新型絮凝反應(yīng)器處理高嶺土懸浮液的實驗研究＊

馮 穎，鄭延鵬，宋 濤

（1. 沈陽化工大學 能源與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142； 2. 內(nèi)蒙古億利化學工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

開發(fā)應(yīng)用

新型絮凝反應(yīng)器處理高嶺土懸浮液的實驗研究＊

馮 穎1，鄭延鵬1，宋 濤2

（1. 沈陽化工大學 能源與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142； 2. 內(nèi)蒙古億利化學工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

根據(jù)絮凝原理設(shè)計制造了新型絮凝反應(yīng)器，并建立了連續(xù)絮凝實驗裝置。以液體透光值為指標，考察了在室溫（25 ℃）和不同進液流量下處理高嶺土懸浮液的效果。結(jié)果表明，該反應(yīng)器可以在室溫下達到較好的絮凝澄清效果，處理液透光值均達到120以上，節(jié)省了傳統(tǒng)絮凝操作中需要加熱所造成的能耗。綜合考慮澄清效果和處理效率，確定進液流量為60 L/h較為適宜。

絮凝； 反應(yīng)器； 懸浮液； 透光值

絮凝作為一種有效的固液兩相分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)凈化、礦物分離、廢漆處理、糖蜜和蛋白質(zhì)的回收、釀酒和果汁加工、中藥液凈化除雜等多個領(lǐng)域[1-4]。影響絮凝效果的因素復(fù)雜繁多，如溫度、絮凝劑種類和用量、溶液pH值、反應(yīng)水力條件等[5，6]。

已有研究表明[7，8]，將液體加熱到適當溫度能增加顆粒間的碰撞幾率，從而提高絮凝效率和效果，但這樣會造成能量的消耗，并使操作過程更加復(fù)雜。

本文自行設(shè)計了新型絮凝反應(yīng)器，其內(nèi)部擾流構(gòu)件可以增強反應(yīng)器內(nèi)液體的傳質(zhì)及顆粒的撞擊，起到強化絮凝的作用。利用該反應(yīng)器研究了在室溫下（25 ℃）絮凝懸浮液的效果，并考察了不同進液流量的影響，擬實現(xiàn)高效率、低能耗的絮凝操作。

1 實驗部分

1.1 實驗用懸浮液

以濃度為1 000 mg/L的高嶺土懸浮液為原液。使用精度為0.1 mg的電子天平精確稱取3g高嶺土，溶于3 L自來水中，充分攪拌均勻后進行實驗。原液儲存使用帶攪拌裝置的水槽，保證在實驗過程中高嶺土顆粒在水中呈懸浮狀態(tài)。

1.2 試驗用絮凝劑

以聚合氯化鋁（PAC）為絮凝劑。PAC為黃棕色粉末，易溶于水，稱取聚合氯化鋁粉末1 g，溶于100 mL水中，配置成濃度為10 g/L的絮凝劑溶液備用。

1.3 實驗裝置和流程

實驗流程如圖1所示。反應(yīng)器操作為連續(xù)進液、連續(xù)排液。根據(jù)實驗條件將配制好的懸濁液和混凝

藥劑加入儲槽中，分別通過增壓泵和蠕動泵從反應(yīng)器底部輸入懸濁液和混凝劑。通過改變泵的轉(zhuǎn)速變換實驗條件，但要懸濁液和混凝劑溶液的配比始終保持不變。實驗在室溫下進行，不需要加熱或保溫設(shè)備。實驗過程中需要在反應(yīng)器內(nèi)多個位置取樣分析，取樣時，利用吸管從不同位置抽取樣液約20 mL進行透光值測試。

圖1 絮凝實驗流程圖Fig.1 The flow chart of the experiments with flocculation

實驗流程中的主要設(shè)備是 6所示的絮凝反應(yīng)器，該反應(yīng)器是根據(jù)絮凝機理自行設(shè)計制造的。反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)上分為內(nèi)管、外管和外筒三部分，在內(nèi)管內(nèi)部及內(nèi)、外管之間均設(shè)有擾流構(gòu)件，其作用是使流體在反應(yīng)器內(nèi)流動過程中形成微渦旋，促進絮凝劑與懸浮液的混合，加劇顆粒間的碰撞，從而提高絮凝澄清效果。絮凝器內(nèi)采樣點分布如圖2所示，依次沿流體運動途徑選取。取樣后立即進行透光值的測量，所用儀器為U-2800型紫外/可見分光光度計。

圖2 絮凝反應(yīng)器內(nèi)采樣點分布Fig.2 The sampling point distributions of the flocculation reactor

2 結(jié)果與討論

2.1 間歇實驗

間歇實驗的主要目的是確定最佳絮凝劑用量，操作斱法如下。取16支相同的容積為50 mL的試管，向各試管中均加入20 mL配制好的高嶺土懸濁液，然后分別向16支試管中加入0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.15、0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6 mL絮凝劑溶液。反復(fù)顛倒試管，待絮凝劑與原水充分混合接觸后，將試管靜置，觀察試管中變化，并記錄現(xiàn)象。當絮團完全沉降后，取試管中的上清液于比色皿中，測試管中上清液的透光值。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同絮凝劑用量對澄清效果的影響Fig.3 The influence of clarifying effects on the different dosage of flocculat

