水力条件对聚硅酸铝铁絮体分形结构的影响研究

Posted 2023-01-11 絮凝

篇首语：一万年来谁著史，三千里外欲封侯。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水力条件对聚硅酸铝铁絮体分形结构的影响研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

制备聚硅酸铝铁复合絮凝剂，研究其絮体分形维数与絮凝效果之间的关系，并进一步分析了水力条件对絮体形态的影响，确定了絮体的动力学模型。结果表明，絮凝剂投加量过多或过少都会降低絮体分形维数；碱化度升高会使絮体更加密实，同时分形维数随搅拌强度的增加而增大，但搅拌条件过强会增大絮体破碎几率；在絮凝初期，分形维数随慢搅时间的增长而增大，之后趋于平缓；絮体粒径受破碎时间的影响，破碎时间越长，破碎后粒径越小。聚硅酸铝铁絮凝剂的动力学模型为反应控制聚集型。
0 引言
在絮体的形态学研究中引入分形理论，为人们提供了全新的观念与手段来处理絮体的形态学问题。絮凝体的成长是一个随机过程，具有非线性的特征。若不考虑絮凝体的破碎，常规的絮凝过程是由初始颗粒通过线形随机运动叠加形成小的集团，小集团又碰撞聚集成较大集团，再进一步聚集，一步一步成长为大的絮凝体。这一过程决定了絮凝体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，即絮凝体的形成具有分形的特点。
聚硅酸铝铁(PSFA)是一种新型复合高分子絮凝剂，兼有铁盐和聚硅酸铝(PSAA)的优点。本文通过对PSFA絮体分形维数的测定，探讨了考虑破碎的情况下絮体分形维数与絮凝效果之间的联系，并进一步研究了不同水力条件对絮体形态与分形维数的影响。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
硫酸铁，硫酸铝，Na2SiO3.9H2O，磷酸二氢钾，尿素，葡萄糖，高岭土，以上试剂均为分析纯；去离子水。
721E型分光光度计，79-1型磁力加热搅拌器，NGB4-DXS-10AC电子显微镜。
1.2 溶剂配置
取一定量的硅酸钠溶于水中使其浓度为0.3mol/L，在pH=3.0条件下快速搅拌聚合1h，得到聚合度较高的聚硅酸纳溶液。
分别取一定量的硫酸铁、硫酸铝，配置成浓度为0.5mol/L溶液。
称取6g高岭土、8g葡萄糖、0.8g尿素、0.5g磷酸二氢钾溶于20L水中，作为模拟废水。
1.3 实验方法
1.3.1 PSFA的制备
在反应器内，以聚硅酸钠为原料，分别加入一定量的硫酸铁、硫酸铝溶液，控制摩尔比Al3+/Fe3+为0.6，并使Si与总金属离子的摩尔比为0.35；在50℃磁力搅拌2h，然后用频率为50Hz的超声波处理1h，最后静置陈化24h即得液态产品。
1.3.2 絮体分形维数的测定
运用计算机图像处理软件分析拍摄的絮体图像，计算絮体的周长与面积：

式中，L为周长，S为面积，k为常数。
两边取对数，将其转化为：lnS=ulnL+lnk
式中，lnL与lnS是呈线性关系的，直线斜率即为分形维数。
1.3.3絮凝试验
3种试验方法见表1。

以试验方法1为例，先以150r/min的速度快速搅拌1min，再分别以40r/min、45r/min、50r/min、55r/min、60r/min的速度慢速搅拌5min，然后以400r/min的转速进行2min的破碎，最后以40r/min的转速进行20min的絮体恢复过程。表1中的其他过程与方法1类似。
2 结果与讨论
2.1 PSFA投加量对絮体分形维数的影响
PSFA投加量对絮体分形维数的影响见图1。由图1可以看出，随着絮凝剂投加量的增加，絮体分形维数曲线先上升再下降，在投加量为3.0mL/L时分形维数最大，投加量不足或过多时絮体的分形维数均下降；TSS的去除率曲线与絮体的分形维数曲线趋势相同，投加量过多或过少都会降低TSS去除率，并且与分形维数一样，在投加量为3.0mL/L时去除率最大。这说明絮体的分形维数与絮凝剂的絮凝效果具有相关性。在絮凝剂投加量较少时，絮体较小，且结构松散，所以混凝效果不显著。而当絮凝剂投加量过多时，絮体比较拥挤，极不稳定，不易沉淀。这是由于絮凝剂过量时，胶体电荷发生逆转，出现反稳现象，降低絮凝效果；在投加量适中时，絮体结合成簇状，具有较大的表面积，有利于颗粒的吸附和架桥作用，特别是絮体的网状结构能够增强粘附架桥和网捕作用。PSFA中形成了由Fe、Al与Si组成的类似于聚丙烯酰胺(PAM)的空间网状结构，在处理废水时，能发生类似于聚丙烯酰胺(PAM)的吸附架桥作用，因此，具有良好的絮凝效果。

