壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,均可直接下載獲得文件，所見所得，電腦查看更方便。Q 197216396 或 11970985
天津大學(xué)仁愛學(xué)院2011屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì)（論文）
中文譯文
pH值對(duì)于用含鐵混凝劑處理黃河水的混凝表現(xiàn)及絮狀物特性的影響
CAO BaiChuan, GAO BaoYu*, XU ChunHua1, FU Ying 和 LIU Xin
強(qiáng)化混凝是在水處理工藝中控制消毒副產(chǎn)物的主要方法之一?；炷膒H值是強(qiáng)化混凝的一個(gè)重要因素。近些年，許多研究的重點(diǎn)在于混凝效果和機(jī)制,而只有少數(shù)研究人員研究在不同混凝pH值下絮狀物形成的特性。無機(jī)高分子混凝劑，聚硅硫酸鐵以及聚合硫酸鹽被運(yùn)用于黃河水的處理中。在最佳用量下，酸堿度對(duì)混凝效果影響的的研究結(jié)果表明兩種混凝劑在pH為5.50時(shí)對(duì)于有機(jī)物的去除率最好。根據(jù)在混凝過程中電動(dòng)電勢(shì)的變化分析混凝劑的混凝機(jī)制。一種在線激光散射儀器是用來記錄混凝期間絮狀沉淀尺寸發(fā)展的。對(duì)于聚硅硫酸鐵而言，pH值對(duì)于絮狀沉淀的增長(zhǎng)率產(chǎn)生了重大影響,但對(duì)形成絮狀物的尺寸影響不大。在聚合硫酸鹽的混凝過程中，當(dāng)pH為4.0時(shí)，在整個(gè)混凝周期中聚合硫酸鹽絮狀物未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)pH為5.0及大于5.0時(shí)絮狀物的形成也未觀察到有什么變化。預(yù)形成的絮狀物受到強(qiáng)剪切力的作用，絮狀物尺寸的改變決定了pH值對(duì)于絮狀物的強(qiáng)度以及再生能力的評(píng)判。相比較兩種混凝劑，當(dāng)pH值為4.0時(shí)聚合硫酸鹽的絮凝物具有更強(qiáng)的絮凝物強(qiáng)度和更好的復(fù)原能力，而當(dāng)pH值為5.50或更高時(shí)，聚硅硫酸鐵具有更高的絮凝強(qiáng)度但是復(fù)原能力較弱。
強(qiáng)化混凝是由美國(guó)環(huán)保局推薦的去除地表水中自然有機(jī)物及控制殺菌副產(chǎn)物的過程之一。發(fā)展新型高效混凝劑一直是強(qiáng)化混凝領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。在飲用水處理領(lǐng)域，由于在去除溶解有機(jī)化合物,如高去除效率，低生物毒性，高混凝效率以及大的絮凝體，優(yōu)秀的沉降和脫水能力方面的優(yōu)點(diǎn)，很多研究集中在含鐵基的無機(jī)高分子混凝劑。聚硅硫酸鐵和聚合硫酸鹽是兩種較好的去除天然有機(jī)化合物的典型混凝劑。當(dāng)含鐵混凝劑產(chǎn)生作用，地表水中的有機(jī)化合物將有以下方法去除?；炷齽┛赡芘c有機(jī)化合物的官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)形成配合物或螯合物，部分有機(jī)化合物可以被網(wǎng)捕和卷掃絮凝體捕捉到。混凝時(shí)的pH值是影響強(qiáng)化混凝效果的主要因素之一，而對(duì)于含鐵的混凝劑的最佳混凝pH值范圍是5.5-6.5。絮體破碎是伴隨著混凝過程中絮凝體成長(zhǎng)以及傳遞進(jìn)行的，在2010年5月的科學(xué)通報(bào)（Vol.55 No.14 1383）中CAO BaiChuan等人寫到絮凝體的活動(dòng)影響固液分離過程以及接下來的處理過程。絮凝體的破碎程度與剪切力，剪切時(shí)期和絮狀沉淀的強(qiáng)度有關(guān)。