四川PAC混凝剂的混凝动力学之异向凝聚动力学
液体中分散粒子的絮凝与;粒子间的相互接触和碰撞有关,而它们的相互接触和碰撞由其相对运动引起。造成这种相对运动的原因可以是微粒的布朗运动,也可以是产生速度梯度的流体运动。胶体或微粒间的相互接触和碰撞方式主要有3种:a.分子扩散及重力沉降引起的碰撞,由这种碰撞引起的絮凝称为异向絮凝(perikinetic flocculation),这种碰撞主要发生在静止的水中;b.在水的层流状态下,由于速度梯度而产生碰撞,由这种碰撞引起的絮凝称为同向絮凝(orthokinetic flocculation),层流状态是发生这种碰撞的水动力学条件;c.由水的湍流运动而产生的碰撞,湍流可以认为是一种具有非均匀的脉动变化的速度梯度的运动,因此湍流碰撞也属于同向絮凝范畴。由于湍流状态下的扩散系数为分子扩散的几千倍,所以湍流碰撞远比前两种碰撞激烈而有效。因此,絮凝剂同分散系必须进行良好的混合,实际应用中絮凝首先采用湍流搅拌强化絮凝过程。但不应过分延长强烈的搅拌时间,因为在被剪切力粉碎的絮体中,絮凝剂有可能在发生自身吸附形成较为平衡的构型,而且在剪切力被除去之后也不可能再恢复原来的絮凝状态。
由DLVO理论的介绍我们可知,胶体或微粒在碰撞时能否相互聚结生成絮凝体,这主要取决于胶体或微粒碰撞势能曲线上能垒Emax的高低(图2-5)。当能垒Emax大于4.12*10^-20-6.18*10^-20J时,相互间的排斥作用能很大,胶体或微粒几乎不能互相靠拢而发生聚结,碰撞效率系数(Φ)接近于零;当能垒Emax小于4.12*10^-20J时,Φ介于0-1之间;当能垒Emax=0时,所有的碰撞均能引起胶体或微粒间的聚结,Φ=1,此时,所有的碰撞均是有效碰撞,均导致絮凝体的产生,这种絮凝称为快速絮凝或强混凝;当0
异向凝聚动力学
在异向絮凝中微粒的碰撞由其布朗运动造成,碰撞频率决定于微粒的热扩散运动。Smoluchowski将扩散理论用于聚沉,首先讨论了球形颗粒的聚沉速度。
将某一微粒看作是静止不动的,称为捕集者(j微粒),然后计算由布朗运动引起的其他微粒(i微粒)向捕集者运动的速度。由于i微粒被j微粒捕集而形成一个自j微粒始的辐射状浓度梯度。在迅速建立的稳态下,微粒的浓度不随时间而变,即dNi/dt=0,根据Fick第二扩散定律:ac/at=Da2c/ax2或ac/at=a/ax(Dac/ax)
式中,x是扩散方向上一定位置处的坐标;c为该处的浓度;D是扩散系数。对于球形捕集者有:dNi/dt=1/r2 d/dr(r2Di dNi/dr)
式中,r是离开捕集者的辐射半径;Ni是辐射半径为r处的i微粒的浓度。根据函数的积的微分法则: dNi/dt=Di(d2Ni/dr2+2dNi/rdr)=0
上式的边界条件如下:在r=Rij处(Rij=ai+bj即微粒和j微粒的半径之和),Ni=0,就是说,在捕集者j微粒的表面处,液体中i微粒的浓度为零。而在r=∞,则有Ni=N0,就是说,在离捕集者j微粒无限远处,Ni等于本体溶液中液体中i微粒的浓度。由此边界条件求解上式可得:Ni/N0=1-Rij/r2和dNi/dr=N0Rij/r2
即给出了i微粒的局部浓度和浓度梯度,它们是辐射半径的函数。微粒向捕集者扩散的速度由Fick第一定律得到:dm/dt=DA dc/dx
考虑到扩散方向与r的方向相反,即x=-r,因而在r=Rij处就有:dNi/dt=Di·4πR2ij(dNi/dr)r=Rij
式中dm是dt时间内通过截面积A的物质质量,式中的dNi/dt是单位时间内i微粒向捕集者j微粒的碰撞次数,当r=Rij时,将式dNi/dr=N0Rij/r2代入上式就得到:dNi/dt=4πRijDiN0,i
由于捕集者也具有布朗运动,所以实际的扩散系数是:Dij=Di+Dj
当i和j可分别取值1,2,3,…,n,表示颗粒的不同大小,设i微粒和j微粒碰撞生成k微粒(k=i+j),则k为某一取值的微粒的生成速度为:dNk/dt=1/2 i=k-1 ∑ j=k-1 4πRij Dij NiNj-Nk ∞∑i=1 4πRikDikNi
此式第一项为k微粒由i微粒和j微粒碰撞而生成的速,第二项为k微粒由于同其他微粒碰撞而消失的速度。第一项前的系数1/2是由于重复计算的结果,因为这里对每一微粒的碰撞的计数实际为2,一次是作为i微粒,一次是作为j微粒。
根据Einstein-Stokes公式 D=KT/6πμα
式中,K为Boltzmann常数;T为水的热力学温度;μ为水的黏度;a为微粒半径。可以看出扩散系数与微粒的半径a成反比,故Rij和Dij乘积可以表示为最初的单分散微粒(设i=1)的扩散系数Di的函数:
RijDij=(ai+aj)(Di+Dj)=(ai+aj)(D1 a1/ai+D1 a1/aj)=(ai+aj)(1/ai+1/aj)D1a1
如果i微粒和j微粒大小相同,上式就成为:RijDij=4D1a1
在1
根据式(2-52)计算得出的异向絮凝半衰期很长,达到数天甚至上百天的时间,也就是说,即使是在完全脱稳的情况下,异向絮凝过程也是非常缓慢的。
前面的这些计算都是假设为快速絮凝,但实际上粒子可能是部分脱稳,因而仅有一部分碰撞时有效的,这部分碰撞可用系数。来表征(a=1为快速絮凝,a
-
答:我国将国外尚处于实验室研究阶段的该项技术进行了应用开发,并于1992年首次成功地应用于黄河高浊度水的投药控制。较早的一种投药控制调节方式是苗嘴调节。这种方法国外...
-
答:要使天然水中负电荷胶体脱稳,所需的一价、二价、三价离子的投加量之比大致为1:102:103。投加与天然水中胶体电荷相反的胶体向天然水中投加与原有胶体电荷相反的胶...
-
答:5硫酸铝铵(NH4)2·Al2(SO4)3·24H2OAA6。无机类高分子混凝剂类型药剂名称分子式代号pH阳离子型聚合氯化铝[Al2(OH)nCl6-n]mPA...
-
答:高分子化合物一般都具有很长的分子链,如常用的聚丙烯酰胺(PAM),每个结构单元长度为2。5μm,且链上有很多能够通过静电键合、氢键键合和共价键键合作用在颗粒表面...
-
答:管道混合的布置有多种形式,如图2-12所示。0m水头。混合设备的作用是让药剂迅速而且均匀地扩散到水流中,使形成的带电胶体颗粒与原水中的胶体颗粒及其他悬浮颗粒充分...