混凝過程顆粒凝聚行為的影響因素及其數(shù)值模擬方法

劉利波，高 旺，王志強(qiáng)，吉日格勒

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

0 引 言

煤泥水處理是煤炭洗選過程中重要的工藝環(huán)節(jié)，其效率和效果限制了水循環(huán)利用，甚至影響主洗工藝的正常運(yùn)行。當(dāng)前主流的煤泥水處理工藝是混凝沉降，即在煤泥水中加入混凝藥劑，使微細(xì)的煤泥顆粒絮凝成大的絮體，進(jìn)而在濃縮機(jī)中快速沉降，實(shí)現(xiàn)與水的分離。

混凝始于19 世紀(jì)，該技術(shù)最早在給水和污水處理中應(yīng)用[1]?；炷幚硪环矫娼档土怂臐岫?、色度等指標(biāo)，另一方面去除了多種有毒有害的溶解性雜質(zhì)，如砷、氟、汞及導(dǎo)致污水富營養(yǎng)化的氮、磷酸鹽等[2]。尤其在以地表水為水源的生活飲用水的給水處理工藝中，采用混凝、沉淀、過濾和消毒的工藝流程，將混凝置于沉淀和過濾之前，混凝為沉淀和過濾創(chuàng)造了有利的分離條件，同時(shí)，混凝的進(jìn)行程度直接影響最終的處理效果[3]。此外，得益于混凝技術(shù)處理時(shí)間短、設(shè)備面積小且不受有毒物質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)，逐步推廣至城市污水和煤炭、石油化工、鋼鐵、制藥、造紙、印染等工業(yè)廢水的處理[4]。

2021 年全國原煤產(chǎn)量40.7 億t，在“雙碳”背景下同比增長4.7%。這些煤炭依據(jù)相關(guān)政策要求都應(yīng)該進(jìn)行洗選，按每噸煤用水量2.5 m3計(jì)算，將產(chǎn)生100 多億m3煤泥水。目前城市污水排放量約700~800 億t[5]，其他工業(yè)系統(tǒng)也有大量的給水和排水需要處理。

混凝技術(shù)有效地解決了我國城市污水和其他工業(yè)污水難題[6]，改善了出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了水資源循環(huán)利用，有助于我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。深化對混凝技術(shù)的研究，對提高液固兩相分離及水處理效率具有重要意義。為此，本文分析了影響混凝效率的主要因素，梳理這些影響因素對顆粒凝聚的機(jī)制，并綜述數(shù)值模擬方法在研究該過程機(jī)制的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，以期為研究者提供參考。

1 混凝的影響因素

混凝效果的影響因素比較復(fù)雜，總體上可歸結(jié)為2 個(gè)方面來研究，即顆粒間的相互作用和顆粒與流體間的水力作用。顆粒間的接觸和碰撞由其相互作用和相對運(yùn)動引起，顆粒間的相互作用由凝聚理論來解釋[7]，造成顆粒相對運(yùn)動的原因主要是布朗運(yùn)動和流體的速度梯度[8]。

1.1 顆粒凝聚理論

1.1.1 DLVO 理論

1941 年蘇聯(lián)學(xué)者Derjguin 和Landau 以及1948年荷蘭學(xué)者Verwey 和Overbeek 分別提出了經(jīng)典的Derjguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) 理論，該理論研究懸浮液中膠體顆粒的穩(wěn)定性，認(rèn)為顆粒間存在范德華吸引力和靜電排斥力。

