝盐型混凝剂相关特性的研究 研究包括a l ”对流动电流的响应特性，铝盐型混凝剂的特点，铝盐型混凝剂 与流动电流的相关特性以及生产应用中铝盐混凝剂和流动电流的相关关系。 2 、流动电流与铁盐型混凝剂相关特性 对应于铝盐型混凝剂，研究中采用了相似的方法研究了铁盐型混凝剂与流动 电流的相关特性，分析比较了a 1 n 和f c 3 + 的检出极限以及铝盐和铁盐型混凝剂的 流动电流响应特性。 3 、流动电流与其他类型混凝剂的相关特性 针对目前多种混凝荆和助凝剂的出现，本文研究了聚硅酸铝和高锰酸钾复合 药剂与流动电流的相关特性，并定性地给出了这两种药剂的流动电流应用特性。 关键词：流动电流( s c )混凝投药混凝剂自动控制相关特性给 水处理 a b s t r a c t t h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ns t r e a m i n gc u r r e n t ( s c ) a n dc o a g u l a n ti n t h ec o a g u l a n tc o n t r o la r e ah a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e df o rt h ef i r s tt i m ei nt h i s t h e s i s b a s e do nt h er e s u l to ft h e s es t u d i e s w ec o u l dh a v eb e t t e rk n o w l e d g eo ft h e r e l e v a n tc h a r a c t e d s t i c sb e t w e e ns ca n dc o a g u l a n ti nt h e o r y , a n di ti sa l s ov e r ym o s t i m p o r t a n t t o l a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h ef u r t h e r a p p l i c a t i o na n dd i s s e m i n a t i o no f c o a g u l a n tc o n t r o lb ys ct e c h n i q u e t h i st h e s i si n c l u d e s 1 s t u d y o nt h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ns ca n da l u m i n u mc o a g u l a n t t h i ss t u d yi n c l u d e st h es cv a l u ev a r i e df r o mt h ed i f f e r e n td o s a g e so ft h ea i ”， t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ea l u m i n u mc o a g u l a n t , t h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h e a l u m i n u m c o a g u l a n ta n d t h es t r e a m i n gc u r r e n t , t h e n ，t h ef u l l - s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i sg i r e n 2 s t u d yo nt h e r e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ns cb e t w e e ns ca n df e r r i c c o a g u l a n t t h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c sb 吐w e e l ls ca n df e r r i cc o a g u l a n ti ss t u d i e d u s i n g t h e s a m em e t h o d 嬲t h ea l u m i n u mc o a g u l a n t , t h ed e t e c t e dl i m i t a t i o no ft h ea 1 3 + a n df e 3 + a b o u tt h es ci sd i s c u s s e d ，a n dt h es cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea l u m i n u ma n d f e r r i cc o a g u l a n ti