由圖可知，隨著絮凝劑用量的增加，上清液的透光值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在絮凝劑用量為0.2 mL到0.5 mL時反應(yīng)效果較好。這是因為在絮凝劑用量小于0.2 mL時，溶液中電解出的Al3+量較少，不足以使懸浮的固體顆粒完全脫穩(wěn)，影響其團聚成較大顆粒，同時吸附架橋、卷掃網(wǎng)捕等作用也較弱。而當絮凝劑用量過大時，則會使膠粒的吸附面均被無機PAC高分子覆蓋，兩膠粒接近時，就受到高分子之間的相互排斥而不能聚集，產(chǎn)生“膠體保護”作用，使絮凝效果下降，甚至重新穩(wěn)定；另外，生成的絮團松散，不密實，不易沉淀?？紤]到經(jīng)濟的合理性，在實驗范圍內(nèi)，確定每20 mL高嶺土溶液使用0.2 mL聚合氯化鋁溶液為最佳絮凝劑用量。

2.2 連續(xù)實驗

采用圖2所示的實驗裝置考察以連續(xù)操作斱式絮凝懸浮液的處理效果。將高嶺土溶液分別以75、60、45、30、15（L/h）的進液流量泵入反應(yīng)器，根據(jù)間歇實驗結(jié)論，與之相對應(yīng)的絮凝劑流量分別為125、60、45、30、15（mL/min）。為了考察反應(yīng)器內(nèi)不同位置的溶液狀態(tài)，在反應(yīng)器內(nèi)取若干個采樣點。當反應(yīng)器進入穩(wěn)定連續(xù)工作狀態(tài)后，用膠管吸取采樣點處樣液約20 mL，不經(jīng)靜置，立即用分光光度計測量樣品透光值，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，不同進液流量下各取樣點的透光值都呈現(xiàn)出大致相同的趨勢，隨著液體在反應(yīng)器內(nèi)的流動，液體透光值逐漸增大，在溢流口附近達到最大值。其中取樣點1為反應(yīng)器進口位置，此處各實驗條件下液體透光值基本相同。取樣點2、3、4、

5處測量值基本保持不變，且溶液較渾濁，這是因為反應(yīng)器內(nèi)管及外管進液處主要發(fā)生的是懸浮液與絮凝劑的混合、懸浮顆粒表面脫穩(wěn)、微絮團形成等反應(yīng)，并未發(fā)生明顯的絮團沉淀和澄清。取樣點6和7處樣品透光值顯著增大，這是因為在內(nèi)管和外管之間，由于流通面積大于內(nèi)管，流體流速減小，且由擾流構(gòu)件形成的渦旋尺度增大，強度減弱，所以更有利于微絮團聚集成較大絮團，發(fā)生澄清沉降。取樣點7和8之間是外筒空間，在此位置僅依靠絮團與水之間的密度差發(fā)生重力沉降，因此透光值有所增加但并不顯著。

圖4 不同進液流量下各取樣點的透光值Fig. 4 The light of each sampling point under the different liquid flow

另外，在實驗考察的流量范圍內(nèi)，在室溫下溢流液都可以達到較好的混凝澄清效果，透光值均達到120以上。進液流量較小，可得到較大的透光值。這一現(xiàn)象在流量為15 L/h時最為明顯，其出液透光值達到155。但流量在30 L/h至75 L/h時，混凝效果的提高并不明顯。綜合考慮處理效率等因素，選擇進液流量為60 L/h較為適宜。

取少量反應(yīng)器內(nèi)沉積物涂置于光滑載玻片上，自然風干，用顯微鏡觀察到的絮體結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖可見，聚合氯化鋁絮凝高嶺土懸浮液生成的絮體呈云狀，結(jié)構(gòu)均勻、密實而厚大。

3 結(jié) 論

（1）利用聚合氯化鋁絮凝高嶺土懸浮液時，絮凝劑用量對處理效果有顯著影響，用量過大或過小均不能得到澄清的處理液，最佳絮凝劑用量為每20 mL懸浮液使用0.2 mL絮凝劑溶液。

圖5 絮體顯微照片（X10）Fig. 5 The micrograph of flocculation (×10)

（2）利用新型結(jié)構(gòu)的絮凝反應(yīng)器及其連續(xù)實驗裝置可以在室溫下（25 ℃）較好的絮凝懸浮液，溢流液透光值均達到120以上。反應(yīng)器內(nèi)管以液體間的混合、顆粒碰撞和微絮體形成為主；顯著的沉淀澄清發(fā)生在內(nèi)管和外管之間。

（3）隨著進液流量的增加，溢流液透光值有所降低。但流量在30 L/h至75 L/h時，混凝效果的提高并不明顯。綜合考慮處理效率等因素，選擇進液流量為60 L/h較為適宜。

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Experimental Study on the Treatment of Kaolin Suspension by a New Type of Flocculation Reactor

FENG Ying1, ZHENG Yan-peng1, SONG Tao2
（1. School of energy and power engineering, Shenyang university of chemical technology, Liaoning Shenyang 110142，China；2. Inner Mongolia Yili Chemical Industry Limited company, Inner Mongolia Ordos 014300，China）

A new type of flocculation reactor was designed and manufactured based on the flocculation theory, and Continuous flocculation experiment device was established. The treatment effect of Kaolin suspension at room temperature（25 ℃）and different inlet flow were investigated taking transmission value as evaluating indicator. It was showed by results that good flocculation clarification effect could be achieved at room temperature using this reactor, the transmission values of fluid were all above 120, which Save the energy consumption of heating caused by the traditional flocculation operation. Considering the clarification effect and treatment efficiency, the proper liquid flow rate was 60 L/h.

Flocculation; Reactor; Suspension; Transmission value

TQ 052

A

1671-0460（2013）09-1927-03

遼寧省教育廳項目，項目編號：L2012138

2013-03-07

馮穎（1975－），女，遼寧沈陽人，副教授，博士學位，2005年畢業(yè)于天津大學化工過程機械專業(yè)，研究方向水處理技術(shù)。E-mail：fengy75@163.com。