Investigation of the hydrodynamic behavior of diatom aggregates using particle image velocimetry

The hydrodynamic behavior of diatom aggregates has a significant influence on the interactions and flocculation kinetics of algae. However, characterization of the hydrodynamics of diatoms and diatom aggregates in water is rather difficult. In this laboratory study, an advanced visualization technique in particle image velocimetry (PIV) was employed to investigate the hydrodynamic properties of settling diatom aggregates. The experiments were conducted in a settling column filled with a suspension of fluorescent polymeric beads as seed tracers. A laser light sheet was generated by the PIV setup to illuminate a thin vertical planar region in the settling column, while the motions of particles were recorded by a high speed charge-coupled device (CCD) camera. This technique was able to capture the trajectories of the tracers when a diatom aggregate settled through the tracer suspension. The PIV results indicated directly the curvilinear feature of the streamlines around diatom aggregates. The rectilinear collision model largely overestimated the collision areas of the settling particles. Algae aggregates appeared to be highly porous and fractal, which allowed streamlines to penetrate into the aggregate interior. The diatom aggregates have a fluid collection efficiency of 10%-40%. The permeable feature of aggregates can significantly enhance the collisions and flocculation between the aggregates and other small particles including algal cells in water.     

基于吸附质-分子探针的新型交联壳聚糖的吸附特性

研究了CCTS对低浓度游离酸的吸附特性,基于吸附质-分子探针电位法,考察了吸附剂活性中心数目、游离酸种类和温度对吸附行为的影响。结果表明,在30℃时,CCTS吸附游离酸的过程,遵循单分子层机理进行吸附。吸附剂―吸附质相互作用能U制约表观吸附速率常数K,K、U大小分别为2.519×10-2,4.084×10-2,9.398×10-2L/min和7.264,7.420,7.926 kJ/mol,两者存在线性相关性,呈逐渐增大趋势。K、U大小随着活性中心数目G的增加而增大。CCTS吸附游离酸为吸热过程,吸附表观活化能Ea为33.98 kJ/mol。3种类型游离酸K、U的大小顺序为:HClO4>HNO3>H2SO4,吸附分维数Dw分别为1.384、1.567、1.911,Dw值越大,导致表观吸附速率常数降低。     

新型硫酸铝-壳聚糖助滤剂强化砂滤效能研究

将硫酸铝和壳聚糖复配作为微絮凝助滤剂（AS-CTS）,考察其强化过滤性能.利用分子量分级、荧光光谱等手段分析有机物的去除特性,通过Zeta电位、絮体粒径、分形维数的变化分析其强化过滤机理.结果表明：AS-CTS较AS、CTS强化过滤效果明显,在AS/CTS复配比为2：1、CTS投加量0.3mg/L,转速300r/min,搅拌时间2min的条件下,砂滤出水浊度能达到0.1NTU、颗粒物125个/mL,残余铝浓度0.02mg/L;浊度和颗粒物去除率较未加AS-CTS分别提高了58%、61.7%.AS-CTS强化过滤可有效去除分子量>30KDa的腐殖酸和1~3KDa间的色氨酸类蛋白、溶解性微生物代谢产物、类富里酸.AS-CTS主要靠高分子吸附架桥作用和界面化学作用,增加胶体颗粒在滤料表面的粘附;通过形成较大粒径和分形维数的微絮体,增强絮体向滤料表面的迁移.     

聚合氯化铝-腐殖酸(PACl-HA)絮体的物理与分形特征研究

采用低温急速冷冻-真空干燥技术制备了PACl-HA絮体的粉末样品,研究了这些样品的物理与分形特征.结果表明,PACl-HA絮体具有无定形结构,主要组成元素为C、O、Al,所含特征官能团保留了絮体组成原料的一些特征;絮体的BET比表面积为130～161 m²·g^-1,BJH累积吸附孔体积为0.38～0.52 cm³·g^-1,BJH脱附平均孔径为7.7～9.6nm,PSD峰值对应孔径8.4～11.2nm.PACl-HA絮体具有自相似性的粗糙表面,呈现多尺度分形特征;图象法和N₂吸附/脱附等温线法确定的表面分形维数Ds分别为2.03～2.26、2.24～2.37,前者的分形尺度大约处于23～390nm之间,主要属于絮体外表面尺度,而后者的分形特征尺度区间的下限大约为0.2nm,属于孔表面尺度;另外,对同一絮体,N₂吸附法和脱附法确定的孔表面分形维数不同.热力学模型计算出的D_s远大于3,与Sahouli等的研究不符.     