經(jīng)典的DLVO 理論能夠合理地解釋懸浮在溶劑中的礦物顆粒、土壤顆粒、膠體、表面活性劑等物質(zhì)間的相互作用力。通過原子力顯微鏡測量和DLVO 理論計(jì)算證明了煤顆粒和蒙脫石顆粒間[9]、納米塑料的凝聚體系[10]均遵從經(jīng)典的DLVO 理論。Tommas Potocár[11]等利用DLVO 理論預(yù)測了鈣、鎂沉淀物對銅綠微囊藻的絮凝效率，并與絮凝試驗(yàn)進(jìn)行對比，2 種結(jié)果的吻合度高。在關(guān)嗜乳酸桿菌表面特性實(shí)驗(yàn)探究產(chǎn)氫光合細(xì)菌的絮凝特性[12]研究中，利用該理論解釋了存在絮凝效果差的原因。由于經(jīng)典的DLVO 理論沒有考慮溶劑化作用力和疏水作用力等短程作用力、位阻效應(yīng)以及離散顆粒的大小、形狀和化學(xué)性質(zhì)等因素，難以科學(xué)準(zhǔn)確地解釋顆粒的聚集和分散行為[13]。隨著理論知識的不斷完善，擴(kuò)展的DLVO 理論應(yīng)運(yùn)而生。

1.1.2 XDLVO（Extended DLVO） 理論

諸多研究發(fā)現(xiàn)，顆粒間分離距離在0~6 nm 存在non-DLVO 力，包括空間作用力、磁性作用力、疏水作用力、溶劑化力和熱波動力等[14-15]。因此，當(dāng)同時(shí)考慮DLVO 力和non-DLVO 力時(shí)，稱之為擴(kuò)展的DLVO(XDLVO)理論。

煤炭是典型的疏水性物質(zhì)，因此，在煤炭浮選[16]、煤泥水絮凝[17]等研究中通常采用XDLVO 理論（靜電作用力、范德華作用力和疏水作用力） 描述顆粒的聚集和分散行為。輝鉬礦、閃鋅礦、煤炭等[18]礦物顆粒通過疏水作用實(shí)現(xiàn)絮凝，疏水化蒙脫石、純煤的試驗(yàn)研究和原子力顯微鏡觀察也證實(shí)了顆粒間存在疏水作用力[19]。Li[20]等通過XDLVO 理論很好地解釋了非極性油-煤油加入前后對微細(xì)赤鐵礦疏水絮凝效果存在的差異，主要是因?yàn)槊河秃统噼F礦顆粒間強(qiáng)烈的疏水作用導(dǎo)致這一結(jié)果。此外，XDLVO 理論還被應(yīng)用到污泥穩(wěn)定性以及細(xì)胞粘附程度的研究。Lin[21]等結(jié)合擴(kuò)展的DLVO 理論定量分析研究胞外聚合物對污泥脫水性能的影響。Yu[22]首次基于XDLVO 理論定量、定性地分析了污泥絮體斥力、親疏水性特性與污泥脫水性能的關(guān)系。

1.1.3 顆粒間作用力的影響因素

顆粒自身的表面性質(zhì)是影響顆粒間作用力的首要原因，其中長程力-范德華作用力存在于全部顆粒之間，且始終表現(xiàn)為引力。當(dāng)煤等疏水性顆粒距離在2~20 nm 時(shí)，疏水顆粒間發(fā)生相互吸引作用，而表面為親水性顆粒之間的作用力表現(xiàn)為斥力。煤泥水懸浮液體系中，煤粒表面間的疏水吸引力對顆粒的凝聚起主導(dǎo)作用[23]。

帶電顆粒和雙電層反離子作為一個(gè)電中性的整體，當(dāng)2 個(gè)離子靠近到一定距離，雙電層發(fā)生重疊，改變了其電勢和電荷分布，從而產(chǎn)生靜電排斥作用。在混凝處理中，低分子電解質(zhì)凝聚劑通過壓縮雙電層使懸浮液脫穩(wěn)，解除布朗運(yùn)動。楊宗義[24]等驗(yàn)證了用Zeta 電位代替表面電位計(jì)算顆粒間靜電作用能的可行性，體系中加入電解質(zhì)離子，減小了顆粒間的靜電斥力，并隨著電解質(zhì)濃度的增加，雙電層厚度呈指數(shù)減小。在混凝過程中，加入的陽離子凝聚劑會壓縮顆粒表面的雙電層[25]，可降低顆粒間的排斥作用，因此藥劑在一定程度上影響顆粒間的作用力，大分子或高分子聚合物顆粒體系存在空間位阻效應(yīng)，高分子絮凝劑通過吸附橋聯(lián)將顆粒吸附在一起形成絮團(tuán)。

