泥漿絮凝試驗(yàn)中Zeta電位與絮凝現(xiàn)象、脫水能力的相關(guān)性探討

李艷坤，李 怡，孫雨涵，周佰祥，周曉朋

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

泥漿絮凝試驗(yàn)中Zeta電位與絮凝現(xiàn)象、脫水能力的相關(guān)性探討

李艷坤1，李 怡1，孫雨涵1，周佰祥2，周曉朋2

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

文章基于課題組已有研究成果，通過(guò)分析整理文中連云港區(qū)絮凝脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析Ze?ta電位與絮凝效果和絮凝后脫水能力之間的相關(guān)性，驗(yàn)證Zeta電位能否作為評(píng)價(jià)泥漿絮凝脫水能力的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)絮凝試驗(yàn)的測(cè)定參數(shù)Zeta電位、泥餅含水率及絮凝效果作相關(guān)性分析，結(jié)果表明：（1）Zeta電位值的大小與泥漿絮凝效果之間存在著一定的相關(guān)性，泥漿絮凝效果最優(yōu)點(diǎn)往往出現(xiàn)在Zeta電位值接近零點(diǎn)時(shí)，Zeta電位值基本可以評(píng)價(jià)絮凝效果的優(yōu)良；（2）Zeta電位值的大小對(duì)泥漿脫水能力也有著很強(qiáng)的影響，在泥餅含水率最低最穩(wěn)定的添加量、添加區(qū)間，往往Zeta電位值趨近于等電點(diǎn)且相對(duì)較穩(wěn)定，二者表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。通過(guò)分析Zeta電位值的大小及變化過(guò)程的穩(wěn)定性，基本可以評(píng)價(jià)絮凝后泥漿脫水能力的好壞。

絮凝；Zeta電位；泥餅含水率；相關(guān)分析

我國(guó)濱海地區(qū)每年要產(chǎn)生大量的疏浚土，其中土性大多以淤泥質(zhì)粘土為主。國(guó)內(nèi)疏浚土二次利用主要在吹填造陸工程且利用率不高，平均利用率僅為40％，部分大型港口工程建設(shè)可達(dá)70％［1-2］，總體的利用率偏低。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究試驗(yàn)，現(xiàn)已逐步形成了一套新型污泥固化的新工藝［3-4］——采用絮凝劑處理污泥，使用土工管袋提高濾水效果。該方法處理后的疏浚土脫水效率得到很大提升，避免了二次污染，有著顯著的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。近些年該項(xiàng)工藝的研究在河、湖疏浚淤泥絮凝處理上有一定的進(jìn)展，而針對(duì)廣泛存在于我國(guó)濱海的吹填土的分析卻很少［5-6］，但國(guó)內(nèi)疏浚土產(chǎn)量巨大，來(lái)源以沿海港口航道疏浚為主，因此研究濱海地區(qū)吹填土的絮凝脫水工藝意義重大。

對(duì)于淤泥質(zhì)粘土泥漿，一般顆粒較粗（90％＞2 μm）屬粗分散體系，引力較強(qiáng)，表面雙電層比較難壓縮，所以第二極小較深。因此，濃的粘土懸浮體易形成凝膠結(jié)構(gòu)，具有明顯的觸變性［7］。泥漿中含有大量的帶負(fù)電的粘性顆粒，顆粒表面的Zeta電位能反映膠體的聚集穩(wěn)定性，高分子絮凝劑的加入可以通過(guò)電中和作用壓縮顆粒表面雙電層，降低其Zeta電位，破壞膠體穩(wěn)定性進(jìn)而使懸浮的泥漿膠體顆粒發(fā)生絮凝作用，同時(shí)高分子可同時(shí)吸附在兩個(gè)或兩個(gè)以上膠粒表面，通過(guò)橋聯(lián)方式將膠粒聚在一起而聚沉［8］。因此，膠體顆粒表面Zeta電位值的大小與絮凝劑的用量、絮凝現(xiàn)象及污泥脫水能力有著密切的關(guān)系，可以作為評(píng)價(jià)絮凝脫水試驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)前用于評(píng)價(jià)淤泥絮凝試驗(yàn)效果的指標(biāo)主要有絮凝效果及泥餅含水率［9］，本文基于課題組已有研究成果［10］，通過(guò)分析整理文中連云港區(qū)絮凝脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析Zeta電位與絮凝效果和絮凝后脫水能力之間的相關(guān)性，驗(yàn)證Zeta電位作為評(píng)價(jià)泥漿絮凝脫水能力指標(biāo)的合理性，可以為絮凝試驗(yàn)中絮凝劑的選型定量提供可靠的參考依據(jù)。

