用NaCl解決膠體絮凝問題的研究

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)國家重點(diǎn)實驗室,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發(fā)生絮凝的現(xiàn)象,會對膠體輸移規(guī)律研究的試驗觀測及試驗結(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].在開展相關(guān)實驗研究之前,采取必要手段對膠體進(jìn)行預(yù)處理,以保證處理過的膠體在實驗過程不出現(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對膠體進(jìn)行預(yù)處理的思想及基本思路[2],但沒有進(jìn)行深入的研究.為了驗明NaCl在解決膠體絮凝問題中的可行性,利用NaCl進(jìn)行了一系列膠體處理的實驗.通過對實驗結(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 實驗測量方法

選用高嶺土作為試驗?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型全自動激光粒徑分析儀測量懸濁液粒徑分布,梅特勒SG7型電導(dǎo)率儀用以測定溶液電導(dǎo)率進(jìn)而確定NaCl濃度.

1.1 激光粒度分析儀測定結(jié)果的穩(wěn)定性

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

圖1 同種膠體樣品多次測量的粒徑分布圖

1.2 膠體原液的測定

實驗采用高嶺土作為膠體樣品,實驗前檢測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,同時抽取一個樣本.靜置1h后,用玻璃棒將沉積下來的膠體溶液充分?jǐn)嚢?再從圓柱形玻璃器皿中抽取一個樣本,以此類推,后面的取樣間隔時間分別為2 h、3h…,取3～5個溶液樣本測量其粒徑分布,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刻、1 h、2h、4.5 h和7h共5個時段的樣本進(jìn)行測量,并繪制隨時間變化的膠體粒徑分布圖,如圖2所示.經(jīng)過與原始粉末狀態(tài)下測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間發(fā)生了明顯的變化,而且變化無明顯規(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,以下通過進(jìn)一步試驗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,時間為24h,震蕩完成后每隔一定時間進(jìn)行一次漂洗(具體操作見2.3),同時抽取一個樣本.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(通過測定溶液的電導(dǎo)率來確定),此時實驗完成.測定不同時刻取得的溶液樣本中膠體的粒徑分布,對比分析不同時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.并且在實驗過程中通過對同一樣本的多次測定分析了激光粒度分析儀在測定高嶺土膠體粒徑分布中的穩(wěn)定性,通過震蕩前后、漂洗前后的取樣測定結(jié)果比較了震蕩與否、漂洗與否對實驗結(jié)果的影響,其實驗流程見圖4.

圖4 利用NaCl預(yù)防膠體絮凝實驗流程圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 NaCl對膠體粒徑分布的影響

圖5為NaCl預(yù)處理實驗中實驗開始后1 h、3.5 h、48h、96h的觀測結(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處理過的高嶺土膠體在水溶液中隨時間變化的粒徑分布圖

統(tǒng)計得到膠體在粉末狀態(tài)下和NaCl預(yù)處理后實驗中各時刻的中值粒徑d50的值,見表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誤差分別為0.0853μ m和4.3%.NaCl預(yù)處理后4個時間測定結(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,膠體絮凝問題得到了很好的解決.

表1 溶膠的中值粒徑

進(jìn)一步計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列出了其中幾個不同粒徑對應(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)動時的穩(wěn)定性,且NaCl處理后并不會因為時間延續(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 振蕩對處理效果的影響

在本次實驗中有兩個重要的物理過程,分別是膠體溶液的振蕩和對NaCl的漂洗去除.為了驗證溶膠的粒徑分布在振蕩前后有沒有發(fā)生大的變化,抽取了振蕩前后的溶液樣本進(jìn)行了比對實驗,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.計算得出兩組數(shù)據(jù)的均方誤差為0.54%,說明振蕩這一物理過程,并沒有對膠體的粒徑分布產(chǎn)生過大的影響.

圖6 用NaCl處理高嶺土膠體時在振蕩前后膠體粒徑分布圖

2.3 處理膠體時漂洗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對進(jìn)一步實驗的結(jié)果產(chǎn)生不必要的影響.NaCl的漂洗是實驗中一個重要步驟,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,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,漂洗結(jié)束[3-5].

在漂洗NaCl的過程前后對膠體溶液分別取樣并進(jìn)行了比對試驗,研究漂洗過程是否對膠體粒徑分布產(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,這說明在漂洗NaCl過程中,高嶺土膠體的粒徑分布沒有因為漂洗的發(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)動及沉積過程發(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驗帶來極大干擾.

以高嶺土溶液膠體為代表,采用NaCl對膠體溶液進(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.處理過程中,膠體溶液的振蕩、NaCl的漂洗對膠體粒徑分布影響也很小,可見利用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.

[1] Brooks N H.Mechanics of Streams with M oveable Beds of Fine Sand[J].T rans.ASCE,1958,123:526-594(reprinted in classic Papers in Hydraulics,ASCE,1992: 541-609).

[2] Packman A I,Norman H Brooks,James J Morgan. Experimental Techniques for Laboratory Investigation of Clay Colloid Transport and Filtration in a Stream with a Sand Bed[J].Water,Air and Soil Pollution,1997,99: 113-122.

[3] Newman A C D.Chemistry of Clays and Clay Minerals [M].London:Mineralogical Society,1987:22-26.

[4] Packman A I,Brooks N H.Colloidal Particle Exchange Between Stream and Stream Bed in a Laboratory Flume [J].Marine and Freshwater Research,1995,46:233-236.

[5] Litton G M,Olson T M.Colloid Deposition Rates on Silica Bed Media and Artifacts Related to Collector Surface Preparation Methods[J].Environmental Science& Technology,1993,27:185-193.