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粉末活性炭自絮凝机制与沉降速率研究#
作者:管理员    发布于:2017-11-27 14:02:30    文字:【】【】【

  -832-径小,且吸附能力强,在原水输送渠道中,会产生自凝聚作用而聚集成团,相应输移机制更加复杂。由于这一特点,具有絮凝或自凝聚效应的粘性细颗粒物在水流中输移研究成为关注的热点问题。国外,代表性的研究如Lick等学者、Bouye,Co丨omer151等研究了絮凝体粒径与水流剪切力的关系。国内,夏震寰在20世纪80年代初从胶体化学关于悬浮体的稳定理论出发,分析了黏性颗粒泥沙的絮凝现象与机理;近年来杨铁笙等对黏性细颗粒的絮凝特征及絮凝效应因素进行了综述。在细颗粒物絮凝体发育机制研究方面,李富根等m采用分型理论,研究黏性细颗粒泥沙絮团的尺度、密度等参数与絮团的分形维数关系;朱中凡等研究了黏性细颗粒泥沙絮团发育与絮网发育的临界判据;朱中凡等研究了低剪切紊动作用对细颗粒泥沙发育特征的影响,提出絮凝体粒径与水流剪切的关系。在细颗粒物絮凝沉降特性研究方面,蒋国俊等采用往复式直水槽研究了长江口细颗粒泥沙的动水絮凝沉降特征;王道增等采用P1V直接观测长江口水库细颗粒泥沙的絮凝过程及沉降速度;周晶晶等0采用环形水槽研究长江口细颗粒泥沙絮凝沉降特征;时钟等n51基于长江口悬浮泥沙观测数据,建立了细颗粒悬沙沉降速度的计算公式。

  然而,进一步研究絮团形成过程,以及水流条件对絮团尺寸、沉速的关系,建立一个概念清晰、表达简洁的模式,仍然是需要解决的问题。具体针对PAC在输水渠道中输移特征研究,则鲜见报道。

  2试验方法2.1自凝聚试验2.1.1试验装置考虑到PAC随水流沉降时间相对较长,顺直试验水槽较难满足其沉降的时间尺度要求。

  例如,在100m长的顺直试验水槽中,若断面水流平均速度为0.1m/s,则PAC的输移时间为1000s(约16min),难以反映PAC沉降的整个过程:若水流速度更快,则在直水槽中的输移时间更短。Lick以等在针对黏性颗粒物絮凝机制的研究中,进一步提山下面公式表征絮凝体的沉降速率:因此,关键问题是,如何通过静止沉降试验,拟合公式(7)的经验参数a. 2.2.2静水沉降速率的测定实验装置为有机玻璃圆筒,内径79cm,外径80cm,高度54cm.玻璃筒的体积保证筒中装有足够多的水,因此每次取样对筒内水M的影响可以忽略。在筒壁上从上至下分别在4cm,20cm,40cm处设置3个取样口,实验测定采用烘干称重法。实验时将粉炭导入玻璃筒后充分搅拌均匀,从初始时刻开始每隔20分钟取样。每次取样后进行抽滤,然后放入烘箱中烘干2个小时,后称重得到每个样品活性炭的质量,由此计算浓度。

  采用重复深度吸管法计算粉末活性炭的沉降速度。通过测定不同时间的粉炭浓度垂线分布,运用图积分的方法,即可求出不同深度处的瞬时沉降速率随时间的变化。计算原理为进一步,根据不同时刻沉降筒上、中、下处浓度值,采用加权的方法计算粉末活性炭的静止沉降速率:处平均沉降速度,cm/s. 3结果与讨论3.1粉末活性炭自絮凝特征曹10泛;沉降时间(min)沉降时间(nim)采用的粉炭材料为上海市松浦大桥原水厂生产的竹炭。在水流剪切力和起始投加浓度的组合工况下,竹炭自凝聚随时间变化的测定结果(和)。图中0.04Pa、0.14Pa、0.31Pa和0.56Pa分别对应环形试验水槽中0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s和0.4m/s的水流流速。

