有机絮凝剂的混凝机理研究

Posted 2023-01-13 絮凝

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混凝是以形成絮体为中心的单元净化过程，它的效果是由混凝剂的化学作用和构筑物的流体动力学作用两方面来决定的。高效、经济的混凝剂对混凝作用固然重要，但同时必须在设备上提供良好的水力条件，从而形成密实度好的混凝颗粒，以利于后续沉淀、过滤工艺的高效运行。由于很多相互作用的影响，混凝是一个令人头痛的问题。以前的研究通常只聚焦于一个具体的变量却没有考虑到其它变量。到目前为止，还没有一个有关不同变量间关系的整体研究。混凝效果的好坏取决于pH值、温度、浓度等，但主要取决于2个因素：①混凝剂水解后产生的压缩双电层机理、吸附电中和作用机理及高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；②微小颗粒碰撞概率和如何控制它们进行合理有效的碰撞。此时，流动水体的紊流动力作用对加速颗粒混凝起主导作用。
1 混凝碰撞机理数学表达式
(1)涡旋剪切混凝。借助坎布(Camp)的混凝方程，由涡旋速度梯度引起的单位积水中单位时间内i和j颗粒碰撞次数Nij可表示为Nij=43ninj(ri+rj)3|SR|=43(m+1)ninj(ri+rj)3uR
(1)式中 ni、nj———i、j颗粒浓度；ri、rj———i、j颗粒半径；m———指数，一般m=0 5～0 9；u———计算点的切向速度；R———计算点到原点的距离，即涡旋半径；SR———半径R处的速度梯度，即塑变形。
(2)涡旋惯性离心混凝。颗粒在惯性离心力作用下作径向运动时，大颗粒运动快，小颗粒运动慢，这一速度差为颗粒碰撞提供了条件。则径向速度差引起的单位体积、单位时间内i和j颗粒碰撞次数Nij′可表示为Nij′=πninj(V0i-V0j)(ri+rj)2ugR(ri>rj)
(2)式中 V0i———i颗粒的自由沉速；V0j———j颗粒的自由沉速；g———重力加速度。
径向惯性离心力产生的碰撞频率不仅随颗粒粒径的增大而增大，而且还取决于粒径的差别，对于粒径相同的颗粒，即使速度很大也不会产生碰撞，因此惯性离心混凝对于粘结小颗粒并使粒径趋于均匀具有显著作用。由此可以断定，紊流条件下涡旋剪切力和惯性离心力是对加速颗粒接触碰撞的主要动力致因，而涡旋剪切力是主导动力。迄今尚缺少能完满地描述符合水处理领域实际情况的混凝动力学模型，因为：①Smoluchowski公式是描述水流为层流条件下的颗粒碰撞频率模型，但对于混凝装置内紊流占优势的特征情况下就不符。②Camp和Stein公式的特点是引入能量要素来计算速度梯度，无疑对推动水处理技术的发展有益，但缺点也明显，该式计算结果远不是混凝池内的速度梯度。按照该式推算，速度梯度越大，混凝效果越好。但目前使用的网格混凝反应设备中格网后面一定距离处，湍流可以近似地看成是均匀各向同性湍流，即空间点的运动参数的统计特征值沿各个方向均相同，故此时速度梯度为零。可是其混凝反应效果却远优于目前所有其它混凝设备，这一工程实例充分说明Camp和Stein公式的局限性。③Levich公式源于其它技术领域，且仅限于紊流粘性区。
2 混凝中有机絮凝剂的分散与颗粒的作用机理及其物理模型　药剂的分散及与颗粒发生作用的混凝机理有：双电层压缩、电中和、吸附架桥。有机絮凝剂与颗粒的作用机理主要是后者。吸附架桥是指线状或分枝长链状的高分子物质与胶体接触时，其化学官能团被2个或2个以上的胶体吸附，而使胶粒凝聚为大的絮凝体。把混凝过程分为3个步骤：①药剂的分散及与颗粒发生作用(定义为混合作用)；②此后发生的凝聚作用；③进一步发生的絮凝作用。如图1、图2所示。

混凝包括凝聚和絮凝过程，凝聚过程主要是通过加入的混凝剂与水中胶体颗粒迅速发生电中和/双电层压缩脱稳，脱稳颗粒再相互凝聚形成初级微絮凝体。絮凝过程则是促使微絮凝体继续增长形成粗大而密实的沉降絮体。实际上，凝聚与絮凝两个阶段间隔是瞬间的，几乎同时发生。合理分配能耗絮凝过程中矾花尺度取决于吸附架桥的联结力与紊流剪切力的对比关系。紊流的剪切力主要取决于涡旋尺度与涡旋强度，涡旋尺度越小，涡旋强度越大，涡旋对矾花的剪切作用越强。在絮凝过程中，应采取适当的分级以及絮凝室容积逐级成倍增大的方式，以适应随矾花不断长大输入能量率需要相应减小和较大矾花继续结大需要较长的时间的客观要求，工程师们对絮凝过程的认识基本上达到了统一，并且该过程的水力条件控制也容易达到。因此，认为只有胶体颗粒与充分分散的药剂充分接触，才有可能充分地形成微絮体，也才有可能充分地或高效地(缺时间内)形成大絮体。也就是说充分地混合，才有高质量的凝聚，才可能有高效地絮凝。例如，一个胶体颗粒如果没有与药剂接触发生(物理)化学作用，那么该胶体颗粒发生凝聚(絮凝)的可能性很小，只有在絮凝阶段有可能被网捕或差分沉降而沉降下来。这样的胶粒越多，混凝乃至沉降效果越差。所以，药剂的分散及与颗粒发生作用最重要，此后发生的凝聚作用的水力条件也是至关重要的研究内容。
3 混凝试验研究
试验在一套可调速的搅拌装置中进行，悬物为黏土，pH=6.5，用药量为0.1mg/L，药剂为PAM。试验中叶片尺寸固定，搅拌强度变化，通过调整转数(以电压值显示)实现。
(1)混合阶段最佳紊动值的确定。从表1可看出混凝过程的前期混合搅拌，无论搅拌时间还是搅拌强度都对混凝效果没有太大的影响。
(2)凝聚阶段最佳紊动值的确定。从表2可看出，更强的搅拌对凝聚效果更有利，使更多的微细颗粒发生了凝聚乃至以后的大絮体形成。

(3)絮凝阶段最佳紊动值的确定。从表3可看，絮凝阶段需要一定的时间形成更多的大絮体，但太长的时间将破坏絮体成与破裂的平衡。
从宏观上，定义混凝过程为混合、凝聚和絮凝3个阶段。虽然实际混凝过程没有严格区分，但试验证明了有机絮凝剂的混合和凝聚几乎是在同一阶段完成，并且要求较强的搅拌强度，这种定义和其物理模型对以后的研究是有意义的。
4 结　论
(1)前期对混凝机理的研究偏重于碰撞机理和速度梯度理论，但与实际应用中的网格混凝不能吻合。
(2)试验证明上述混凝定义及其物理模型有其正确性和指导性。对混凝过程微观角度上的定义其物理模型的提出不但得到了试验证明，而且更有利于今后对混凝机理进行更详尽的研究。