在較小的水動(dòng)力條件下，破壞的絮凝體具有一定的再生能力。再生的程度取決于絮狀沉淀形成的機(jī)理。近年來，許多研究焦點(diǎn)在于傳統(tǒng)無機(jī)混凝劑形成的絮凝體的破碎和再生能力，已經(jīng)有關(guān)于有機(jī)絮凝劑和聚合氯化鋁形成的絮凝體性質(zhì)研究的報(bào)告。對(duì)于含鐵的無機(jī)聚合混凝劑，Wei以及其他人研究了含鐵氯化物絮體以及在酸性溶液中含鐵二元陽(yáng)離子聚合混凝劑的粒度分布和分形。Fu等人定量研究了殘留的粒子尺寸分布以及在含有硅鐵的混凝過程中不定剪切力對(duì)絮凝體的影響。目前還沒有關(guān)于pH值對(duì)于使用含鐵的高分子聚合物絮凝劑時(shí)絮體形成、絮體破壞以及再生能力影響的報(bào)告。在這個(gè)研究中聚硅硫酸鐵以及聚合硫酸鹽兩種無機(jī)聚合混凝劑被選用處理黃河水，同時(shí)研究了pH值對(duì)于混凝效果的影響。激光衍射粒度分析儀是用來確定絮體的即時(shí)粒度大小，以及絮體的形成過程以及評(píng)估在不同pH值條件下絮體的破壞和再生能力。
1 材料和方法
1.1 材料
所有使用試劑是分析純的化學(xué)物質(zhì)。所有實(shí)驗(yàn)過程采用去離子水。研究中使用的原水是在2008年12月于黃河洛口地區(qū)采樣獲得，它的特點(diǎn)是高濁度、高有機(jī)碳和
高堿度。原水沉淀24小時(shí),并用虹吸管從液面下20厘米處取上清液,并儲(chǔ)存在冰箱中作為為后續(xù)測(cè)試。上清液性質(zhì)如下：溫度為12.4-13.0℃，pH為8.07-8.23，濁度為11.3?13.0 NTU，紫外吸光度為0.049?0.057 cm?1，硬度為260.3?291.4 mg CaCO3/L。
1.2 混凝劑的制備
聚硅硫酸鐵用聚硅酸，F(xiàn)eSO4·eS2O 和NaClO3作為原料制備。首先，聚硅酸溶解于濃度5% SiO2的制備如下：將14.20g的Na2SiO3·9H2O溶于70ml的去離子水中，然后慢慢倒入硫酸溶液中，在室溫下磁攪拌從而獲得聚酸硅溶液。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的pH值控制在1.50并且聚酸硅溶液制成為2小時(shí)。然后，將13.9g的FeSO4·7H2O加入聚酸硅溶液中使硅鐵比率為1:1，然后在40℃下迅速混合。隨后將0.89 g NaClO3作為氧化劑加入溶液中。聚硅硫酸鐵樣品在3小時(shí)的放置后取出，然后稀釋到10 g Fe/L。
聚合硫酸鐵固體是從中國(guó)淄博天水化學(xué)工業(yè)有限責(zé)任公司購(gòu)買。
1.3 絮凝測(cè)試
混凝測(cè)試是在智能型混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)中（中國(guó)中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)法杖責(zé)任有限公司ZR4-6型）進(jìn)行的。一公升的水被轉(zhuǎn)移到每一個(gè)燒杯中。測(cè)試包含1分鐘快速攪拌，轉(zhuǎn)速為200 r/min，15分鐘的混凝階段，轉(zhuǎn)速為40 r/min，以及15分鐘的沉降周期。樣品采自水面以下2厘米處，一部分水樣用0.45 μ.的膜過濾后用一個(gè)JH-752 UV/VIS分光光度計(jì)（中國(guó)上海精華科學(xué)儀表有限責(zé)任公司）測(cè)量254nm波長(zhǎng)的吸光率。殘留濁度由2100P濁度計(jì)（美國(guó)哈希公司）測(cè)量。用電位分析3000適配器（英國(guó)摩爾文儀表廠）測(cè)量電動(dòng)電勢(shì)。
1.4 絮凝體的破壞及再生