sg i v e n 3 s t u d yo nt h er e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h es ca n do t h e rt y p eo f t h e c o a g u l a n t a i mf o rt h ea p p e a r a n c eo f t h ed i f f e r e n tk i n d so f c o a g u l a n ta n da i d c o a g u l a n t ，t h e s cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea l u m i n u m p o l y s i l i c a ec o a g u l a n t a n dc o m p o s i t e p o t a s s i u ma r e s t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s u l to f t h ee f f e c t si sg i v e r q u a n t i t a t i v e l y k e y w o r d s ：s t r e a m i n gc u r r e n t ；c o a g u l a n td o s a g e ；c o a g u l a n t ；a u t o m a t i cc o n t r o l ； r e l e v a n tc h a r a c t e r i s t i c s ；w a t e rt r e a t m e n t 第一章概述 流动电流的产生和发展与检测技术的不断提高密切相关。随着检测和控制水 平的不断提高，人们对流动电流技术的研究与应用也在不断地扩展和深入。尤其 是二十世纪八十年代中后期，流动电流在水处理方面的应用使用流动电流的应用 技术跃上了一个新台阶。 1 1 关于流动电流 1 1 1 流动电流概念的产生 1 8 5 9 年，q u i n c k 在实验中发现l “，如果使液体在一定压力下通过一个细管 或微孔塞，将在液体流动过程中产生流动电流，或在管两端产生流动电位。q u i n c k 的实验装置包括一个0 2 5 e m 直径的玻璃管，管中充满粘土胶泥。在管两端放置 铂电极并连接安培表。q u i n c k 研究了许多微孔物质，在每一情况下，随液体运 动，流动电流按同一方向流动。在微孔物存在时，没有发现加热对电位产生影响。 因而q u i n c k 证明，这种电流仅取决于多孔物的表面性质。f r e u n d i e h t 2 1 认为，q u i n c k 所发现的现象是液从一端流动另一端由电荷迁移所产生的结果，称为电动现象。 h e l m h o l t z 3 1 和s m o l u c k 0 粥l 【i 1 4 】对这类电动过程，在平板电容器的理论基础上 建立了经典模式。b i k c r m a n 5 又在此基础上建立了扩散双电层理论。r u t g e r s 6 1 、 p o t e r _ 【7 1 、w o o d 8 等也在这方面进行了研究。由于他们建立理论模型时做了相同的 假设，因而得到了同样的推导结果： 在半径为a ，长度为l 的细管两端施加压强差p 时，距细管中心为r 处的 流速h 可以由泊肃叶层流式计算出来： 一= 篙( a 2 _ r 2 ) ( 1 - 1 ) 村、 7 、 式中：田粘滞系数。 若管壁处的电荷密度为p ，那么每秒的电荷输入量i s t r 为： l s t r = 一f 2 x e p v r d r ( 2 2 ) 积分上限s 相当于切面半径，电荷密度p 与表面电位妒的关系用泊松方程表示， 从而进一步推得电流表达式为： s f ，：型竺a p f( 1 3 ) 川 流动电位av 为： a v ：坐f( 1 - 4 ) 础 式中：f f 电位； 三一管内液体相对电导率。 对一给定系统( 式1 4 ) 中av ap 为一常数，这与q u i n c k 的实验结果一致。 b r i g g s 【9 l 进一步发现，管壁处的液体表面电导与液体相电导相同的假定是错误的， 因而在此假定下求得的流动电流值也不是其实际值。对于一稀溶液来说，表面电 导增加，流动电流也随之改变。考虑到这一因素，利用b d g g s 和r u g e r s 的方法 1 1 0 ，可校正流动电流的测定值。 可见，流动电流在液体沿固体表面作相对运动时，由两相界面间双电层电荷 分离所产生的结果。它虽然不是固一液界面的固有现象，但却从根本上反映了两 相的界面特性，因而具有重要的研究及应用意义。 1 1 2对流动电流理论的研究 1 、对管式流动电流模型的完善 在层流状态管式流动电流的研究基础上，r u t g e t s 、m o y e r 等人，从紊流时 管内的电荷分布是均匀的假定出发，推导出了紊流状态下的流动电模型： s i r ；鲤里f( 1 - 5 ) k 式中：、旷一液体在管中的平均流速； 七一双电层厚度。 