1 絮凝脫水試驗(yàn)的3個(gè)測(cè)定指標(biāo)

1.1絮凝效果即沉降速度、上清液濁度、絮團(tuán)尺寸的評(píng)定

絮凝后泥漿沉降速度及上清液清濁狀態(tài)由記錄并觀察試驗(yàn)現(xiàn)象得到，其中按照攪拌后立即沉降、1 min內(nèi)完成沉降、1 min以后完成沉降，將沉降速度劃分為沉降快、一般、慢3個(gè)級(jí)別。并根據(jù)觀察的上清液清濁狀態(tài)，劃分為“清”、“濁”兩個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)中將上清液外觀、沉降速度、絮團(tuán)尺寸大小統(tǒng)稱(chēng)為絮凝效果并進(jìn)行討論，并認(rèn)為同時(shí)滿(mǎn)足上清液清、沉降速度快、絮團(tuán)初次達(dá)到結(jié)塊的絮凝效果為最佳添加量（如不存在三者同時(shí)滿(mǎn)足情況，以效果相對(duì)最優(yōu)時(shí)的添加量為絮凝效果最佳添加量）。

1.2泥餅含水率

泥餅含水率是絮團(tuán)排水能力的體現(xiàn)，能有效的評(píng)價(jià)絮凝后原狀泥漿脫水能力的改善。加高分子類(lèi)絮凝劑后，其內(nèi)部的極性基團(tuán)能與淤泥膠質(zhì)微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)電中和、橋架及卷掃等作用凝聚成大的顆粒絮體，減少污泥與水的親和力，使水分從中分離出來(lái)，從而提高淤泥的脫水性能。如果溶液中的高分子濃度過(guò)大，膠粒表面就會(huì)全部被所吸附的有機(jī)高分子物質(zhì)所覆蓋，膠粒不再通過(guò)橋架連接而絮凝，反而對(duì)膠粒起到穩(wěn)定保護(hù)作用［11］。因此，隨著添加量增加，往往泥餅含水率呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，存在對(duì)應(yīng)的最優(yōu)添加量。

1.3Zeta電位

根據(jù)DLVO理論［8］，電位的大小是衡量膠體體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，Zeta電位測(cè)定的是膠核滑動(dòng)面上的電動(dòng)電位，如果顆粒帶有很多負(fù)的或正的電荷，也就是說(shuō)很高的Zeta電位，它們會(huì)相互排斥，從而達(dá)到整個(gè)體系的穩(wěn)定性。如果顆粒帶很少的負(fù)的或正的電荷，即很低的Zeta電位，它們會(huì)相互吸引，從而達(dá)到整個(gè)體系的不穩(wěn)定。通過(guò)向水體系中添加相應(yīng)絮凝劑，引入了異性電荷，壓縮雙電層厚度，使Zeta電位降低，再加上絮凝劑本身的橋聯(lián)作用影響，當(dāng)Zeta電位降低到一定程度時(shí)，膠體就會(huì)凝聚下沉。因此，通過(guò)測(cè)定Zeta電位的大小可以一定程度上反應(yīng)絮凝脫水試驗(yàn)的優(yōu)良，并認(rèn)為Zeta電位值趨于零時(shí)對(duì)應(yīng)的添加量為基于DL?VO理論下的最優(yōu)添加量。

3個(gè)指標(biāo)中，絮凝現(xiàn)象是從直觀以及微觀的角度去定性的衡量絮凝試驗(yàn)的結(jié)果，泥餅含水率是通過(guò)測(cè)量反應(yīng)后的淤泥中水分的缺失量來(lái)定量的判斷絮凝試驗(yàn)的好壞，兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于絮凝試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)各有得失，應(yīng)綜合起來(lái)考慮，而Zeta電位可以在試驗(yàn)過(guò)程中即定性又定量的評(píng)價(jià)絮凝試驗(yàn)，同時(shí)Zeta電位往往與絮凝現(xiàn)象和泥餅含水率之間有著強(qiáng)烈的相關(guān)性，因此，基于它們的相關(guān)性來(lái)選擇Zeta電位的最優(yōu)添加量、添加區(qū)間，可以為絮凝試驗(yàn)中絮凝劑的選型定量提供可靠的參考依據(jù)。

