電解質(zhì)對三峽庫區(qū)泥沙Zeta電位及絮凝特性影響

李 旺， 祖 波*, 李嘉雯

(1.重慶交通大學(xué)， 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074； 2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院， 重慶 401120)

三峽工程建成后，在防洪，發(fā)電和航運(yùn)等方面發(fā)揮了巨大的效益。但是，庫區(qū)蓄水后水位抬升，水流速減緩，改變了原有河道的形態(tài)和功能，使得入庫泥沙大量落淤，并且三峽庫區(qū)內(nèi)地形絕大多數(shù)為坡地，嚴(yán)重的水土流失也會使得大量泥沙進(jìn)入水體，加劇淤積，對于庫區(qū)通航、水庫調(diào)水防洪能力以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等造成負(fù)面影響。

河口，庫區(qū)等水體中的泥沙淤積主要是由于絮凝引起的，沙粒凝結(jié)成團(tuán)加快了泥沙的沉降速度，使得泥沙在庫區(qū)落淤。而造成泥沙絮凝的原因有很多，從泥沙自身特性來說，其礦物組成，級配，濃度會對其絮凝有所影響；從環(huán)境動力條件來說，低流體剪切率會加劇泥沙顆粒絮凝成團(tuán)，而高流體剪切率會破壞絮團(tuán)，使顆粒分散；從環(huán)境介質(zhì)條件來說，溫度、pH、有機(jī)質(zhì)、電解質(zhì)等也是影響絮凝的因素[1-3]。但這其中，電解質(zhì)是影響較大且較為復(fù)雜的因素。由于泥沙具有獨特的電化學(xué)性質(zhì)，其雙電層結(jié)構(gòu)在遇到強(qiáng)電解質(zhì)后，電層結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而影響泥沙顆粒的絮凝特性，并且不同種類、濃度、價態(tài)的電解質(zhì)對泥沙的穩(wěn)定性及絮凝程度的影響也有所不同[4-5]。以三峽庫區(qū)泥沙為研究對象，采用多層格柵絮凝沉降裝置，研究在自然水動力狀態(tài)下泥沙的絮凝行為，從宏觀和微觀兩個角度來闡述電解質(zhì)對三峽庫區(qū)泥沙Zeta電位以及絮凝特性的影響。研究成果對于探究泥沙絮凝的機(jī)理，解決庫區(qū)及河口地區(qū)泥沙淤積問題有實際意義。

1 實驗材料與方法

實驗用沙采集自三峽庫區(qū)長壽河段河底表層泥沙，泥沙取回后置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，經(jīng)100目篩分去除大顆粒雜質(zhì)后，取部分樣品用于泥沙特性分析，其余泥沙裝入棕色瓶，置于冰柜中4 ℃保存，以保留其中的有機(jī)物質(zhì)。取適量泥沙樣品加水混合，使用膠頭滴管吸取混合液至粒度儀(島津SALD-3101)中進(jìn)行粒度測量(圖1)；取適量泥沙樣品研磨后置于X射線衍射儀(島津XRD-6100)中進(jìn)行測量(表1)。

圖1 泥沙粒度累計頻率曲線Fig.1 Accumulated frequency curve ofparticle size

表1 泥沙礦物組成

試驗在自研的絮凝沉降及觀測裝置中進(jìn)行(圖2)，沉降柱高度2 m，沉降柱內(nèi)徑0.3 m，壁厚1 cm，由有機(jī)玻璃制成，柱內(nèi)有7層振動格柵，與上方電機(jī)相連，通過垂向振動能夠產(chǎn)生較為穩(wěn)定均勻紊流場，下部設(shè)有絮體分離室，側(cè)邊設(shè)觀測裝置，由相機(jī)和電腦組成，可以實時觀測分離室中泥沙絮體的運(yùn)動情況，結(jié)合激光粒度(島津SALD-3101)分析其粒徑組成變化。

根據(jù)實測資料，三峽庫區(qū)長壽段多年平均含沙量為0.295～1.590 g/L，水流流速為0～0.2 m/s。將振動格柵的振動頻率設(shè)置為2.0 Hz，脈動流速為0.06 m/s，投放泥沙濃度設(shè)為1.0 g/L，試驗條件符合三峽庫區(qū)長壽段的水流及泥沙濃度觀測值范圍。選用NaCl、MgCl2、CaCl2、AlCl34種電解質(zhì)，濃度設(shè)定為0.01～10 mmol/L，通過Zeta電位儀(Malvern Zetasizer Nano ZS90)測定絮凝后泥沙顆粒的電位。

圖2 絮凝沉降及觀測裝置Fig.2 Flocculation settlement and observation device

2 結(jié)果與討論

2.1 泥沙顆粒Zeta電位影響

電解質(zhì)濃度主要影響顆粒的帶電性質(zhì)，泥沙顆粒具有典型的雙電層結(jié)構(gòu)(圖3)[6]，根據(jù)雙電層理論，雙電層分為吸附層(Stern層)與擴(kuò)散層(Gouy層)，被吸附的離子緊貼在顆粒表面，形成固定的吸附層，Stern面到溶液本體被稱為擴(kuò)散層[7-8]，距顆粒表面距離越遠(yuǎn)，電勢越小，在Stern層內(nèi)，電勢的變化類似于平行板模型，即電勢與距固體表面距離的增加呈單調(diào)減小的直線性關(guān)系，而在擴(kuò)散層內(nèi)，隨距固體表面距離增加，電勢呈指數(shù)型減小(圖4)[9-10]。在固液兩相發(fā)生相對移動時會在擴(kuò)散層內(nèi)出現(xiàn)一個滑動面(或剪切面)，滑動面是實際存在的面，將滑動面對溶液深部的電勢差稱為電動電勢或Zeta電位[11]。