可见，同层流式一样，从( 1 - 5 ) 式可以得出流动电流绝对值与平均流速成 正比的结论。 一2 一 ( 1 3 ) 、( 1 4 ) 和( 卜5 ) 式所讨论的流动电流( 位) 考虑的均为弛豫时间没 有影响的情况。但实际上，流动电流与驰豫时间产非无关。为此，后人在极为简 单的假定下，求得流动电流与弛豫时间的关系。这些式子形式相同： i s t r = 2 a v r q ( 1 一e 。2 “。、 ( 卜6 ) 式中：r 一驰豫时间； 口一电荷密度； r 轴向距离。 ( 1 6 ) 式说明流动电流按指数函数形式趋于最大值。接近于这个最大值的 速度是由平均流速和弛豫时问来决定的。由于溶液在管中的分布特性，( 1 - 6 ) 只 适用于刚进管中的液体的不稳定度分布的影响可黔忽略的情况。但在层流及紊流 状态下，起始不稳定长度t o 的理想式为： 层流；l o = b r r e ( 1 7 ) 紊乱：玲；5 0 8 0 r ( i - 8 ) 式中：尺p 一雷诺系数； r 一管的半径。 这样一些工作，使流动电流模型得到了进一步完善。 2 、在胶体及表面化学角度对流动电流的研究还比较少，人们普通关心的是 对电动现象的探讨。这说明，流动电流在胶体及表面化学理论中，还没有形成一 个比较完整的体系。在这方面的研究主要集中在流动电流与f 电位的相关性，某 些固体表面结构、化学特性以及根据特殊应用所建立的理论模式。 f 电位在研究胶体及表面化学中具有重要意义，但由于f 电位测定的困难， 人们试图寻找一种动态意义下与f 电位具有相关性的因素除了电泳淌度【1 5 1 外，流 动电流与f 电位在代表胶体或固体表面特性方面，具有最本质的致性。1 9 6 7 年，s m i t y 等人l 瑚，对流动电流f 电位的关系进行了系统实验，发现二者线性相 关，得到了与p o t o r 等人【1 7 】理论式完全相同的结果。此后，许多研究工作都进一 步证明，流动电流与f 电位具有线性或近似的线性关系。比如，p r i e v e 等1 8 】在研 究两荷电固体在电解质溶液中作相对运动产生排斥力时，推导出流动流与f 电位 3 一 的正比例关系： l s t r ：三些( 1 - 9 ) 4 7 r2 h o 式中：一两固体表面f 电位差； v 一固体滑动速度； h 0 _ 固体间缝隙。 在研究流动电流检测器( s c d ) 原理时，d e n t e l 等人【1 刁也发现在s c d 探头 中，流动电流与胶体f 电位有近似线性关系。a l e x a n d e r 1 3 1 、b o o l l l 【1 4 l 、g i d d i n g s t l 5 1 、 p f i e v e 1 6 1 、s m a l l 1 田等也都在不同条件下，证明流动电流与f 电位上述关系的成立。 这是流动电流应用的重要依据。 在研究固体表面结构及溶液性质等方面，建立了流动电流与其相关因素的理 论联系。d o n a t b 和v o i g t t l8 】在研究表面涂层结构特性时，得到流动电流与表面电 位、涂层厚度占和液体对涂层的穿透系数伊具有如下关系： 肌掣鳓+sinh(等)(8ktnrll 。分燮口 z 刖 ( 1 9 ) 式中：a 、卜一分别为测定装置的横截面积和长度： p o 一电荷电量： 蜃玻兹曼常数； 7 一绝对温度； 珊一离子个数； 聊电子数。并有 西t r = a v l( 1 - 1 0 ) 式中：卜流动电位； 三一液体电导。 通过实验表明，荷电涂层的表面结构具有异常商的表面电导。这一结论与 一d 一 b o e r l l 们、b a r r e r 2 0 1 以及d o b o s t 2 1 1 等人的研究结果一致。在溶液流经聚合电解质膜 时，t a n n g 和k e d e m l 推导出流动电流与溶液化学势舻、液体对膜渗透系数 幻、反渗透系数、体积流量 电泳淌度占、组份离子个数v 、离子电荷数z l 、 法拉弟常数f 、组份电导三以及驰豫时间 的关系： s i r 叫n 等+ 去a u c m 全面表达了电解质膜特性。 在研究非水混合物电动传动系数与浓度关系时，a l v a r e z 等 2 3 1 使液体通过一 个石英细管，推导出此过程的流动电流为： s t r = 孚c 1 - 丽- 2 c 2 脚卑麝c 1 - 赫) 2 ( 埘限 式中：，一管径： 卜管长： 九一液体电导； p 一电位差。 此式及实验结果一致证明，在石英表面，甲酵一乙醇溶液是一个具有很小负 漂移的准理想体系。 围绕溶液及固体表面展开的其它研究，如a d a m c z y k 阱j 进行的液体结晶状态 的特性研究。w a g e n e n 等人瞄1 所做的玻璃池表面流动电位的研究等，也都从不同 角度发展了流动电流理论。 3 、在静电学中的研究 从静电学角度研究流动电流或流动电位，主要是将这种动电结果与液体或固 体表面的静电现象相联系。管义夫认为【1 4 】，流动电流是用力字的机械的方法使液 体具有的静电现象。从这一观点出发，利用流动电流或流动电位研究静电过程， 或用静电理论研究动电流( 位) 被证明是可行的。 