2 相關(guān)性分析

2.1Zeta電位與絮凝效果的相關(guān)性分析

Zeta電位是表征分散體系穩(wěn)定性的有效參數(shù)，其值的高低反映了泥漿顆粒之間的相互狀態(tài)，即吸斥關(guān)系。通過(guò)研究連云港港區(qū)吹填土泥漿絮凝試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，添加有機(jī)、無(wú)機(jī)及各類(lèi)組合絮凝劑時(shí)，泥漿顆粒之間的狀態(tài)隨著絮凝劑用量而發(fā)生改變，與此同時(shí)還伴隨著電位的變化，且泥漿絮凝效果的好壞與Zeta電位值的大小存在一定相關(guān)性。為更好地分析二者的關(guān)系，進(jìn)行基于絮凝效果、DLVO理論下的不同絮凝劑最佳添加量進(jìn)行對(duì)比分析如表1所示。

表1 基于絮凝效果、DLVO理論的最佳用量及Zeta電位值Tab.1Optimal dosage and Zeta potential values based on flocculation effect and DLVO theory

基于表1的數(shù)據(jù)分析可知，單摻方案3中，添加量為50 mg/L時(shí)，絮凝劑的橋聯(lián)作用明顯使得膠體顆粒的Zeta電位值迅速下降到-5.103 mV；添加量為200 mg/L時(shí)，由于陰離子濃度的增加抑制了絮凝劑的電中和作用與橋架作用，分散體系重新趨于穩(wěn)定，Zeta電位值幾乎回到未添加絮凝劑時(shí)的狀態(tài)，所以，方案3呈現(xiàn)的相關(guān)性較差。單摻方案4中，添加量1 000 mg/L時(shí)，橋架作用明顯，絮凝效果最優(yōu)，添加量1 333 mg/L時(shí)，過(guò)量的PAC抑制了橋架作用但陽(yáng)離子濃度增加，電中和作用明顯，Zeta電位值上升，但二者電位值均在零值附近，相關(guān)性明顯?；鞊椒桨?、6組合中，適量的有機(jī)、無(wú)機(jī)組合使絮凝效果相對(duì)于單摻試驗(yàn)時(shí)優(yōu)先達(dá)到，但當(dāng)CPAM或NPAM過(guò)量時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果由混摻實(shí)驗(yàn)向著單摻試驗(yàn)轉(zhuǎn)變，2組方案基于絮凝效果和DLVO理論下的Zeta電位值分別為-2.889 mV與2.634 mV、2.331 mV與-2.124 mV，雖然具體數(shù)值不同但均在零值附近波動(dòng)，絮凝效果、Zeta電位仍表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性；同理混摻方案8組合中，100 mg/L的NPAM與定量的PAC組合時(shí)，電中和及橋架作用明顯，Zeta仍有向零靠近的趨勢(shì)，NPAM添加量為150 mg/L時(shí)，Zeta電位值出現(xiàn)反彈，但絮凝效果好于前者，表明過(guò)量的NPAM與定量的PAC組合又抑制了電中和作用，二者電位值相差僅為0.594 mV，相關(guān)性依然明顯。而方案1、2、7、9中，在2個(gè)評(píng)價(jià)體系的添加量完全一致，此時(shí)Zeta電位值分別為-2.473 mV、-2.151 mV、-2.331 mV、-0.675 mV。

由此可見(jiàn)，Zeta電位值的大小與泥漿絮凝效果之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，且淤泥質(zhì)吹填土泥漿絮凝效果最優(yōu)點(diǎn)往往出現(xiàn)在Zeta電位值接近零點(diǎn)附近時(shí)。泥漿絮凝處理時(shí)，Zeta電位值的大小基本可以評(píng)價(jià)絮凝效果的優(yōu)良。

2.2Zeta電位與絮凝后脫水能力的相關(guān)性分析

絮凝效果與顆粒Zeta電位之間具有良好的相關(guān)性，可以通過(guò)電位值的大小來(lái)評(píng)價(jià)絮凝效果的好壞，而泥漿脫水能力的好壞能否通過(guò)Zeta電位值的高低進(jìn)行評(píng)價(jià)，DLVO理論是否可以合理的解釋絮凝泥漿脫水能力的強(qiáng)弱，有必要進(jìn)行二者的相關(guān)性分析。通過(guò)整理連云港泥漿絮凝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到不同絮凝劑添加量下泥餅含水率與Zeta電位的變化過(guò)程，如圖1～圖8所示。泥漿脫水能力最優(yōu)添加量、添加區(qū)間與Zeta電位的對(duì)比信息，如表2所示。

