高岭土颗粒的絮凝沉降试验研究.docx

高岭土颗粒的絮凝沉降试验研究李芳 1 金鹰 2 刘曙光 1(1 同济大学水利工程系 上海 200092 ; 2 河海大学交通学院 、海洋学院 南京 210098 )摘 要 粘性细颗粒泥沙在盐水中会产生絮凝 。影响其絮凝的因素很多 ,矿物组成是其中的一个重要因素 。选取高岭土作为研究对象 ,通过一系列试验得出所研究的高岭土的中值粒径为 0. 0084mm ,最佳絮凝盐度为 13 ,起动流速为 8.5 cm / s10 cm / s,由试验数据分析得出高岭土在不同流速条件下的淤积量以及淤积百分比 ,既而确定其不淤流速为40 cm / s。关键词 絮凝 高岭土 静水沉降 动水沉降 环形水槽我国的河口与海岸多属于淤泥质类型 ,泥沙淤积现象严重 。在落淤的泥沙中粘性细颗粒泥沙占很 大比例 。粘性细颗粒泥沙一般并不是以单颗粒的形式存在 ,往往同附近其它大量的颗粒结合在一起 ,产 生絮凝 1 。这种絮凝作用加速泥沙沉积 ,导致拦门沙的形成和发育 ,继而造成河口 、航道等处的淤积 ,给航运 、排涝等带来诸多不便 。由此可见 ,进行粘性 细颗粒泥沙絮凝沉降特性的研究是十分必要的 。河口 细 颗 粒 泥 沙 的 絮 凝 机 理 主 要 有 三 个 方面 2 :盐絮凝 、桥联絮凝 、网捕作用 。影响絮凝沉降 的因素包括矿物组成 、盐度 、有机物 、泥沙粒径 、水流 紊动 36 等 ,其中的矿物组成是主要影响因素之一 。 高岭土是一种常见的粘土矿物 ,它是我国河口泥沙的组成成份之一 。本文选取高岭土作为研究对象 。本次试验的目 的是首先通过静水沉降试验来研究分析高岭土在不 同盐度静水中的絮凝沉降情况 ,找出其最佳絮凝盐 度 ,而后在不同流速条件下的动水试验中找出高岭土的起动流速 ,计算高岭土在不同流速时的淤积百分比等 ,分析其落淤情况 ,从而确定高岭土的不淤流 速 。1. 2 样品处理为了是试验的样品处于分散的单颗粒的原始状 态 ,需要进行下列处理 :加蒸馏水洗盐 ;加入适量的双氧水去除有机质 ,打破其网状结构 , 使其 恢复 单颗 粒 状态 ; 加 分散 计 N aPO3 6 分散 ,静置过夜 ;作超声波震荡处理 。 试验研究表明 ,使用化学分散剂并结合物理手段对沙样 进 行 分 散 处 理 , 可 以 有 效 的 分 散 泥 沙 样本 7 。2 试验方法 、设备及现象2. 1 不同盐度条件下的静水沉降试验2. 1. 1 颗粒分析2. 1. 1. 1 试验目的及方法 :颗粒分析试验的目的是确定所研究高岭土的中 值粒径 。由于高岭土颗粒粒径一 般小 于 0. 01mm , 试验采用间接方法 ,即清水沉降法 ,根据已有的沉速 公式 ,由沉降时间推算泥沙的粒径 。2. 1. 1. 2 试验仪器 :主要 仪 器 是 粒 径 计 。粒 径 计 为 内 径 4 cm , 长103 cm ,底端逐渐收缩至内径为 0. 8 cm 的内壁光滑 ,内径均匀的玻璃管 。此外 ,还有加沙器 、接沙杯 、秒 表 、烘箱等仪器 。1 试验样品及处理1. 1 试验样品试验所 用 的 高 岭 土 ( A l2 O3 . SiO2 . 2H2 O , 258.16)是中国医药 (集团 ) 上海化学试剂公司生产的 ,为白色或类似白色细软粉末或易碎的块 。有特殊的 粘土味 。收稿日期 : 2007 - 04 - 23第一作者简介 :李芳 ( 1982 ) ,女 ,黑龙江省富裕县 人 ,硕士研究生 。上海地质Shangha i Geo logy总第 104期382. 1. 2 试验用水 :静水沉降试验是高岭土颗粒在不同盐度静止海 水中的沉降试验 ,试验用水的选择是一个关键 。标准海水是理想选择 ,但其价格昂贵 ,并不适用于物理模型试验 。如果单纯使用食盐水 ,泥沙的絮凝沉降 将偏小 7 。试验采用人工配 制 的海 水来 代 替标 准 海水 。研究表明 ,试验采用 Subow 配方的人工海水 ,其絮凝效果与中国标准海水是一致的 8 。2. 1. 3 不同盐度条件下静水沉降试验2. 1. 3. 1 试验目的 :通过对高岭土在不同盐度的海水中沉降试验的 观察分析 ,确定其最佳絮凝盐度 。2. 1. 3. 2 试验现象 :当加沙器把分散处理后的泥沙加入粒径计中 , 浑水立即下沉 ,到达一定长度后向管壁四周扩散 ,在 此长度范围内出现剧烈紊动 ,水色逐渐由浑浊变透 明 ,絮团逐渐形成 。