絮凝階段以200 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行15分鐘的攪拌后，預(yù)先形成的絮凝體被破壞。在經(jīng)過破碎階段后，以40 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌從而使絮凝體達(dá)到再絮凝的目的。絮狀體大小的變化是通過在線儀器激光衍射Mastersizer 2000(摩爾文)記錄的。
2 結(jié)果及討論
2.1 pH值對(duì)于混凝效果的影響
首先，混凝最佳測(cè)試方案的提出是在最初pH值條件下去除濁度及紫外吸光度所確定的最佳用量。對(duì)于兩種用于研究的混凝劑，結(jié)果表明在較低混凝劑用量條件下的各種除濁效果較好。聚合硫酸鹽的紫外吸光度的最佳去除范圍是8?12 mg/L，而聚硅硫酸鐵的最高紫外吸光去除的劑量范圍是9?12 mg/L。因此，在隨后的試驗(yàn)中混凝劑所選定的投加劑量為10 mg/L。用0.1 mol/L的鹽酸溶液以及0.01 mol/L氫氧化鈉溶液來調(diào)節(jié)樣品的pH值。在2010年5月的科學(xué)通報(bào)（Vol.55 No.14 1383）中CAO BaiChuan等人的混凝試驗(yàn)是在添加了10 mg/L的助凝劑后在混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)中進(jìn)行的。圖一顯示了在pH值影響下紫外吸光度和濁度的變化。從中我們可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩種混凝劑，隨著pH值的升高流出物中的剩余濁度減少。當(dāng)混凝pH值高于5.50時(shí)剩余濁度將會(huì)下降到1 NTU以下。對(duì)于紫外吸光度的去除，當(dāng)混凝pH值低于5.50時(shí)兩種混凝劑的去除率都會(huì)隨著pH的升高而升高。當(dāng)混凝pH值在5.50到 9.00范圍時(shí)，去除率會(huì)隨pH值的升高而降低。對(duì)于聚硅硫酸鐵混凝劑而言最佳的去除效果是在混凝pH值為5.50?6.00范圍時(shí)，當(dāng)pH值為5.50時(shí)達(dá)到最佳去除率，最佳除率可達(dá)到57.69%。聚合硫酸鹽的最適宜紫外吸光度去除的混凝pH值范圍是5.00?5.50，當(dāng)混凝pH值為5.50時(shí)去除率為最佳。比較聚硅硫酸鐵以及聚合硫酸鹽混凝劑，在相同的混凝pH值條件下前者具有更好的濁度去除效果。當(dāng)混凝pH值在5.50?7.50的范圍內(nèi)時(shí)聚硅硫酸鐵有較好紫外吸光度去除率，而聚合硫酸鹽在酸性或堿性的條件下效果更好。圖二顯示的是在不同pH值條件下由聚硅硫酸鐵以及聚合硫酸鹽形成的絮凝體電動(dòng)電勢(shì)的變化。我們可以看出，二者形成的絮凝體電動(dòng)電勢(shì)在酸性條件下為正，且正電荷隨pH值得升高而減少。當(dāng)pH值大于6.00時(shí)，表面電性轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，這表明在堿性條件下混凝劑的電性中和能力較弱。同聚硅硫酸鐵相比聚合硫酸鹽具有較強(qiáng)的電性中和能力并且在同pH值條件下電動(dòng)電勢(shì)更高。兩種混凝劑在pH值為5.50?6.00時(shí)達(dá)到等電位點(diǎn)同時(shí)達(dá)到最佳濁度及紫外吸光度去除率。當(dāng)在酸性條件下進(jìn)行混凝時(shí)，混凝水解產(chǎn)物表面的正電荷密度相當(dāng)大。電性中和以及復(fù)合反應(yīng)或是鐵與有機(jī)化合物之間的螯合物反應(yīng)在混凝過程中占主導(dǎo)地位。在等電位點(diǎn)時(shí)，膠體表面為電中性，同時(shí)電性中和的復(fù)合反應(yīng)及螯合反應(yīng)都能使有機(jī)物去除效果提高。這也許就是兩種絮凝劑在pH值為5.50時(shí)得到最佳紫外吸光度去除率的主要原因。然而，兩種絮凝劑在pH值為4.00時(shí)的有機(jī)物去除效果都不是很好。