c h r i s t o f o r o u 等人脚l 利用流动电位来研究多孔物质表面的静电问题。作者将 流动电流与p o s s o n - b o l z r n a n n 和n e m a - p l a n e k 方程式建立联系，得到如下表达式： 一，一 a v = 塑 ( 1 1 3 ) 厶1 其中： l 1 3 ：塑【删一 ( i - 1 4 ) l l l = 一2 e = 2 c o o 一2 c o o k t ( 1 1 5 ) ” 足t肋 口为由表面电荷所产生的电位。证明所研究的固体表面静电场越强，则流动 电位也就越高，同时离子强度在广泛的意义上对固体表面电荷产生影响。 d o n a t h 和v o i g t t l 8 】利用静电原理，分别对影响流动电流的空间电荷密度和表 面电位进行线性及非线性处理，得到了与涂层表面结构相关的流动电流表达式 ( 1 - 1 5 ) 和( i - l o ) ： ，：兰竿艿 ( 1 _ 1 5 ，) n kl 式中：a 一测定装置横截面积； 艿一表面电荷密度。 由于式( 1 1 5 ) 中流动电流与表面电荷密度的简单关系，使流动电流成为描 述涂层表面电特性的有效参数。 虽然流动电流的理论研究涉及若干方面，但这些研究都还很不系统，而且研 究结构的报导也很少。因而，开展对流动电流的理论研究仍然是很有价值的课题。 1 2 流动电流的检测与流动电漉检测器 流动电流检测器( s t r e a m i n gc u r r e n td e t e c t o r ，简称s c d ) 的发明使得流动 电流能在线连接地检测出来：其性能的不断改善，使得流动电流应用于混凝控制 才成为可能。可以说，流动电流检测器的问世是流动电流应用技术所迈出的革命 性的一步。 - 1 2 1 流动电流的检测 6 无论哪种对流动电流的研究方式，最重要的就是要如何对其进行准确的测 量。当然，研究的目的不同，采用的测定装置和方式也不同。但总的来说可以分 为两类：一是直流测定、二是交流测定。 图1 1 给出的是一种最基本的测定方法毛细管直流测定法。 p 圈1 1 毛纲管直流滚动电漉测定装置 该测定方法是两个溶液瓶用毛细管连通。在两瓶中的毛细管端部分分别装有 电极，并用铂丝连接到一个电位计上。当液体受到压力后，就由一个溶液瓶经毛 细管流入另一个溶液瓶。在此过程中产生流动电源，由铂电极响应并被电位计检 出。理论和实验都已证明口1 】在毛细管中产生的流动电流大小与外加压力、毛细管 半径成正比，而与液体粘度和管长成反比。此测定装置的最关键之处是两电极必 须大小相同，材料一致，并绝对对称，否则将使测量结果出现偏差。 流动电流交流测定法是在直流测定基础上进一步改进而成的。图l 2 给出的 是毛细管的交流测定法。 此装置主要是在原毛细管测定装置上加了一个同步电机，驱动连杆做往复式 正弦运动，周期性地改变毛细管两端压力符号，使液体能在两液瓶中往复流动， 从而在毛细管内产生相应的交变电流。此电流与液体流速大小成正比，而流速与 电机转速m 、连杆行程、连杆截面积4 、毛细管断面积_ 。、时间r 有如下关 系： 驱动装置 图1 2 毛细管交变流动电漉测定装置 v = x 。街孚c o s 科 ( 1 - 1 6 ) c 式( 1 - 1 7 ) 说明，测定装置的几何条件对流动电流有重要影响。此测下方法 由于使用了往复运动装置，避免了流体单向运动所造成的在毛细管两端的电荷积 累，避免了极化现象，因而克服了电流漂移，使流动电流的测定更加准确。 上面介绍的流动电流测定装置，只适合在实验中观测，难以应用于实际生产 控制。流动电流检铡器则不同，它不仅在构造上独具特点，而且能够连续在线地 检测。 1 2 2 流动电流检测器的构造 现在国内外市场上出现的各种类型的检测器，无论哪种类型，它的精髓部分 都是一致的，那就是它必须包括一个传感器部分和一个信号处理放大器部分。 1 2 2 1 传感器 传感器又称为探测器，它是流动电流检测器的心脏。传感器的内部构造示意 图1 3 所示。 被测水样以要求的流量流过检测室。在检测室内有一小活塞可垂直往复运 动。在活塞上，活塞拉杆被连到由电动机驱动的转轮的偏心点上。这种凸轮的使 用使得活塞的运动成正弦变化f 2 7 1 。 一8 一 圉1 3 传藤器构造示意圈 活塞在下部的圆筒内上下运动。活塞和圆筒之间的空间被称为环状空间，该 空间为流动电流检测器的设计精髓部分。此环状空间实际上是一个极薄的圆形的 “壳”，在其中是水样流体和粒子，活塞与筒壁的间距一般为几百微米。 活塞的运动类似于往复泵：当其向下运动时，活塞下的水体受到压力，向上 通过环状空间。由于环状沟宽度很窄，水的平均上向流速比活塞向下运动的速度 要快。我们知道，环状空间间距若足够大，水中大多数粒子可流进或流出，但当 其足够小时，在此空间内产生一个显著的流速。活塞向下达最远点后向上运动， 使水流向下运动，活塞下水体随之增大。因此，水流方囱随活塞运动的不同阶段 而变化。 假设活塞和圆筒表面均“覆盖”着水中的粒子，水样中的粒子均带有电性， 流体切面每单位面积上的电量被称为电荷密度。