在原浑水和咸水的交界面处有一部分絮团首先下沉 ,随后不断被从上部落下的更 大的絮团赶上和超过 。上部的絮团大量迅速下沉 , 使下部咸水加剧向上补充 ,于是管内建立起紊动的 垂直环流 。在环流作用下 ,原来随大絮团尾迹下降 的小絮团 ,到达粒径计出口附近 ,又被向上的水流夹带着向上运动 。细小的絮团在向上运动的过程中 , 不断与其它颗粒碰撞而增大体积 ,当体积增大到不 能为上升的水流所继续支持时 ,便又开始其下降过 程 ,在下降时又与其它絮团碰撞增大体积 。在进行试验过程中观察高岭土在不同盐度海水中的沉降现象 。盐度较低时 ,高岭土颗粒沉降缓慢 。 随着盐度的增加 ,絮团逐渐增大 ,沉降速度加快 ,絮 凝现象越来越明显 。然 而当 盐 度超 过某 一 浓度 值 时 ,絮凝沉降速率随盐度的增加变化不大 。2. 2 不同流速条件下动水沉降试验河口泥沙总是处在不断运动的水体环境中 ,因 此还有必要对流动水体中的泥沙沉 降规 律 进行 研 究 。2. 2. 1试验目的 :通过动水沉降试验得到泥沙的起动流速 , 淤积 百分比以及不淤流速等特征值 。2. 2. 2 试验仪器 :淤泥质泥沙颗粒沉降速度很小 。在实验室内进 行水流泥沙沉降试验 ,完成全部过程需要很长的水 槽 。而环形水槽能满足细颗粒泥沙絮凝沉降所需的距离要求 ,它相当于各过水断面水流状态相同的无限长的水槽 。 该仪器是由上下盘和调速传动系统 、控制器 、仪器测 量 系 统 等 组 成 。槽 宽 B = 21 cm , 槽 高 H =41 cm ,最大水深为 40 cm。上盘为圆环有机玻璃板 , 覆盖在环槽上 ,其宽略小于槽宽 。上盘高度可以调 节 ,以控制水深 。下盘有三个面 ,两个壁面直径分别为内径 d = 108 cm ,外径 D = 150 cm ,底面固定在铝合 金转盘上 。上下盘基本上由有机玻璃组成 ,各由一 台无级调速电机带动 ,上下盘相向运动 ,在切力作用 下产生水流 。 (见图 1 )图 1 环形水槽结构示意图F ig. 1 Struc tu re ske tch of ring - shap ed channe l2. 2. 3 试验过程及现象试验水深 为 20 cm , 高 岭 土 溶 液 初 始 浓 度 约 为11克 /升 。缓慢启动仪器 ,流速由小到大逐级增加 。水流 较小时 ,高岭土液面保持静止 ,与清水之间具有一清 晰的交界面 。随着水流流速的加大 ,高岭土溶液面 随水流发生错动 ,泥面上一层很薄的稀释层发生悬 扬 。随着流 速 的进 一步 增 大 , 在 其 表面 产生 波 纹 。 当流速达到某一数值时 ,水流底层紊动更加剧烈 ,水 流很快便完全浑浊 。高速旋转水槽 ,使水沙充分混合 。半个小时后 将流速降至 10 cm / s开始试验 ,在水槽的上 ,中 ,下三 个接沙口处接沙 ,立即用比重瓶测取 ,万分之一天平 称其质量 Ws, 并记录数据 。十分钟后 继续 接 沙 、 测量 ,直至从水槽的三个接口获得的沙样质量很接 近 ,即含沙量达到平衡时为止 。按照上面的方法 ,再测量断面流速为 : 20 cm / s,30 cm / s, 40 cm / s, 50 cm / s, 60 cm / s 的 含 沙 量 变 化 情 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2007 年第 4期李芳等 :高岭土颗粒的絮凝沉降试验研究39况 ,直至到达不淤流速为止 。不淤流速从试验的角度来看 ,就是浑水溶液在最短的时间内达到平衡时 的断面流速 。显 。在同样的试验条件下 ,接到的泥沙最多 。由此可见 , 13 这个盐度值是最佳絮凝盐度 。3. 2 动水沉降3. 2. 1 起动流速 :当水流速度逐渐增大到某一临界值时 ,底部的 泥沙开始有静止转入运动状态 ,当部分床面上有少 量泥沙在运动时 ,其相应的流速即为起动流速 。起动流速的判别采用定性的观测法 ,先开启高 速运转水槽 。打散絮团 ,使水沙混合均匀 ,然后使水 槽的泥沙在静止水中沉降一天左右 ,再缓慢启动仪 器 ,流速自小到大逐级增加 ,观察高岭土的浑水溶液 的起动流速 。断面流速由小到大 ,当有少量泥沙悬浮 ,出现沙纹时记录相应的断面流速 。由观察得出 ,高岭土的起动流速在 8. 