1.2 流體的水力條件

靜止流場中顆粒主要以分子擴(kuò)散和重力沉降的形式發(fā)生碰撞；在層流狀態(tài)下，由流體的速度梯度促使顆粒發(fā)生碰撞；顆粒在湍流狀態(tài)下產(chǎn)生碰撞，其擴(kuò)散系數(shù)是分子擴(kuò)散的幾千倍，湍流碰撞較前兩種碰撞激烈且有效[26]。因此，混凝劑投入體系后，需要在混合階段對體系進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌[27]，使絮凝劑迅速均勻地溶解在體系中，加快膠體顆粒的脫穩(wěn)速度，促使顆粒在布朗運(yùn)動及紊流體系中發(fā)生凝聚。而絮凝階段，需要適宜的湍動狀態(tài)促使絮體并大生長，但湍動程度不易激烈，避免已經(jīng)生成的絮體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象[28]。

渦旋是促進(jìn)絮凝體形成的重要影響因素之一，渦旋理論[29-30]指出紊流是由連續(xù)不斷的渦旋運(yùn)動造成的，渦旋尺度較大，微粒跟隨其作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；尺度較小，其動能不足以改變顆粒的慣性運(yùn)動；只有當(dāng)渦旋尺度與粒徑近似時(shí)，顆粒間發(fā)生相對運(yùn)動而碰撞。因此，合理設(shè)定水力條件是提高混凝效率的必要條件。

在混凝過程中，目前常用的絮凝設(shè)備有水力絮凝和機(jī)械絮凝2 大類。Al-Husseini[31]等對比水力絮凝器和機(jī)械絮凝器去除合成廢水濁度的研究工作，指出具有濁度去除率高、能耗和設(shè)備維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)的水力混凝器是昂貴的機(jī)械混凝器的代替品。適用于水力絮凝器的粘性絮凝模型[32]隨之被建立，只需調(diào)節(jié)一個(gè)參數(shù)，便可根據(jù)絮凝劑用量來預(yù)測出水濁度、合理估計(jì)絮凝器設(shè)計(jì)參數(shù)。隨著科技水平的提高，新型渦流絮凝反應(yīng)設(shè)備不斷涌現(xiàn)。Manoel Maraschin[33]等利用螺旋絮凝器進(jìn)行污泥處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明污泥處理效果良好，該絮凝器適用于污泥處理工藝。對比發(fā)現(xiàn)[34]螺旋管絮凝器較直管絮凝器的沉降速率快3 倍左右，且曲率增大，絮體的形成隨之增強(qiáng)；同時(shí)，這類絮凝器能夠避免電氣和機(jī)械能量的消耗，可以應(yīng)用于在線聚集和高速率固液分離系統(tǒng)中[35]。

根據(jù)渦旋理論，毛玉紅[36]通過調(diào)節(jié)Taylor-Couette反應(yīng)器的轉(zhuǎn)速觀察不同渦流形態(tài)下顆粒的絮凝效果，模擬發(fā)現(xiàn)存在四種渦流形態(tài)：層流渦、波狀渦、調(diào)制波狀渦、和湍流渦；其中，波狀渦的絮凝效果最好。圓柱繞流的卡門渦街裝置形成微渦旋時(shí)顆粒的絮凝效果也比較好[37]。林喆[38]等設(shè)計(jì)出格柵式絮凝器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該裝置有效地提高了絮凝沉降效率；通過動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，湍動能和湍動能耗散率是促進(jìn)格柵裝置內(nèi)顆粒碰撞的主要原因[39]。模擬研究[40]發(fā)現(xiàn)在微渦流絮凝反應(yīng)區(qū)微渦流和微旋流有利于將大而疏松絮體打碎重新生成小而密實(shí)的絮體。渦流絮凝器的操作簡單、通用性強(qiáng)、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果良好、具有較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，在絮凝處理中具有一定的推廣價(jià)值[41-42]。