如圖1～圖3所示，3組單摻試驗(yàn)的曲線顯示，在Zeta電位值發(fā)生較大變化時(shí)泥餅含水率同樣發(fā)生了較大波動(dòng)。其中APAM單獨(dú)作用下，只在用量為100 mg/L時(shí)存在低于125％的含水率，不存在最優(yōu)添加區(qū)間，各添加量下脫水能力均較差，泥漿電位隨著絮凝劑用量的不同，各數(shù)值間差距較大，與含水率變化過(guò)程相對(duì)應(yīng)，整個(gè)過(guò)程均未出現(xiàn)電位變化較穩(wěn)定區(qū)間。NPAM單獨(dú)作用下，在最優(yōu)添加區(qū)間100～250 mg/L內(nèi)泥餅含水率變化過(guò)程穩(wěn)定，相應(yīng)的Zeta電位也比較穩(wěn)定，且泥漿脫水速度快，最優(yōu)添加區(qū)間內(nèi)的Zeta電位值為-5.246～-2.151 mV。圖4所示的PAC與CPAM混摻試驗(yàn)結(jié)果，兩條曲線變化過(guò)程相近，雖然添加量為100 mg/L所對(duì)應(yīng)的Ze?ta電位不是最趨近于零點(diǎn)的，但與絕對(duì)值最小的電位值相差很小，且二者所對(duì)應(yīng)的泥餅含水率均低于100％，在最優(yōu)添加區(qū)間內(nèi)，泥漿的電位值為-4.995～2.634 mV。PAC與NPAM的混摻試驗(yàn)結(jié)果亦是如此，如圖5～圖8所示，初始PAC用量為667～2 000mg/L四組試驗(yàn)，含水率隨Zeta電位變化趨勢(shì)明顯，在初始PAC用量分別為667 mg/L、1 000 mg/L、1 333 mg/L時(shí)，兩標(biāo)準(zhǔn)下的Zeta電位完全相同，前三組試驗(yàn)的最優(yōu)添加區(qū)間電位值分別為-3.391～-2.124 mV、-4.877～-0.598 mV、-2.464～-2.29 mV，區(qū)間內(nèi)各點(diǎn)電位值相差很小，且均在等電點(diǎn)附近。PAC用量為2 000 mg/L時(shí)，脫水能力最強(qiáng)電位與絕對(duì)值最小電位間的差距也非常小，均在零點(diǎn)附近，但由于此用量下，只在NPAM為100 mg/L時(shí)泥漿脫水能力處于快速水平，因此不存在最優(yōu)添加區(qū)間。

圖1 CPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.1Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under CPAM

圖2 NPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.2Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under NPAM

圖3 APAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.3Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under APAM

圖4 333mg/L的PAC+CPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.4Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 333 mg/L PAC and CPAM

圖5 667mg/L的PAC+NPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.5Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 667 mg/L PAC and NPAM

圖6 1000 mg/L的PAC+NPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.6Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 1 000 mg/L PAC and NPAM

圖7 1333 mg/L的PAC+NPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.7Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 1 333 mg/L PAC and NPAM

圖8 2000 mg/L的PAC+NPAM作用下泥餅含水率與Zeta電位關(guān)系Fig.8Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 2 000 mg/L PAC and NPAM

如表2所示，依據(jù)連云港港吹填土泥漿絮凝抽濾試驗(yàn)結(jié)果，編號(hào)1～8絮凝劑組合作用下泥漿脫水能力最優(yōu)添加量對(duì)應(yīng)的Zeta電位分別為-6.906 mV、-3.881 mV、-7.282 mV、-4.995 mV、-2.124 mV、-0.598 mV、-0.339 mV、1.021 mV，Zeta電位絕對(duì)值最低點(diǎn)為-2.473 mV、-2.151 mV、-5.103 mV、2.634 mV、-2.124 mV、-0.598 mV、-0.339 mV、-0.675 mV，其中編號(hào)為1的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺、編號(hào)為3的陰離子型聚丙烯酰胺絮凝處理的泥漿Zeta電位值相差較大且偏離零點(diǎn)較遠(yuǎn)，編號(hào)2、5的非離子型聚丙烯酰胺單摻試驗(yàn)、聚合氯化鋁與陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺混摻試驗(yàn)，雖然兩標(biāo)準(zhǔn)下的電位均在零點(diǎn)附近，但二者亦不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，Zeta電位趨于零點(diǎn)的添加量并非脫水能力最強(qiáng)時(shí)的用量。而聚合氯化鋁與非離子型聚丙烯酰胺的混摻試驗(yàn)結(jié)果表明，脫水能力最強(qiáng)與Zeta電位絕對(duì)值最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的絮凝劑用量幾乎完全相同，尤其是編號(hào)為5、6、7的三組試驗(yàn)，表現(xiàn)出二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表2 基于脫水能力的最佳用量及相應(yīng)Zeta電位值Tab.2Optimal dosage and Zeta potential values based on dewatering capacity and DLVO theory