這也許可以解釋為在酸性條件下，由于H+的濃度較大有機(jī)化合物的羧基基團(tuán)很難被水解；此外，H+與有機(jī)分子反應(yīng)從而與鐵與有機(jī)化合物之間的復(fù)合反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)。在中性和堿性條件下，部分膠體微粒和有機(jī)化合物被絮凝劑的水解產(chǎn)物所吸收。部分膠體微粒和有機(jī)化合物被絮凝劑水解產(chǎn)物掃除并同時(shí)沉淀。在這種情況下，OH-與鐵的反應(yīng)干擾了復(fù)合有機(jī)鐵的形成，因此有機(jī)化合物的去除率才會(huì)更低。
2.2 pH值對(duì)于絮體形成的影響
在混凝周期內(nèi)懸浮液中的顆粒粒徑將通過在線儀器激光衍射Mastersizer 2000(摩爾文)測(cè)得。圖三顯示的為在混凝時(shí)間（0-16分鐘）內(nèi)，不同pH值條件下聚硅硫酸鐵以及聚合硫酸鹽形成的絮凝體中粒徑的變化情況。絮凝體的形成過程可以看作是一個(gè)快速成長(zhǎng)的階段隨之而來的是一個(gè)較為穩(wěn)定的成長(zhǎng)階段。絮凝體增長(zhǎng)速率可以由平衡狀態(tài)時(shí)絮體尺寸和增長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)來表達(dá)（表格1）。結(jié)果表明在使用聚硅硫酸鐵作為絮凝劑時(shí)pH值對(duì)于絮凝體增長(zhǎng)率有很大影響。當(dāng)pH值為4.00,在混凝開始后6.5分鐘，聚硅硫酸鐵絮凝體d0.5達(dá)到906.8μm的穩(wěn)定尺寸，生長(zhǎng)率為136.0 μm/min。隨著混凝pH值得增加，聚硅硫酸鐵絮凝體的成長(zhǎng)周期減少同時(shí)增長(zhǎng)率增加。當(dāng)pH值增長(zhǎng)到9.0時(shí)，聚硅硫酸鐵絮凝體的成長(zhǎng)時(shí)間為3分鐘，同時(shí)增長(zhǎng)率增加到303μm/min。對(duì)于聚合硫酸鹽混凝劑而言，當(dāng)pH值為4.00時(shí)絮凝體的增長(zhǎng)率較低，在16分鐘的絮凝周期內(nèi)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)混凝pH值為5.50或更高時(shí)，pH值對(duì)于絮凝體的形成幾乎沒什么影響。比較兩種混凝劑，聚硅硫酸鐵形成的絮體更大，穩(wěn)定的d0.5為900 μm。聚合硫酸鹽形成的絮體只有500 μm左右。在相同的混凝pH值條件下，聚硅硫酸鐵絮體的成長(zhǎng)時(shí)間比聚合硫酸鹽絮體的成長(zhǎng)時(shí)間短，生長(zhǎng)率是聚合硫酸鹽絮體成長(zhǎng)率的3-5倍。絮體的形成過程與絮凝機(jī)制相關(guān)聯(lián)。原水中膠體粒徑大小在范圍0.2?20 μm之間分布，中值粒子直徑為3.2±0.5 μm。當(dāng)混凝開始時(shí)，原水中的膠體粒子迅速同鐵接觸，并由于電性中和膠體失穩(wěn)。在迅速攪拌階段，不穩(wěn)定膠體相互碰撞聚集成為大的絮體。在慢速攪拌階段，絮體以如下方式生長(zhǎng)：部分膠體粒子和有機(jī)化合物被絮凝劑水解產(chǎn)物所吸收，部分膠體粒子和有機(jī)化合物聯(lián)同絮凝劑水解產(chǎn)物一起被掃除。以聚硅硫酸鐵為例，當(dāng)pH值為4.00時(shí)，電性中和能力較強(qiáng)而促凝劑水解產(chǎn)物的掃除能力較弱，因而絮體成長(zhǎng)較慢。以40 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5分鐘后，懸浮物的顆粒直徑在30?1200 μm范圍內(nèi)分布。d0.5為361.3 μm。在堿性條件下，聚硅硫酸鐵絮凝劑的水解產(chǎn)物掃除膠體顆粒以及微小的絮體，大尺寸骨料迅速形成。當(dāng)混凝pH值為9.00時(shí)，912.2 μm 的d0.5絮凝體形成，粒徑范圍為460?1500 μm。