5 cm / s10 cm / s之间 。3. 2. 2 断面流速图 (图 4 )3 结果与分析3. 1 静水沉降3. 1. 1 中值粒径 :对处理后的高岭土沙样进行颗粒分析试验 ,将 所得的数据处理后得到的各组粒径 级配 曲 线如 图2:图 2 高岭土颗粒分析结果F ig. 2 Gra in size d istribu tion cu rve of Kao lin相同实验条件下 ,各组实验所得的结果分别为 :0. 008mm , 0. 0092mm , 0008mm , 0. 0089mm , 0. 008mm。 将以上颗粒分析结果取均值作为所研究高岭土的中 值粒径 ,即 D50 = 0. 0084mm。将同样的高岭土用粒度分析仪进行颗粒分析试 验 ,对粒径计法得到的结果进行验证 ,所得的结果基 本一致 。3. 1. 2 最佳絮凝盐度 :将静水沉降试验所得的数据处理后 ,得到高岭 土静水沉降试验最佳絮凝盐度图 (图 3 ) :图 4 各流速条件下 C / C0随时间的变化图F ig. 4 Tim e h isto ry of re la tive sed im en t concen tra tion unde r d iffe ren t cu rren t c ro ss - sec tion ave rage ve loc itie s3. 2. 3 不淤流速 (图 5 ) :图 5 各流速的淤积百分比图F ig. 5 Sed im en t silta tion p e rcen tage s in d iffe ren t cu rren t c ro ss - sec tion ave raged ve loc itie s对于不淤流速的确定 ,标准不统一 ,本文选取淤积百分比为 0. 17时的断面流速作为不淤流速 ,所以 得出样品的不淤流速为 40 cm / s。图 3 高岭土最佳絮凝盐度图F ig. 3 Sed im en t floccu la tion d iam e te r vs sa lin ity由以上图表 可 以 看 出 , 盐 度 值 为 13 时 的 静 水沉降试验所得 的高 岭 土 的 中 值 粒 径 最 大 , D50 =0. 033mm. 这个结果表明 ,在此盐度下的絮团颗粒最 大 ,重力作用促进絮 团 快速 下沉 , 絮 凝现 象 十分 明4 结论 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 上海地质Shangha i Geo logy总第 104期40im age - ana lysis system fo r in situ ob se rva tion of floc s inna tu ra l wa te rs J . 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A cam e ra andExper im en ta l study of f loccu la t ion se ttlem en t of cohe s ive f in e sed im en t of ka o l inL I Fang1J IN Ying2 L IU Shuguang1(1 Co llege of C ivil Enginee ring, Tongji U n ive rsity, Shangha i 200092;2 Co llege of Traffic 、Co llege of O cean , Hoha i U n ive rsity, J iangsu, N an jing 210098 )A b stra c t: Cohe sive fine sed im en t floccu la te s in the sa lty wa te r. M any fac to rs cou ld accoun t fo r the floccu la tion e s2p ec ia lly the compo sition of the m ine ra l. A se rie s of exp e rim en ts have been conduc ted to study the cha rac2 te ris