用NaCl解決膠體絮凝問(wèn)題的研究

曹 淼 周小榮 楊小全

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;2.河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院 ,南京 210098)

膠體污染物是水資源污染物中比較有代表性的一種污染物.為了了解膠體污染物在水體中的存在、遷移和擴(kuò)散規(guī)律,需要開(kāi)展膠體污染物的輸移規(guī)律研究.然而膠體在水體中普遍會(huì)發(fā)生絮凝的現(xiàn)象,會(huì)對(duì)膠體輸移規(guī)律研究的試驗(yàn)觀測(cè)及試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生巨大的干擾,嚴(yán)重影響研究的結(jié)果與精度[1].在開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究之前,采取必要手段對(duì)膠體進(jìn)行預(yù)處理,以保證處理過(guò)的膠體在實(shí)驗(yàn)過(guò)程不出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象,是精確研究膠體污染物輸移規(guī)律的前提.Parkman在1997年曾經(jīng)提出采用NaCl對(duì)膠體進(jìn)行預(yù)處理的思想及基本思路[2],但沒(méi)有進(jìn)行深入的研究.為了驗(yàn)明NaCl在解決膠體絮凝問(wèn)題中的可行性,利用NaCl進(jìn)行了一系列膠體處理的實(shí)驗(yàn).通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn),利用NaCl處理膠體可以有效防止水中膠體的絮凝.

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

選用高嶺土作為試驗(yàn)?zāi)z體樣品,利用DHZ-DA型恒溫調(diào)速振蕩儀作為振蕩設(shè)備,LS13320型全自動(dòng)激光粒徑分析儀測(cè)量懸濁液粒徑分布,梅特勒SG7型電導(dǎo)率儀用以測(cè)定溶液電導(dǎo)率進(jìn)而確定NaCl濃度.

1.1 激光粒度分析儀測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性

激光粒度分析儀的穩(wěn)定性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否至關(guān)重要,為此,對(duì)同種膠體樣本進(jìn)行了多次測(cè)量,并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.圖1為其中3次測(cè)量得出的樣品粒徑分布圖,從中可以看出,激光粒度分析儀測(cè)量同一個(gè)樣品所測(cè)得的粒徑分布基本一致,且3次測(cè)量結(jié)果均方差僅為0.032%,由此可見(jiàn),采用LS13320型全自動(dòng)激光粒徑分析儀測(cè)量膠體粒徑分布具有很好的重現(xiàn)性,測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定可靠.

圖1 同種膠體樣品多次測(cè)量的粒徑分布圖

1.2 膠體原液的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用高嶺土作為膠體樣品,實(shí)驗(yàn)前檢測(cè)了膠體溶于水后自然狀況下其粒徑分布的變化.首先將25g高嶺土溶解到1000 ml水中,充分?jǐn)嚢?然后將其置入圓柱形玻璃器皿中靜置,同時(shí)抽取一個(gè)樣本.靜置1h后,用玻璃棒將沉積下來(lái)的膠體溶液充分?jǐn)嚢?再?gòu)膱A柱形玻璃器皿中抽取一個(gè)樣本,以此類推,后面的取樣間隔時(shí)間分別為2 h、3h…,取3～5個(gè)溶液樣本測(cè)量其粒徑分布,觀察溶膠的粒徑分布變化.

分別抽取膠體溶于水后的初始時(shí)刻、1 h、2h、4.5 h和7h共5個(gè)時(shí)段的樣本進(jìn)行測(cè)量,并繪制隨時(shí)間變化的膠體粒徑分布圖,如圖2所示.經(jīng)過(guò)與原始粉末狀態(tài)下測(cè)得的高嶺土粒徑分布圖,如圖3所示.經(jīng)比較可知,高嶺土膠體溶解于水后其粒徑分布不但隨時(shí)間發(fā)生了明顯的變化,而且變化無(wú)明顯規(guī)律,絮凝現(xiàn)象十分顯著.膠體在水體中發(fā)生絮凝的現(xiàn)象在自然界中普遍存在,以下通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)研究探索一種有效防治方法.

1.3 NaCl處理膠體溶液

先將58.5 g NaCl溶解到2000ml水中,充分?jǐn)嚢?制成NaCl溶液;然后將50g高嶺土加入NaCl溶液中,邊加邊用玻璃棒攪拌,待溶解完全后,得到NaCl與高嶺土混合液.將裝有混和液的燒瓶放到恒溫調(diào)速振蕩儀中,進(jìn)行振蕩,時(shí)間為24h,震蕩完成后每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次漂洗(具體操作見(jiàn)2.3),同時(shí)抽取一個(gè)樣本.多次漂洗之后,直至溶液中NaCl的濃度降低到一定的量并基本不再改變(通過(guò)測(cè)定溶液的電導(dǎo)率來(lái)確定),此時(shí)實(shí)驗(yàn)完成.測(cè)定不同時(shí)刻取得的溶液樣本中膠體的粒徑分布,對(duì)比分析不同時(shí)刻樣本中膠體的粒徑分布及其與粉末狀態(tài)下的高嶺土粒徑分布的差異,研究利用NaCl防止水中膠體絮凝的可行性.并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)同一樣本的多次測(cè)定分析了激光粒度分析儀在測(cè)定高嶺土膠體粒徑分布中的穩(wěn)定性,通過(guò)震蕩前后、漂洗前后的取樣測(cè)定結(jié)果比較了震蕩與否、漂洗與否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,其實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖4.

圖4 利用NaCl預(yù)防膠體絮凝實(shí)驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 NaCl對(duì)膠體粒徑分布的影響

圖5為NaCl預(yù)處理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后1 h、3.5 h、48h、96h的觀測(cè)結(jié)果,從圖5可以看出,溶膠的粒徑分布規(guī)律與高嶺土粉末的粒徑分布規(guī)律基本一致,如圖2所示.