當(dāng)前混凝技術(shù)主要從實(shí)驗(yàn)和模擬2 方面開展研究。其中，實(shí)驗(yàn)研究可設(shè)定更接近于實(shí)際工程應(yīng)用的環(huán)境條件，但同時(shí)存在一些不可避免的問題，限于表征手段，實(shí)驗(yàn)無法從介觀尺度準(zhǔn)確定量獲取顆粒在絮凝過程中的碰撞、粘附和破碎等行為，多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究僅依靠完成混凝后的絮體形態(tài)、采收率或顆粒物脫除率等宏觀參數(shù)進(jìn)行混凝過程的評價(jià)，缺乏過程性的研究，難以獲得影響混凝過程的深入的科學(xué)機(jī)制研究。采用數(shù)值模擬的方法可以解決上述問題。

2 混凝過程的數(shù)值模擬

近年來隨著流體力學(xué)理論知識的不斷豐富和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行研究這一舉措備受學(xué)者青睞。為了清晰有效地解釋顆粒在絮凝中的運(yùn)動情況，從介觀尺度分析顆粒間的作用機(jī)理和流體流動形態(tài)，數(shù)值模擬在研究中扮演著舉足輕重的作用，在顆粒聚集行為的研究中具有指導(dǎo)性意義[43]。液固兩相的耦合模型通常采用傳統(tǒng)流體力學(xué)-離散單元法（CFD-DEM） 和格子玻爾茲曼法-離散單元法（LBM-DEM） 2 種模型。

2.1 CFD-DEM 耦合模型

CFD-DEM 耦合的基本思想是利用CFD 進(jìn)行流場計(jì)算、DEM 計(jì)算顆粒體系的運(yùn)動受力情況，然后液固兩相通過一定的模型進(jìn)行質(zhì)量、動量和能量的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)液固兩相之間的耦合計(jì)算。有限體積法是將流體的Euler 控制方程在單元控制體內(nèi)進(jìn)行積分后離散求解，首先對流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后配置控制參數(shù)，選擇合適的求解器進(jìn)行求解。

CFD-DEM 耦合模型首次[44]被用于模擬觀察水平管內(nèi)無粘性球形顆粒塞流時(shí)的流動情況。隨后，被用于流化床的研究。Tsuji[45]定性和定量地模擬氣流床中單個(gè)顆粒的流動情況，模擬結(jié)果在顆粒流動、混合等方面效果令人非常滿意，但是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比還存在一定的差異，需要進(jìn)一步展開深入的研究。通過對模型參數(shù)的修正、算法的優(yōu)化等多方面改進(jìn)，CFD-DEM 耦合模型在氣流床的研究中取得了可靠的、和實(shí)驗(yàn)吻合度高的仿真結(jié)果[46-48]。

CFD-DEM 耦合模型被廣泛應(yīng)用到涉及顆粒體系的各大領(lǐng)域[49-50]。CFD-DEM 耦合模型在一定程度上揭示了載體制劑霧化和砂土液化[51]的機(jī)理，在懸浮液中細(xì)顆粒[51]、粘性泥沙顆粒[52]、煤泥水[39]等液固兩相體系絮凝沉降效果及其動力學(xué)理論的研究，該模型發(fā)揮出不容小覷的作用，為粉塵聚集沉降的宏觀模擬提供了指導(dǎo)性思想[53]。李潘婷[54]在該模型中引入XDLVO 作用力從介觀尺度探究了其對煤泥水絮凝的影響，發(fā)現(xiàn)疏水性煤顆粒易于凝聚，而親水性的伊利石顆粒不發(fā)生凝集現(xiàn)象。