由“覆盖”假设，在环状空间表 面上的电荷密度应与水中单个粒子的平均电荷密度相同。例如：大多数原水中均 存在带负电的粒子，它们的电荷密度和f 电位均是负的，且环状空间的电荷密度 一9 一 因此也同为负值。因为在此系统中总电量必为中性，所以负电密度必被正密度所 平衡。正电来自粒子的外部，在水中此相反电荷密度称为平衡离子。可以设想在 粒子附近有一负电荷层，在其外有一层正电荷，在这两层之间是滑动面( s h e a r p l a n e ) ( 事实上，通过以此顺序排列两层，里层或负电密度被看成是相当于滑动 面电荷密度) 。 水流运动可产生一个滑动面。因为静止的简壁随着的一层流体是静止的，所 以一定有一位置或层面是静止与流动的水流界面。此面为滑动面，此处的流体受 到剪切作用。在流动电流检测器的环状空间里，流体在活塞和圆筒间运动，且有 两个滑动面其一贴近圆筒壁，另外一个贴近活塞壁。事实上，这两个滑动面 均不是平面，而是圆筒形。关键的一点是，由于存在着滑动面使两个带电层带电 层彼此作相对运动。进而，外带电层相对固体表面( 活塞或圆) 运动，这种电荷 运动产生了电流。 虽然s c d 传感器在原理上类似于前已叙及的原始检测装置，但它以在两个 重要方面是有所不同。首先，所叙述的表面是水中悬浮粒子的表面，这些粒子附 着在通道壁面上是必要的。因此将这一特性称之为“覆盖”，环状空间因此等同 予早期装置的毛细管通道。其次，流体运动是由往返复运动的活塞引起而不是由 一个直接外加压力引起的。 s c d 传感器独到的设计使不断更新的水样中粒子特性方面的变化能连续地 被检测出来，所提供的交流电比较容易地从固定的背景作用中分离出来。 1 2 2 2 信号处理 传感器中产生的交变电流，其数量级在10 1 2 安培，是个非常低的数值，必 须采用特殊的灵敏放大器。因而，交变电流的处理是$ c d 的另一个重要方面。 为达到目的，从传感器至放大器的载流信号必须被很好保护( 设屏蔽层) ， 而且放大器必须是低阻抗的。因为在低阻抗下。导电性能良好才能通过液体完成 回路。放大器的电导率必须比水的电导率低，以便完成回路和检测到流动电流。 图1 4 表示出了流动电流信号处理过程的各阶段。正如前述指出的，传感器 产生的电流与活塞的速度成正比例。经过电路将此信号转变成一个可读值，其与 一1 0 一 原始传感器输出最大值成比例，这即可通过对全部信号整流来达到，也可通过在 每一周期中的同一时刻将信号变成脉冲信号来达到。对前面的情况，负值信号被 简单地变成正值。放大之后结果如图1 4 所示。最后，信号经滤波变成一个常量 读值。此读值可输出到仪表、图表、记录仪及药剂投加控制系统。 活塞速度 实测电流 滤波与放大 输出电流 ( 流动电流) 图1 4 流动电漉信号处理 由于该部分不是本文研究的内容，深入研究还有更加广泛的内容，所以就不 加以详细讨论了。 1 2 3 简化假设条件下的理论分析 前已述及，适用于毛细管装置的流动电流方程式早已给出，但它不能应用到 流动电流检测器上，因为流动电流检测器从构造到引起电流的原因都是不同的。 用于流动电流检测器的方程的导出是由g e t d e s 在1 9 6 6 年给出的。他的推导基于 如下假设： 1 、在环状空间中存在层流，这可通过计算通道中的雷诺数来证关。对于传 感器的构造形式其雷诺数最大值约为2 ，而紊流开始发生的雷诺数须达到2 0 0 0 。 2 、环状空间的水流速度分布是三角形的。即在两壁面上流速为零，随着从 每个壁面到环状空间中心最大值处而线性增大。虽然实际上的流速分布图是类似 于抛物线，但此假设可大大地简化推导过程。活塞的运动也被忽略，因为与活塞 运动相反的流速要快得多。 3 、如前所述，双电层可看成中间有一滑动面的两层相反电荷的平面组成。 双电层的电容器模型被下面的推导使用，在表面电位较低时此种近似处理较为合 理。 在此假设下，可作如下推导： 因为瞬时电流等于每单位时间内通过正交于活塞或圆筒轴线的平面的平均 离子电荷总量，所以： i = 由d r ( 1 - 1 7 ) 式中：卜瞬时电流； 盯一平面平衡离子总电量： 卜时间。 前已述及，环状空间是一个圆筒壳，其内有两个由平衡离子组成的圆筒状平 面，一个近于活塞表面，一个近于筒壁。户为这两个“圆筒”的周长和，其近似 等于活塞的周长加圆筒的周长。令，为圆筒的长，设电荷在环状空间表面是均匀 分布的，则： g = o p l ( 1 - 1 8 ) 式中：盯一滑动面上的电荷密度。 微分，得： 由= o p t ( 1 - 1 9 ) 则：i = 由击= o i x l z d t = o p v ( 1 - 2 0 ) 式中：v 平衡离子层的瞬时速度。 对于平均时间电流值来说，因为整流电路使负信号变成正值，所以应取绝对 值的平均值。即： f = o p v ( 1 - 2 1 ) 式中：f 一平均时间电流： v 一平均流速。 用三角形速度分布图可求出v 的数值，假设平衡离子层与v = o 的滑动丽的距 一1 2 离为占。( 它必须比壁面到平衡离子表面的距离要短，因为若平衡离子在滑动面 上或在滑动面里边，则它们的流速为零，且无流动电流) 。 令v m a x 为环状空间的平均时间最大流速。