絮凝条件对絮体分形结构的影响

在85kg/m³的含沙高浊水中投加阳离子高分子聚合物,借助图像分析技术与沉降技术分析探讨了不同絮凝条件下泥沙絮凝形态学参数:絮体粒径、絮体有效质量密度、絮体自由沉速、浑液面沉速与上清液余浊等的变化规律.利用表征参数“分维”定量控制不同絮凝条件(如搅拌速率、搅拌时间、高分子浓度等)对含沙高浊水絮体结构分形特性的影响.实验证明,不合适的絮凝条件将导致絮体分形构造疏松脆弱,分维值低.絮凝条件合适时(快速絮凝强度为:r₁=300r/min,t₁=10s;慢速絮凝强度:r₂=120r/min,t₂=180s;CP浓度:0.1%),絮体分形结构处于最佳状态.该状态下的絮体具有粒径较大、沉速快、有效质量密度高、粒度分布均匀,分维值最高(D₃=2.16)的特点.而且,由静沉实验测得浑液面沉速高,上清液余浊也低.泥沙絮体分形结构达最佳时的混凝性能、沉降性能与结构密实性均较理想.     

水环境模拟中多孔介质场空间变异性研究方法述评

阐述了研究多孔介质空间变异性的经典统计法、地质统计学方法以及新兴的分形方法.经典统计方法由于不考虑研究对象的空间相关性,已经不能对这种变异性做出客观的分析;地质统计学方法很好地克服了经典统计学的缺点,是目前应用最多的一种方法;分形的研究对象为无规则和具有自相似性的体系,这一特性决定了它研究这种变异性有着独特的优点.最后对多孔介质空间变异性研究的趋势进行了展望.     

基于非线性技术锅炉故障分析*

为预测和判断锅炉故障的发生，完善锅炉故障检测技术，基于锅炉运转具有非线性特点，提出将非线性评价指标应用于锅炉故障诊断。研究特征信号的非线性特性，通过确定延迟时间和嵌入维数来重构相空间；采用混沌分形理论研究非线性评价指标；提取最大Lyapunov指数和关联维数，并为收集的每种特征信号选择最合适的非线性指标。结果表明:蒸汽压力的非线性特征指标应选择关联维数，烟气温度1、烟气温度2、水管温度1和水管温度2的非线性特征指标应当选择最大Lyapunov指数。     

图象法确定底泥颗粒物的表面分形维数(Ds)

研究了不同标度下底泥颗粒物的表面分形特征.结果表明,底泥颗粒的表面在几个nm到几个μm之间一般都具有多重分形特征,而且在不同的标度范围内表面分形维数(Ds)具有一定的差异,在100-102量级之间,随图象分辨率的增大,相应的Ds一般呈变小的趋势.SEM图象计算出的Ds为2.32-2.42,AFM图象计算出的Ds为2.00-2.46,它们是是纯粹几何意义上的表面粗糙特征的描述.     

典型工业半焦的孔隙分形结构分析

工业半焦是一种具有复杂的微观孔隙拓扑结构的多孔物质.基于分形理论,引入分形维数对工业半焦不规则孔隙结构的粗糙、复杂程度进行了定量表征和描述.选取具有典型煤种和工艺代表性的工业半焦样品,用孔隙度分析仪对其孔隙结构特征进行了测量,并利用其测量数据进行了分形维数的分析计算.计算结果表明,工业半焦的孔隙结构符合分形特征,在样品颗粒尺寸为2.36～3.35mm的测量条件下,样品的分形维数在2.7982～2.9154之间,其可决系数在0.9157～0.9614之间;样品的分形维数与煤种和半焦热解工艺过程均有一定的关系.通过对工业半焦分形维数的计算分析,可以更加全面准确地了解其孔隙结构特征,以期为分析评价其吸附和活化潜力、制定恰当的活化工艺提供更加可靠的依据.