  按起始浓度分类的竹炭竹炭自絮凝粒径变化沉降时间(min)按水流剪切力分类的竹炭自絮凝粒径变化竹炭自絮凝试验结果表明:①沉降过程中,粒径随时间变化而增大,大约在280分钟左右达到平衡,粒径值趋于稳定;②实验开始时,炭粉起始粒径约为2.53pm,经过400分钟的实验,稳态粒径为1~16;③在相同浓度的沉降实验中,稳态粒径随着剪切力的增大而增大,在浓度大的工况中,剪切力对粒径变化的影响更明显,竹炭颗粒物粒径的分布较为清晰而浓度较小的工况中,不同水流剪切力下,竹炭颗粒物粒径的分布比较接近;④水流剪切力相同时,稳态粒径随着起始浓度的增大而增大。

  综上分析,起始浓度和水流剪切力是影响竹炭粉颗粒粒径在水中变化的主要因素,浓度越大,剪切力越大时,颗粒物在水中相互碰撞的概率越大,也更容易发生絮凝现象,形成大粒径颗粒物。

  Lick总结了针对大湖地区的黏性颗粒物絮凝特征研究成果。颗粒物的初始粒径中值约为3.5/zm,试验水流剪切力为0.1N/m2,0.2N/m2和0.4N/m2,颗粒物的初始浓度为50、100、400和800 mg/I采用旋转式双筒模拟水流剪切条件,研究水流剪切力和初始浓度对絮凝体的影响。研究表明,颗粒物的粒径随剪切力和初始浓度的增加而变小,大稳态絮凝体粒径在20~100//m,与本研究有所不同。在环形水槽中,与沉降和冲刷作用的平衡类似,炭粉颗粒物在水流中的絮凝和剪碎也是同时发生的两种平衡作用。当水流中的颗粒物在剪切力作用下碰撞形成大体积颗粒时,同时,也有大体积颗粒物受水流剪切力作用而被剪碎,成为若干粒役较小的颗粒物。这种絮凝和剪碎的作用共同发生,水力条件和絮凝体粒径的差异,导致平衡向某一方向移动,产生不同的现象。在本实验范围内,竹炭稳态粒径大达到18"m,在这一粒径尺度范围内,水流和初始浓度的增加,导致颗粒物的碰撞r1丨主导作用,因而形成竹炭絮凝体粒径随水流剪切和初始浓度的增加而增加的现象。

  3.2粉末活性炭沉降速率给出了在静止沉降筒中,典型初始投加浓度条件下的竹炭沉降过程。进一步依据粉炭静止沉降速率的计算公式,求出各种初始投加浓度条件下的竹炭沉降速率。其中,对竹炭初始浓度小于丨00mg/L的情形,进行加密分析。

  结果表明,竹炭的静水沉降速率在0.003cm/s的范围上下波动,与其初始浓度基本无关;因而可以认为试验采用的竹炭材料,其静水沉降速率为0.003cm/s.将该数值与公式(3)拟合,并考虑到竹炭初始中值粒径为3.0"m,确定竹炭沉降公式为:式公据依图见关应对的率速降沉其与径粒体凝絮炭竹出求可就(1/3曰)趔兹张宓层层层t中下沉降时间(rain)层层层上中下沉降时间(min)层层层上中下□△沉降时间(rain)典型初始浓度条件下的竹炭静水沉降过程竹炭浓度(mg/L)不同初始浓度条件下的竹炭静水沉降速率竹炭沉降速率与絮凝体粒径的关系4总结本研究采用环形水槽试验装置模拟实际的水流剪切力条件和投加浓度,研究粉末活性炭的自絮凝效应和沉降速率。

  以竹炭为研究对象,在试验水流剪切力低于0.60N/m2,以及初始投加浓度为30、50、100、200、300mg/L的条件下,其自絮凝效应为:①粉末活性炭随水流输移过程中产生自絮凝,输移时间超过280min后,粉末活性炭粒径基本达到稳定;②浓度较大的工况中,剪切力对粒径变化的影响更明显,而浓度较小的工况中,不同水流剪切力下,竹炭颗粒物粒径的分布比较接近;③试验范围内,初始粉炭中值粒径为2.53"m,自凝聚体的稳态粒径达10~16//m.总体上,在该试验范围内,水流剪切力和初始浓度的增加,导致颗粒物的碰撞主导作用,产生竹炭絮凝体粒径随水流剪切和初始浓度的增加而增加的现象。

  通过实测粉炭静水沉降速率,得出其静水沉降速率与初始投加浓度基本无关,静水沉降速率为0.003cm/s.进一步拟合得出粉炭沉降速率与自凝聚粒径的经验公式;依据此公式,竹炭自絮凝体的大沉降速度可达0.11cm/s.

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