2.2 碱化度对絮体形态的影响
图2为以二维显微图像作絮体面积与其周长的双对数曲线，曲线的斜率值即为二维分形维数。随着碱化度的增加，絮体的二维分形维数值也逐步上升。D的值由B=0时的1.4523上升到B=1.0时的1.5238。分形维数的增加也同时表明，絮体的微观结构更加密实，分支越来越少。而B=2.0和B=3.0时的PSFA絮体分形维数之所以较高是由于此时的聚硅酸铝(PSAA)含量较高。PSAA在一般酸碱体系中能保持较好的稳定性，且有较强的吸附能力，在混凝过程中能迅速吸附胶体颗粒于其表面，形成“静电簇"，这些静电簇又因其较强的正电荷，与周围颗粒物裸露表面(“静电簇-胶体表面")形成较强静电吸引力，降低DLVO理论中的势垒，导致颗粒间的有效碰撞效率大大提高，从而使得颗粒物在仍然带有电荷的情况下发生脱稳、混凝。相对而言，B=0和B=1.0时的PSFA主要以Al3+、Fe3+为主，并且由于Al3+、Fe3+在水中的稳定性较差，首先会发生水解，形成沉淀，然后再发生沉淀产物吸附于颗粒物表面。因此，形成的絮体通过沉淀产物的吸附作用再次相互聚集，以形成较大的絮体沉淀。所以B=0和B=1.0时PSFA形成的絮体孔洞结构较多，抗剪切能力较弱，沉淀性能也相对较差。

由絮体的结构分析可知，PSFA中由于碱化度不同而导致的PSAA含量的差异将导致混凝絮体微观形状的差异，因而也影响混凝工艺的处理效果。
2.3 搅拌强度对絮体分形维数的影响
图3为3种不同水力条件下的絮体分形维数变化曲线。由图3可以看出，絮体的分形维数随着絮体的生长有所增加。在开始阶段，初始颗粒物在一定的搅拌条件下快速聚集，在絮体内部形成许多孔洞。随着絮体的生长，团簇-团簇聚集的模式逐渐占据主导地位，较密实的颗粒就进入较大絮体的内部。所以，在絮体的生长过程中，絮体的分形维数会逐渐增大。在搅拌条件增强时，絮体破碎的可能性就会增加，小而密实的颗粒就有更多的机会进入较大的絮体内部，从而使絮体的分形维数增大。同时由于絮体对水力条件的变化比较敏感，因此，在方法1的试验条件下，絮体的破碎机会较多，分形维数最高。另外，在方法1的条件下，水力剪切条件从40r/min逐渐增加到60r/min，一些絮体表面的结合键比在其他条件下更有可能被破坏，因此，许多絮体内部的孔洞暴露出来并被填充，使分形维数变大。

2.4 慢搅时间对絮体分形维数的影响
图4表示在最佳投加量条件下，不同原水浊度时水处理絮体分形维数随慢搅时间的变化情况。从图4可以看出，絮体的分形维数随慢搅时间的变化具有波动性，在慢搅的初始阶段，絮体的分形维数随时间的增加而增大，然后波动幅度变小，趋于平缓。在絮凝剂投加量适中时，絮体的形成主要以吸附电中和为主，在开始的一段时间内，絮体的生长速率大于破碎速率，使絮体的力度增大，由于吸附点增多使分形维数变大。原水浊度由30NTU上升到80NTU时，絮体的分形维数尽管有不同程度的上升，但变化不明显。

2.5 破碎时间对絮体形态的影响
在电中和机制下，将在15min、40r/min下成长的絮体置于3种破碎时间(10s、30s、180s)的400r/min破碎搅拌下。破碎完成后，是15min、40r/min的絮体重组阶段。图5显示了絮体在不同破碎时间下破碎及重组过程中的混凝动力学过程。由图5可以看出，在搅拌约8min后，絮体的粒径增加缓慢，此时颗粒的聚集与破碎达到平衡。在后续的慢速搅拌时间内，絮体的粒径稳定在860μm。在慢搅结束后的破碎过程中，絮体原有的结构被破坏，分裂成许多相对较小的颗粒聚集体，因此，表现为絮体粒径的明显下降。当破碎时间为10s、30s及180s时，其对应的絮体粒径分别为210μm、175μm及130μm，破碎时间越长，破碎后絮体粒径越小。从图中还可以看出，在180s的破碎过程中，絮体破碎后的粒径基本达到稳定。

2.6 PSFA絮体动力学模型分析
絮体的动力学过程模型可归纳为3类：扩散控制聚集模型，弹射聚集模型和反应控制聚集模型。PSFA属于高分子聚合物类絮凝剂，其伸展在溶液中的长链状聚合物分子的各活性基团可同时占据胶粒表面一个或多个吸附位，然后通过胶粒间的这种“架桥"方式将多个颗粒束缚在聚合物分子链的活性基团上，从而形成链状的絮凝物。这种通过高分子的吸附架桥作用发生絮凝的方式正是反应控制聚集模型的反应方式。
3 结论
(1)水处理过程中絮体的分形维数与絮凝效果具有相关性，具体地说，分形维数随着TSS去除率的增大而上升。
(2)碱化度的增加使絮体更加密实，而聚硅酸铝含量的不同使絮体微观形状发生变化，从而影响絮凝效果。
(3)搅拌强度对絮体的分形维数有明显的影响。分形维数随絮体的生长而增大，但搅拌强度过大会增加絮体的破碎几率。
(4)慢搅时间对絮体分形维数的影响明显。开始阶段，分形维数随慢搅时间增大而变大，然后趋于平缓。原水浊度对分形维数的影响不大。
(5)絮体粒径随破碎时间的不同呈现波动性，经180s破碎后絮体粒径达到稳定状态。
(6)PSFA的絮体动力学模型属于反应控制聚集型。