假设在活塞和圆筒存在精确的中心 点，设v 。，为通过环状空间的平均时间总速度，由假设，任意点的流速到滑动面 的距离成正比，则： v 8 = v 。( c 2 ) ( 1 - 2 2 ) 式中：c 一环状空间的宽( 更精确的，是滑动面间的距离) 。 根据三角形流速分布图，平均流速为最大流速的一半，即； v a v r = v 2 则：v = 4 v 。，8 c 将( 1 - 2 4 ) 代入方程( 1 - 2 1 ) ，得： ( 1 2 3 ) ( 1 - 2 4 1 i = 4 0 p v w , 8 c ( 1 2 5 ) 活塞的平均速度v t a s t o n ( 绝对值) 与电动机的转速( 。) 及活塞的行程( s ) 有关。其关系式为： v “m = 2 m s( 1 - 2 6 无论是环状流体的瞬时速度，还是平均速度均可计算。由活塞运动引起的单 位时间体积位移d m d t ( 或流量碍) 等于环状空间内相反方向的d m d t ( 或g ) ，且 此值等于流速乘以截面积： d m d t = p i s t o n c l p i s t o n = v w 口。= v a v r ( a c 叫一口m 。) ( 1 - 2 7 ) 贝0 ：v p 枷曲石( r c ) 2 = v 。”p 穿2 - t r ( r c ) 2 】 ( 1 2 8 1 考虑到环状空间的宽远于圆筒半径，即“勺，则有： p a r r = v p u t a n r ( 2 c ) = 6 0 s r c ( 1 - 2 9 ) 式中：广水流体积； a p i s t o n - - 活塞的横截面积： c t a v r - - 环状沟槽的横截面积； 圹圆筒的横截面积： 广一圆筒的半径。 一1 3 一 将式( 1 - 2 9 ) 代入( 1 - 2 5 ) ，得： i = 4 0 p c o s r 8 c 2 ( 1 - 3 0 ) 考虑到“ ，则p = 4z ，( 因为p 为圆筒的周长加活塞的周长) ，则： i = 1 6 7 r o p t u s r c i c 2 ( 1 - 31 ) 方程式( 1 - 3 1 ) 虽然是近似的，但其表明了流动电流取决于构造的几何性质 ( s 、c 和，) 和电动机转速( u ) 、从滑动面到平衡离子层的距离占大概也是。 的一个函数。最为主要的是，方程( 1 - 3 1 ) 表明流动电流是平衡离子层电荷密度 的直接最度。通常，电荷密度不同于粒子的稳定性或水的混凝，而是用更熟悉的 量一f 电位。下面将给出流动电流与f 电位的关系式。 为简化下面的推导，将电容器模型应用于双电层。平衡离子层到活塞和圆筒 实际表面上电荷的距离，通常以f 表示，且表面上的电荷密度为口o ，由总电荷 平衡条件，有： 盯o = 一盯 ( 1 - 3 2 ) 与电容器模型的电荷密度和电位有关的方程是： c r 0 = ( 4 n 蠹。) p ( x ) = 一x 七一1 ( 1 - 3 3 ) ( 1 3 4 ) 式中：e 一水的介电常数： 钆一表面电位； x 一与壁面的距离： p o ) 一距壁面x 处的电位。 若x 是滑动面到壁表面的距离，且等于f 1 一万，则f 电位等于伊( 功。所以 由方程( 1 - 3 4 ) 有： = 妒f k l 代入方程( 1 - 3 2 ) 代入式( 1 3 3 ) ，得： f = 4 疗占) 硒 将式( 1 3 6 ) 代入式( 1 - 3 1 ) ，最后可得： i = - 4 e ( 鲫r 2 c 2 一1 4 ( 1 3 5 ) ( 1 3 6 ) ( 1 3 7 ) 由以上推导可知，流动电流与f 电位直接正相关，为流动电流在混凝中的反 应提供了理论上的依据。应该注意到，以上的推导是在假设条件下进行的，而上 述假设是有很大局限性的。事实上，情况要比假设条件及上面的推导所用方程更 为复杂。例如，若用g o u g c h a p m a n 模型描述双电层，可以给出电荷密度与电位 问更精确的关系，则方程( 1 - 3 3 ) 为： c r 0 = ( e k t 2 n z e k “) s i n l a ( z e q ，0 1 2 k t ) ( 1 - 3 8 ) 式中：k - - b o l t a m a r m 常数； z 一溶液中主要离子的电量； p 一基本电量： s i n h _ 双曲正弦函数。 此方程当口。和妒。值较低时，简化为方程为( 1 - 3 3 ) 。但甚至在此情形下，此 模型也不能象电容器模型那样被采用，因为没有假设平衡离子层以一个平面存 在。 但无论如何，从方程( 1 3 7 ) 式的基本关系所反映的流动电流与f 电位的正 相关性是我们所理论推导的目的所在。 1 3 流动电流混凝投药控制系统 i 3 1 混凝自控 由控制理论可知，自动控制就是应用某种装置( 控制器) 自动地、有目的地 操纵生产机械或过程( 被控对象) ，使之具有预定的工作状态。因此，混凝自控 就是应用某种控制器( 微机、工业用单板机等) 自动地调节投药量的大小来达到 混凝的最佳状态。当然，混凝最佳状态的确认亦是一个十分复杂的问题，对于一 般情况来说，可根据出水水质的效果来加以评价。