圖5 用NaCl處理過(guò)的高嶺土膠體在水溶液中隨時(shí)間變化的粒徑分布圖

統(tǒng)計(jì)得到膠體在粉末狀態(tài)下和NaCl預(yù)處理后實(shí)驗(yàn)中各時(shí)刻的中值粒徑d50的值,見(jiàn)表1.可以發(fā)現(xiàn)NaCl預(yù)處理后1h、3.5h、48h、96h高嶺土膠體溶液的中值粒徑平均為1.9898 μ m,與高嶺土粉末的d50 1.9839μ m非常接近,最大誤差和最大相對(duì)誤差分別為0.0853μ m和4.3%.NaCl預(yù)處理后4個(gè)時(shí)間測(cè)定結(jié)果的最大值與最小值相差0.148 8μ m,變化幅度很小.表明膠體溶液經(jīng)NaCl處理后中值粒徑d50值與粉末狀態(tài)基本一致,膠體絮凝問(wèn)題得到了很好的解決.

表1 溶膠的中值粒徑

進(jìn)一步計(jì)算高嶺土粉末和膠體溶液的粒徑分布中代表直徑的累積量,表2列出了其中幾個(gè)不同粒徑對(duì)應(yīng)的膠體累積含量.可以發(fā)現(xiàn)各特征粒徑下NaCl處理過(guò)的高嶺土溶液膠體粒徑分布與常態(tài)下的高嶺土粉末粒徑分布變化很小,進(jìn)一步表明膠體溶液中溶膠沒(méi)有產(chǎn)生絮凝.由此可知,利用NaCl處理膠體溶液可以有效地防止溶于水后的膠體產(chǎn)生絮凝,保證了膠體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性,且NaCl處理后并不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間延續(xù)和膠體溶液中NaCl的濃度變化而發(fā)生較大改變,處理效果具有很好的穩(wěn)定性.

表2 高嶺土粉末和溶液中不同粒徑的累積含量(%)

2.2 振蕩對(duì)處理效果的影響

在本次實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)重要的物理過(guò)程,分別是膠體溶液的振蕩和對(duì)NaCl的漂洗去除.為了驗(yàn)證溶膠的粒徑分布在振蕩前后有沒(méi)有發(fā)生大的變化,抽取了振蕩前后的溶液樣本進(jìn)行了比對(duì)實(shí)驗(yàn),并繪制高嶺土膠體在溶液振蕩前后的膠體粒徑分布圖,如圖6所示.可以看出,振蕩后高嶺土膠體溶液中小粒徑部分的含量有所增加,但震蕩前后溶液中膠體的粒徑分布趨勢(shì)基本一致、變化幅度很小,且與高嶺土膠體的粉末分布圖差別很小.計(jì)算得出兩組數(shù)據(jù)的均方誤差為0.54%,說(shuō)明振蕩這一物理過(guò)程,并沒(méi)有對(duì)膠體的粒徑分布產(chǎn)生過(guò)大的影響.

圖6 用NaCl處理高嶺土膠體時(shí)在振蕩前后膠體粒徑分布圖

2.3 處理膠體時(shí)漂洗NaCl前后膠體粒徑的變化

利用NaCl處理膠體之后要將溶液中的NaCl除去,防止NaCl對(duì)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生不必要的影響.NaCl的漂洗是實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要步驟,具體操作方法是:將振蕩好的溶液倒入大的玻璃器皿中,向其中加入適量的去離子水,靜置到所有膠體都沉淀到容器底部時(shí),將上層水倒出,之后再次加水、攪拌、靜置,反復(fù)進(jìn)行上述步驟,直至溶液中的NaCl的含量達(dá)到要求時(shí),漂洗結(jié)束[3-5].

在漂洗NaCl的過(guò)程前后對(duì)膠體溶液分別取樣并進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn),研究漂洗過(guò)程是否對(duì)膠體粒徑分布產(chǎn)生影響.漂洗NaCl前后膠體的粒徑分布如圖7所示.

圖7 用NaCl處理高嶺土膠體時(shí)漂洗NaCl前后膠體粒徑分布圖

從圖7可以看出在漂洗前后膠體粒徑分布的變化很小,計(jì)算得出兩組數(shù)據(jù)的均方誤差為0.24%,且膠體在溶液中的粒徑分布與高嶺土粉末的粒徑分布基本一致,這說(shuō)明在漂洗NaCl過(guò)程中,高嶺土膠體的粒徑分布沒(méi)有因?yàn)槠吹陌l(fā)生和膠體溶液中NaCl的濃度變化而發(fā)生改變.

3 結(jié) 論

膠體在溶于水之后很容易產(chǎn)生絮凝,結(jié)果必然導(dǎo)致其物理性質(zhì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致其在水中的運(yùn)動(dòng)及沉積過(guò)程發(fā)生改變,膠體的這一性質(zhì)給研究膠體在河水中遷移的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)極大干擾.

以高嶺土溶液膠體為代表,采用NaCl對(duì)膠體溶液進(jìn)行處理后,處理后的溶液具有很好的穩(wěn)定性.經(jīng)NaCl處理的高嶺土膠體溶液中的粒徑分布與膠體粉末粒徑分布的相對(duì)誤差都在5%以內(nèi),處理后的膠體物理性質(zhì)穩(wěn)定,不再發(fā)生絮凝現(xiàn)象.處理過(guò)程中,膠體溶液的振蕩、NaCl的漂洗對(duì)膠體粒徑分布影響也很小,可見(jiàn)利用NaCl處理膠體是防止膠體溶于水后產(chǎn)生絮凝的一種有效方法.

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