CFD-DEM 耦合模型在兩相流耦合模擬計(jì)算中相對比較成熟，但是當(dāng)顆粒的尺寸大于流場網(wǎng)格尺寸，顆粒占據(jù)某一網(wǎng)格時(shí)，計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率大大降低，為了適應(yīng)復(fù)雜邊界的計(jì)算域及提高模擬的可靠性，LBM-DEM 耦合模型在復(fù)雜流固耦合問題中被逐步應(yīng)用。

2.2 LBM-DEM 耦合模型

格子玻爾茲曼法是一種從介觀尺度描述流體的模型，是微觀和宏觀的橋梁。該方法將流體相劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，流體被視作離散的粒子，統(tǒng)計(jì)格點(diǎn)上的粒子的概率分布，從而判定流體的宏觀運(yùn)動狀態(tài)[55]。在多相流中固體顆粒的邊界由格子中點(diǎn)表示，并通過動量交換計(jì)算流體格點(diǎn)對顆粒表面的作用力[56]。

格子玻爾茲曼法和有限體積法二者的計(jì)算結(jié)果非常一致，但LBM 的計(jì)算速度快、計(jì)算成本低，在復(fù)雜多相流中具有一定的可行性和獨(dú)特優(yōu)勢[57]。Zhang[58]通過粒子浸入邊界法（PIBM） 將LBM 和DEM 耦合在一起。國內(nèi)外學(xué)者采用LBM-DEM 耦合模型在氣固兩相流和液固兩相流中開展了諸多研究，如噴動床內(nèi)稠密氣固兩相體系間的相互作用機(jī)理[59]、巖體力學(xué)[60]、水泥漿處理[61]、顆粒在流體中碰撞[62]等，李濤[63]采用LBM-DEM 耦合模型進(jìn)行崩落法放礦的理論研究，有效地解決了傳統(tǒng)模擬中出現(xiàn)的顆粒數(shù)量多、凸點(diǎn)計(jì)算不穩(wěn)定等問題，為崩落法放礦過程的準(zhǔn)確模擬提供了指導(dǎo)性思想。Zhang[64]等對單顆粒、雙顆粒及多顆粒的沉降過程進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了該模型是非常有前途的數(shù)值模擬方法。LBM-DEM 耦合模型能夠有效地模擬復(fù)雜多孔介質(zhì)中的流體流動、各種地質(zhì)力學(xué)問題、土壤流化等研究。

該模型能描述每個(gè)顆粒周圍的詳細(xì)流場，產(chǎn)生詳細(xì)的顆粒-流體相互作用的動力學(xué)信息，可以探索顆粒流體界面的流動、傳遞和反應(yīng)的詳細(xì)信息及兩相相互作用的本構(gòu)關(guān)系，但其缺點(diǎn)是該模型模擬一個(gè)幾何模型需要?jiǎng)?chuàng)建的格子數(shù)非常大，對于規(guī)模較大的工程問題，計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間無法接受，目前主要應(yīng)用于基礎(chǔ)科研領(lǐng)域，離廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用還有段距離。

3 結(jié) 語

綜上所述，混凝技術(shù)在理論和應(yīng)用中均得到了廣泛而深入的研究，從混凝的凝聚理論到數(shù)值模擬的模型算法，無一不是新型的創(chuàng)新研究，才會聚沙成塔，為混凝的研究和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在混凝研究中，采用多級旋流絮凝、渦流絮凝池以及機(jī)械絮凝與隔板絮凝的組合形式等，以增強(qiáng)絮凝效果。數(shù)值模擬是全面詳細(xì)地描述顆粒和流體運(yùn)動行為最有效的方式，通過不斷地探索發(fā)現(xiàn)CFD-DEM耦合模型適用于大部分混凝過程的模擬；LBM-DEM 耦合模型更適用于復(fù)雜情形，如流化床內(nèi)顆粒的聚集、非球形顆粒凝聚等；分子動力學(xué)模擬也逐步被應(yīng)用于黏土礦物的疏水凝聚行為、礦物浮選等研究，該模型是研究顆粒和混凝劑吸附的相互作用機(jī)制很有前景的方法，也是從微觀角度深入研究混凝過程的科學(xué)機(jī)制的重要手段。