一般地，对于现行水厂，在达 到所要求的出水水质标准的前提下。最少的投药量所对应的那一状态即可认为是 水厂该工艺条件下最佳的混凝状态。 在设计自控系统时，应考虑其开环性和闭环性，即所谓的开环系统和闭环系 统。在开环控制系统中，控制器与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系，即 一1 5 一 控制是单方进行的；系统的输出量并不影响其控制作用，控制作用直接由系统的 输入量产生。前已述及的双参数比例控制即属于混凝控制的开环控制系统：利用 流量信号和浊度信号控制隔膜泵的出药流量，流量负荷越大，浊度越高，隔膜泵 的频率和行程也越大，从而使隔膜泵的流量随之增大，以满足投药量增大的需要， 维持要求的混凝效果。 开环控制系统比较简单，但其输出量( 如投药泵的出药量) 不可能精确地对 应输入量( 如变化的原水水质) ，因为混凝条件还要受到很多因素的影响，单靠 双参数的变化并不完全能保证投药的状态为对应最佳混凝状态。而且，当控制目 标出现偏差时( 如投药量或多或少) ，开环控制系统并不具有调节这种偏差的能 力。所以，这种控制系统的准确度或稳态程度是不高的。另外，混凝自控系统是 有惯性的，是个动态系统。在动态系统中，当输入量变化时。系统输出量的响 应不可能瞬时完成。存在着由一个稳态到另个稳态的动态响应过程( 即过渡过 程) 。开环控制系统的动态响应不甚好，或者说，开环控制系统的输出量往往不 能及时地跟踪输入量的变化而变化，这些都是开环控制系统固有的缺点。 因此，在设计混凝自控系统中，为了克服开环控制系统的缺点，得到快的动 态响应和高的稳态精度，我们所设计的应是带有负馈的闭环控制系统。负反馈的 含意是把系统的输出量直接或通过测量元件( 传感器) 引向输入端，与系统的输 入量进行比较，然后用它们的差值进行控制，本文所述的流动电流混凝系统就是 这种带有负反馈的闭环控制系统。 1 3 2 流动电流混凝自控系统 闭环反馈控制系统的示意图见图1 5 。从图中可以看出，在带有负反馈的控 制系统中，测量元件( 传感器) 十分重要。如何能够正确地选择传感器及其被测 对象是该系统成功与否的关键。 流动电流传感器不仅设计独到，能连续检测，而且以应灵敏，是理想的测量 元件。因此，以此为重点的流动电流混凝自控系统就这样可以组成了。该系统的 方框图见图1 6 。从图中可以看出。该系统是一个标准的带负反馈的闭环控制系 统。而且，从以后的讨论中还可以看出，该系统不仅设计合理。而且对于负反馈 一1 6 的滞后问题该系统能很好地解决。流动电流混凝自控系统的流程图示于图1 7 中。 豳1 5 反馈控制系统图 围1 6 流动电流混凝控翩系统方框田 圈1 7 流动电流混凝控制系统流程圈 一1 7 1 4 本文的研究工作 本文所要研究的是流动电流与混凝剂的相关特性，该特性的研究对流动电流 混凝控制系统的开发和应用具有重大的实用价值，为其系统的应用奠定理论基 础。 虽然我国疆域辽阔，但各地水厂采用的混凝剂种类主要以铝盐和铁盐为主。 表1 1 列出的是我国各地投加混凝剂资料的表格。从表中我们可以比较清楚地看 到我国各地使用的混凝剂类型。 表1 - 1 全国各地投加混凝剂资料 最水浑浊虞漶凝撇加量助凝剂投加量 沉淀或沉淀池或澄 取水水源名称( 度)混凝剂助凝荆( m g 儿)( i b ，l )澄清时清池出水 虫 最高最低平均量高量低平均最高最低平均 阐( h )度( 度) 略尔滨松花江 1 1 0 091 0 8 硫酸铝 6 l353 822 i5 旌太北太河 1 0 5 022 8鞭制硫酸铝石灰1 5 0087 0035 1 0 三氯化铁硫酸错 6 01 0 兰州黄河 1 0 0 02 01 0 0 一2 0 0 i3 38 一1 2 碱式氯化锅 4 05 藏酸亚铁1 22 75l o2545 天津子牙河5 0 062 5东玻璃 i l51 0 黛式氯化铝 1 53 5，834 三氯化铁p a m2 5 0 81 7 o1 1 4 2 7 46 67 0 重庆嘉陵江“m1 0 3 4 0 。32 5 3 0 碱式氯化铝石灰8 8 l1 9 m5 36 9 072 624 l9 2 0 0 0 04 09 6 0 三氯化铁 4 9bs82 87 重庆长江 碱式氯化铝 p a m，靳2 脚36 4 1 0 07 01 5 三氯化铁引82 3 74 4 4 5 5 05 01 5 碱式氯化铝l203 2 p a m0 50 30 4 武汉汉木7 5 0 0 02 0狮豫式氯化铝5 i 671 4307 56 1 2 氯21 i5 武汉长江2 5 ( 3 05 54 3 5般式氯化铝氯 2 5 0 04 07 4 0兰氯化铁自氧1 03 南京长江3 0 0 , 4 0 ( *聚台氯化铝2 07 7 5 ( 牺籁山)l o 三氯化铁 5 0 1 7 0 0聚合氯化铝1 0 琉酸错3 l jt s21 0 7 上海黄浦江 9 0 06 01 9 5 麓疃亚铁氯 3 251 1 52 5 o6 74 25l1 0 三氯化铁 1 9 j8 l l j 碱式氯化错4 8 97 2 2 2 成都岷江4 0 0 03 52 0 5氯070 10 l ，也就是说，曲线单位余浊变化的s c 变量大于相应的曲线。 