綜上所述，泥漿脫水最優(yōu)時(shí)的電位值并非DLVO理論下的最趨近于零點(diǎn)的電位值，但Zeta電位與泥漿脫水能力仍表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。絮凝脫水能力效果的提高與否是電中和作用與橋架作用共同導(dǎo)致的結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在不同類(lèi)型、不同組合絮凝劑添加中Zeta電位對(duì)泥餅含水率有著顯著的影響，在Zeta電位變化較明顯時(shí)同樣伴隨著泥餅含水率較大的波動(dòng)，在電位相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間，泥餅含水率也相對(duì)較穩(wěn)定，且該區(qū)間往往是泥漿的最優(yōu)添加區(qū)間，表明二者具有一定相關(guān)性。因此，通過(guò)分析電位值的大小及變化過(guò)程的穩(wěn)定性，基本可以評(píng)價(jià)絮凝后泥漿脫水能力的好壞。

3 結(jié)論

（1）各離子性質(zhì)的聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁及有機(jī)-無(wú)機(jī)組合絮凝劑對(duì)連云港淤泥質(zhì)吹填土泥漿能產(chǎn)生一定的作用，可有效的降低泥餅含水率、改變上清液狀態(tài)、提高沉降速度并增大泥漿內(nèi)膠體尺寸，其中CPAM、NPAM、PAC+NPAM作用下絮凝效果最為明顯。

（2）Zeta電位值的大小與泥漿絮凝效果之間存在著一定的相關(guān)性，試驗(yàn)結(jié)果顯示泥漿絮凝效果最優(yōu)點(diǎn)，往往在Zeta電位值接近零點(diǎn)時(shí)，Zeta電位值的大小基本可以評(píng)價(jià)絮凝效果的優(yōu)良。

（3）Zeta電位值的大小對(duì)泥漿脫水能力有著很強(qiáng)的影響，在泥餅含水率最低最穩(wěn)定的添加量、添加區(qū)間，往往Zeta電位值趨近于等電點(diǎn)且相對(duì)較穩(wěn)定，表明二者具有一定相關(guān)性，通過(guò)分析電位值得大小及變化過(guò)程的穩(wěn)定性，基本可以評(píng)價(jià)絮凝后泥漿脫水能力的好壞。

（4）濱海吹填土的實(shí)際處理當(dāng)中，可以結(jié)合絮凝現(xiàn)象和泥餅含水率來(lái)綜合選定Zeta值的最優(yōu)變化區(qū)間，進(jìn)而選定不同組合的絮凝劑用量最優(yōu)添加區(qū)間，以節(jié)省工程造價(jià)。

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Correlation analysis between Zeta potential and mud flocculation and dewatering capacity on mud flocculation experiment

LI Yan?kun1，LI Yi1，SUN Yu?han1，ZHOU Bai?xiang2，ZHOU Xiao?peng2
（1.School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Based on the flocculation dewatering test data in Lianyungang area,the correlation between Zeta po?tential and mud flocculation and dewatering capacity was analyzed,and the Zeta potential was verified as an evalua?tion indicator of flocculation sludge dewatering capacity.By analyzing the correlation between Zeta potential and cake moisture content and flocculation,the results show that:(1)In the three evaluation index,it has some certain correlation between the Zeta potential and flocculation effect，the data show that the point of the best flocculation of?ten appears when the Zeta potential value is close to zero,and the method of evaluating the flocculation effect with the Zeta potential value is logical.(2)Similarly,it has some certain correlation between the Zeta potential and water content of sludge cake.When the water content of sludge cake reaches the lowest and the most stable added amount,the Zeta potential value is close to the isoelectric point and relatively stable.The Zeta potential value can also value the dewatering capacity to a certain degree.Therefore,the method of analyzing the Zeta potential to evalu?ate the mud flocculation dewatering capacity of the coastal dredger fill is basically feasible.

flocculation;Zeta potential;water content of sludge cake;correlation analysis

X 703.5

A

1005-8443（2016）02-0187-06

2015-03-30；

2015-12-11

李艷坤(1989-)，男，黑龍江省人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海方面的研究。

Biography：LI Yan?kun（1989-），male，master student.