2.3 pH值對(duì)于絮體的破壞及再生的影響
在緩慢攪拌的階段后，預(yù)先形成的絮體受到15分鐘200 r/min攪拌所產(chǎn)生的更強(qiáng)剪切力，絮體被破壞。隨后以40 r/min的轉(zhuǎn)速緩慢攪拌15分鐘，被破壞的絮體重新聚集。圖四表示的是在整個(gè)階段中d0.5的變化。正如我們所看到的，當(dāng)剪切力作用達(dá)到30秒時(shí)。絮凝體的d0.5劇烈下降，隨后是一個(gè)較穩(wěn)平穩(wěn)的下降。當(dāng)剪切速度降低時(shí)，破碎的絮體重新聚集并達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。破壞和再生能力常常由研究員依照破壞系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)所評(píng)定。其中它被定義為：
（1）
（2）
d0代表絮體在破壞前的平均尺寸，d1是絮體破壞后的絮體尺寸，d2是絮體重新聚集并達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)時(shí)的絮體尺寸。表二為在試驗(yàn)的混凝pH值下聚硅硫酸鐵以及聚合硫酸鹽絮體的破壞及再生系數(shù)。結(jié)果表明，在相同的剪切力和剪切周期下，絮體破壞系數(shù)與混凝的pH值有關(guān)?；炷齪H值越高，絮體破壞系數(shù)越大。當(dāng)pH值為4.00，且受到15分鐘的200 r/min剪切力作用后由聚硅硫酸鐵形成的絮體的d0.5由906.8 μm 減少到 294.5 μm，破壞系數(shù)為68.6%。當(dāng)pH值為9.00時(shí)d0.5為214.4 μm且破壞系數(shù)為76.0%。與聚硅硫酸鐵相比，當(dāng)pH值為4.00時(shí)聚合硫酸鹽的絮體具有更高的強(qiáng)度，破壞系數(shù)為16.7%。聚合硫酸鹽在較高pH值形成的絮體相對(duì)于聚硅硫酸鐵有較高的破壞系數(shù)。在緩慢攪拌后破壞的絮體重新聚集，恢復(fù)程度與絮體形成條件有關(guān)。聚合硫酸鹽絮體在pH值為4.00時(shí)具有最強(qiáng)的再生能力，恢復(fù)絮體的d0.5 為514.9 μm。這比未破壞絮體的d0.5要大，未破壞絮體的d0.5 為328.4 μm。計(jì)算的再生系數(shù)為582.4%。隨著混凝pH值得提高，聚硅硫酸鐵絮體的再生系數(shù)先增加后降低。當(dāng)pH值為4.00時(shí)，聚硅硫酸鐵絮體的再生系數(shù)達(dá)到最大，也就是33.2%，當(dāng)混凝pH值為7.00時(shí)再生系數(shù)為21.6%。與聚硅硫酸鐵絮體相比，聚合硫酸鹽絮體在相同pH值條件下具有更大的再生系數(shù)，這表明聚合硫酸鹽絮體具有更強(qiáng)的再生能力。絮體破壞及再生與絮體的形成過程有關(guān)。正如圖二中所顯示的一樣，在相同的絮凝pH值條件下，聚合硫酸鹽絮體的電動(dòng)電勢(shì)遠(yuǎn)比聚硅硫酸鐵絮體的電動(dòng)電勢(shì)高。表明聚合硫酸鹽絮體有更強(qiáng)的電中和能力。由于具有較大的分子式，水解產(chǎn)物具有特殊的枝狀及較大的表面積等特點(diǎn)，聚硅硫酸鐵相對(duì)于聚合硫酸鹽具有更強(qiáng)的吸附能力。在聚合硫酸鹽的絮凝機(jī)理中，電中和占主導(dǎo)地位。聚硅硫酸鐵的主要混凝機(jī)理是有機(jī)化合物的吸附作用及絮凝體的卷掃作用。這也許就是聚硅硫酸鐵絮體以及聚合硫酸鹽絮體在破壞及再生階段具有不同表現(xiàn)的主要原因。當(dāng)電性中和在混凝機(jī)理中占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，膠體表面的負(fù)電荷被絮凝劑的正電荷所中和，不穩(wěn)定的膠體聚集形成絮凝體。
6