一般地，若把某种混凝荆条件下，单位余浊的改变量所能引起的s c 值的变 化量定义为此种混凝剂条件对s c 响应的灵敏度，那么，从上述的讨论可知，曲 线是铝盐作用下的曲线，曲线是铁盐作用下的曲线，因此可以判定铝盐型混 凝剂对s c 的影响灵敏度要大于铁盐类。 这主要是由于铁盐类混凝剂混凝效果较好，且具有较宽的流动电流检出上下 限而导致的结果。 3 3 生产应用中铁盐銎混凝剂的流动电流响应特性 3 3 1 聚合氯化铁的流动电流响应特性 大庆市某水厂，采用液态聚合氯化铁作为混凝剂，其f e 2 0 3 含量为4 一8 。 该水厂采用流动电流s c - - 3 0 0 0 型混凝自控系统控制投药，图3 9 是调试过 程中所测定的一次混凝投加过程的流动电流曲线。测定时的条件为：原水浊度 4 3 0 n t u ，水温2 7 o ，p i t 7 0 1 。 该曲线与前几条混凝剂投加曲线较为相似，流动电流响应情况较好。 圈3 9 生产应用中聚合氯化铁与流动电流的关系 一3 3 3 3 2 聚合硫酸铁的流动电流响应特性 东北某市水厂，采用液态聚合硫酸铁作为混凝剂，其f e 2 0 3 含量为5 一7 。 该水厂采用流动电流s c - - 2 0 0 0 型混凝监控系统监测投药，图3 1 0 是根据监 测过程中的一次记录整理后所得到的一条流动电流响应曲线。从图3 1 0 中可以 看出，聚合硫酸铁的流动电流响应曲线亦是较为平缓；这是铁盐型混凝剂较为突 出的一个特点。 围3 1 0 生产应用中聚台硫酸铁与流动电流的关系 3 3 2 硫酸亚铁的流动电流响应特性 河南某市水厂，采用硫酸亚铁作混凝剂，固态，f e 2 0 3 含量2 1 - - 2 4 。混凝 初期预投氯以增加混凝效果。该厂水采用流动电流s c - - 3 0 0 0 型混凝投药自控系 统控制投药。 生产实验测定条件是在预投氯3 5 m g l 的前提下，根据所投硫酸亚铁的投加 量绘制出了图3 1 1 的流动电流响应曲线。 从图中可以看出，该曲线的斜率较聚合氯化铁和硫酸铁都小，即其响应灵敏 度相对较小。这主要是由于预投氯中氯根离子干扰的缘故。 3 4 图3 1 l 生产应用中硫酸亚铁与流动电流的关系 3 4 本章结论 1 、f e 3 + 浓度与流动电流成正比关系：随着f e 3 + 浓度的增大，流动电流值也 不断增大。 2 、f e 3 + 对流动电流的检出极限分别为下限o 0 2 0 m g l ，上限4 5 0 o m g l 。 3 、实验和分析结果表明，f e 3 + 比a 1 3 + 具有更高的检出上限和更低的检出下 限。 4 、铁盐型混凝剂的实验室试验表明，其投加量与流动电流值成正比关系。 5 、实验和分析表明，相对于铁盐混凝剂而言，铝盐型混凝荆具有更高的流 动电流响应灵敏度。 5 、生产应用的实际表明，铁盐型混凝剂与流动电流值成正比关系，这进一 步证实了实验室的测定结果。 一3 5 一 一 一 一旧 一 第四章流动电流与其他类型混凝剂的相关特性 4 1 简述 前己述及，我国地表水厂应用最多的无机高分子混凝剂为铝盐和铁盐型混凝 剂。由于各地的原水水质、各种条件和外界因素的影响，除铝盐和铁盐混凝剂外， 还有象聚硅铝、聚硅铁这样的混凝剂在应用。而且，由于这些新型无机高分子混 凝剂对特殊水质如低温、低浊、初污染及含藻水有较好的混凝效果，近年来对此 种混凝剂的研究成果也比较多。 另外，随着我国原水水质特性的变化，各种类型的助凝剂使用也较为广泛， 象增强混凝效果的聚硅酸，去除初污染的高锰酸钾复合药剂等。 因此，研究各种新的混凝剂和新的混凝条件下流动电流的变化特性，对流动 电流混凝自控技术的应用具有很大的意义。 4 2 聚硅酸铝与流动电流的相关特性 4 ，2 1 关于聚硅酸铝 聚硅酸铝混凝剂是一种不含任何有机成分的无机高分子混凝剂，它是将传统 的凝聚齐j 与絮凝剂合二为一的一种新型混凝剂，聚硅酸铝混凝荆的开发与应用将 结束近半个世纪聚硅酸作为絮凝剂单独投加的历史。聚硅酸铝混凝的特点是絮体 形成速度快，絮体颗粒较大，而且絮体形成大小和快慢受温度的影响较其它混凝 荆小。因而特别适合处理低温低浊度水质及缺少絮凝反应池和沉淀池的接触过滤 ( 亦称为微絮凝过滤或赢接过滤) 工艺。另外，由于该混凝剂形成的絮体对水体 中的有机污染物及藻类具有较强的吸附能力，因而也适合于处理严重污染及含藻 类水质。聚硅酸铝混凝剂的另一个显著特点是处理后残余水体的铝离子含量远远 低于其它混凝剂，从而大大减小了铝对人体所造成的危害。正是由于聚硅酸铝混 凝剂的上述特点，聚硅酸铝混凝剂的开发与应用已受到国内外的普遍关注。 4 2 2 聚硅酸铝与流动电流的相关特性 本实验由于生产条件的局限性，只对特定条件下的聚硅酸铝生产应用时的流 一3 6 动电流响应特性作了分析和研究。 生产实验在河南省某市水厂，该水厂原来采用聚合氯化铝作混凝剂，后采用 转让技术自己生产聚硅酸铝，而且该厂还购进了一套s c - - 3 0 0 0 型混凝控制系统， 在此条件下，使得研究聚硅酸铝的流动电流响应特性成