圖5為長壽河段泥沙中在不同濃度的Na+、Mg2+、Ca2+、Al3+電解質(zhì)溶液中Zeta電位的變化情況。由圖5可以看出，電解質(zhì)的投入可以極大地改變泥沙顆粒的Zeta電位，在不同類型的電解質(zhì)溶液中，電位變化趨勢基本相同，這是由于隨投入量的增大，一方面使得雙電層擴(kuò)散層中反離子數(shù)量增多，使得Zeta電位絕對值降低；另一方面，反離子會壓縮雙電層，造成電位絕對值降低[12]。但是在相同濃度的電解質(zhì)溶液中，不同價態(tài)及不同種類的陽離子對于Zeta電位的造成的影響程度有所不同。從圖5可以看出，基本呈Na+

圖3 泥沙顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)Fig.3 Electric double layer structure of sediment particles

圖4 電勢關(guān)系Fig.4 The relationship of electric potential

圖5 電解質(zhì)濃度對泥沙顆粒Zeta電位的影響Fig.5 Influence of electrolyte concentration on the Zeta potential of sediment particles

2.2 泥沙絮凝特性影響

圖6為相同實驗條件下，投加入不同電解質(zhì)后，對泥沙絮體粒徑分布的影響?？梢钥闯?，隨著電解質(zhì)濃度增大，絮體粒徑分布逐漸右移，小顆粒泥沙含量減少，大絮體數(shù)量增多，說明電解質(zhì)的投入對泥沙絮凝起明顯的促進(jìn)作用。根據(jù)雙電層理論，隨著陽離子濃度的增加，溶液中的大量反粒子使得泥沙顆粒的雙電層受到擠壓，電層的厚度變薄，粒子之間的距離縮短，范德華力增強(qiáng)，這使泥沙細(xì)顆粒趨于絮凝并加快了泥沙顆粒的沉降速度[16]。

圖6 電解質(zhì)對泥沙粒度分布的影響Fig.6 Influence of electrolyte on the particle size distribution of sediment

圖7 Zeta電位對特征粒徑d75的影響Fig.7 Effect of Zeta potential on characteristic particle size d75

相對于中值粒徑d50，特征粒徑d75可以更好地反映體系中細(xì)顆粒泥沙絮凝形成的大顆粒絮體占體系中顆?？倲?shù)的占比，由圖7可以看出，Zeta電位與泥沙大絮體粒徑有明顯的相關(guān)關(guān)系，并且隨著Zeta電位絕對值的下降，d75呈明顯地上升趨勢。這說明電位絕對值的降低是促進(jìn)泥沙顆粒絮凝沉降的重要因素。在同一電位下，不同電解質(zhì)造成泥沙的絮凝程度有所不同，在高電位情況下，Na+造成泥沙的絮凝程度高于Mg2+，Ca2+造成泥沙的絮凝程度高于Al3+，而在低電位情況下結(jié)果相反。在試驗中，通過改變電解質(zhì)溶液濃度及電解質(zhì)種類來控制Zeta電位的，在同一電位下，4種電解質(zhì)溶液的濃度不同，并且不同種類離子水化半徑不同，如Mg2+，其較厚的水化層削弱了靜電引力，使得其聚沉能力弱于同價態(tài)的Ca2+[17]。這說明在電解質(zhì)對泥沙絮凝的影響中，Zeta電位并不是唯一的控制因素，電解質(zhì)除了通過改變Zeta電位來影響泥沙絮凝沉降，還會通過其他方面來影響絮凝。在Zeta電位趨于中性時，相對于其他3種電解質(zhì)，Al3+對泥沙顆粒絮凝的促進(jìn)作用要強(qiáng)得多，大絮體占比增加明顯，這與Al3+造成的卷掃絮凝有關(guān)[1]，相對于Ca2+或Mg2+，Al3+在水體中形成Al(OH)3所需的條件較低，能夠較容易地形成Al(OH)3絮狀沉淀，這種擁有巨大比表面積的無定型氫氧化物能夠吸附泥沙顆粒從而形成大絮體。

3 結(jié)論

(1)電解質(zhì)可以影響泥沙顆粒的帶電性質(zhì)，從而使得其Zeta電位改變。NaCl、MgSO4、CaCl2、AlCl34種電解質(zhì)溶液濃度的升高均可以造成泥沙顆粒Zeta電位絕對值下降。

(2)泥沙顆粒的Zeta電位與電解質(zhì)種類有關(guān)，離子價態(tài)越高，其所帶有的電荷量越大，從而能更多地中和泥沙顆粒表面的負(fù)電荷造成Zeta電位絕對值下降。

(3)泥沙顆粒絮凝沉降性能隨著電解質(zhì)濃度的增加而增大，這是陽離子擠壓雙電層的結(jié)果。Zeta電位絕對值與泥沙絮凝程度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，Zeta電位絕對值越小，膠體越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生絮凝沉降。但在電解質(zhì)對泥沙絮凝的影響中，Zeta電位并不是唯一的控制因素，泥沙絮凝沉降還受離子水化半徑及離子在水中發(fā)生的其他反應(yīng)有關(guān)。