聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)冷冻干燥絮体的表面与孔分形研究

采用低温急速冷冻-真空干燥技术制备了PFC-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,PFC-HA絮体具有晶体结构,SEM图象中有方块状形体;絮体主要组成元素为C、O、Fe,所含的特征官能团保留了絮体组成原料的一些特征;絮体的干燥样品的BET比表面积为51～92 m2·g-1,BJH累积吸附孔体积为0.0638～0.108 cm3·g-1,BJH脱附平均孔径为3.53～4.60nm,PSD峰值对应孔径3.9nm(4#样品还有另外一个PSD峰值53.2nm).PFC-HA絮体的干燥样品具有自相似性的粗糙表面,呈现多尺度分形特征;图象法确定的表面分形维数Ds值远低于N2吸附/脱附等温线法确定的结果,分别为2.14～2.22、2.90～2.96;前者的分形尺度大约处于23～390nm之间,主要属于絮体干燥样品的外表面尺度,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,因此,PFC-HA絮体干燥样品的表面粗糙度主要集中于孔表面.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基本相同.通过热力学模型计算出的4#样品的Ds值接近于FHH理论计算出的结果,但分形尺度的区间变小了.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)冷冻干燥絮体的表面微观形貌及其孔表面分形特征

采用低温急速冷冻-真空干燥技术制备了不同pH(9.0、7.0、5.0)原水在45.89mg·L-1(以Fe3 计,原水pH=9.0)或28.41mg·L-1(以Fe3 计,原水pH=7.0、5.0)投药量下混凝后形成的PFC-HA絮体的粉末样品,研究了它们的表面微观形貌和孔表面分形特征.SEM图像表明,PFC-HA絮体具有不规则的块、片状形貌,而且在原水pH=9.0或pH=7.0时形成絮体也存在簇状结构.3种样品对N2的吸附-脱附等温线上均存在滞后圈,但样品3的形状不同.它们的吸附量、BJH累积吸附孔体积与脱附平均孔径的大小顺序均为:样品3＞样品2＞样品1,即随原水pH的降低而升高,而且孔尺度分布曲线显示样品3的表面存在大孔.BET比表面积的变化趋势与它们不一致,且样品2的比样品3稍大,样品1的最小.基于分形FHH方程,采用吸附等温线和脱附等温线数据计算出样品1和样品2的孔表面分形维Ds数均在2.94左右,而样品3的均小于2.38.这些Ds值似乎不能完全表示出因孔表面粗糙性而导致的空间填充能力的大小,主要表达了3种样品的中孔甚至大孔的尺度分布引起的不规则性.本试验中采用热力学模型计算出的3个样品Ds值大都超过3,它们已经失去了维数的实际意义;但样品3因其吸附-脱附等温线上的滞后圈接近圆桶式的A类,如果缩小分形标度区间,可以得到与分形FHH方程计算出的Ds接近的值.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)絮体的粒度和分形维数的动态变化

通过采集PFC-HA絮体的单个样品和拍摄它们的二维图像,研究了在不同混凝条件下絮体的粒度和分形维数的变化.结果表明,原水pH的下降滞后了PFC-HA絮体的出现.原水pH≥7.0时,随着投药量的增加,PFC-HA絮体的分形维数D2(lgA-lgdL)和D3(lgV1-lgdL)随之降低,表明絮体的结构越来越疏松;而原水pH=5.0时,PFC-HA絮体的分形维数存在波动.在PFC的最佳投药量时,水力条件的优化可以提高HA的去除效果,但随着原水pH的下降,HA去除效果的提高程度也随之减小.在最佳水力条件下,PFC-HA絮体的粒度为数百微米,其分形维数值较大,表明絮体的结构较为密实.此外,PFC-HA絮体的粒度分布具有(类)分形特征,最佳水力条件下正的D.值表明絮体的粒度分布趋向平稳.在整个混凝搅拌过程中,PFC-HA絮体的分形维数的变化是与混凝的溶液化学条件、搅拌时间和分形维数类型有关,其D2具有先上升后下降的趋势,这一过程中絮体结构先趋向密实,然后趋向疏松.而且慢速搅拌过程中絮体的尺度也是先增加后下降.     

聚合氯化铁-腐殖酸(PFC-HA)絮体的不同拓扑空间下分形维数的研究

通过对PFC混凝去除水中HA过程中所形成的PFC-HA絮体的研究结果表明,原水pH分另4为9.0、7.0和5.0时,最佳投药量下形成的絮体的平均沉降速度之间的比值为1.17:1.00:0.49,而且所有絮体的水平投影方向的平均直径与垂直投影方向的平均直径的比值均接近0.85.结合Logan公式和有效密度-长轴的双对数关系计算出的絮体三维空间的分形维数Df较为可靠,在本试验中3种pH的原水下形成的PFC-HA絮体的Df均小于2.0.絮体沉降速度的变化是质量分形维数Df、有效密度和粒径等因素的变化综合影响结果,因此,絮体的Df、有效密度各自的变化趋势有可能与沉降速度的不一致.原水pH=7.0时絮体的Df稍大于原水pH=9.0时絮体的Df,但比原水pH=5.0时絮体的Df大11.73%.可见,与原水pH=9.0时形成的絮体相比,原水pH=7.0时形成了稍微密实的小絮体,但原水pH=5.0时却形成了较为疏松的、很小的絮体.在本试验的图像分辨率下,PFC-HA絮体在一维拓扑空间下的分形维数D1比较低,一般都低于1.10.基于投影面积-长轴关系计算的二维拓扑空间的分形维数D2变化趋势为样品3稍大于样品2,样品1最小;然而基于投影面积一周长计算的二维拓扑空间的分形维数D2却呈现不同的变化趋势.另外,尽管PFC-HA絮体的Df小于2,但其与基于投影面积-长轴关系计算的二维拓扑空间的分形维数D2不相等,不符合Meakin的结论,这与本试验中CCD相机的分辨率和絮体样本数量有关.     

聚合氯化铝(PACl)混凝絮体的破碎与恢复

通过烧杯实验以及在线粒度监测考察了聚合氯化铝（PACl）混凝所生成絮体的破碎以及随后絮体的恢复情况.结果发现,絮体的破碎以及恢复情况因混凝区域的不同而呈现不同的规律.在稳定区,絮体的强度较大,不易破碎,且破碎后的絮体可进一步增长,其恢复因子高达259%;在电中和混凝区,絮体的强度最小,易于破碎,但破碎后可完全恢复;在再稳区和卷扫混凝区,絮体的强度较大,不易破碎,但破碎后不能完全恢复,其中后者的恢复因子仅为18.6％.再搅拌强度越大,对絮体的破碎及恢复程度的影响越大.对于卷扫混凝,经再搅拌破碎后而得到部分恢复的絮体,相对于未经再搅拌的絮体而言,其絮体层与水体间界面的沉降高度及平均沉降速率均较低,且在絮凝沉降区和区域沉降区,该絮体界面的瞬时沉降速率在同一絮体浓度下均较低,但在压缩沉降区,二者的瞬时沉降速率相同.     

一体式絮体-超滤工艺去除腐殖酸效能与机制

近年来,一体式吸附剂-超滤膜组合工艺以其效率高、膜污染程度低且占地面积小等优势逐渐在水处理中广泛应用.然而,目前所用吸附剂多为颗粒型,如粉末活性炭、碳纳米管、纳米铁等.不仅长期运行极易引起膜表面损伤,且多数吸附剂成本较高.为有效克服上述问题,以水处理中广泛应用的铝盐混凝剂水解絮体为吸附剂,以天然水体中普遍存在的腐殖酸为目标污染物,考察了松散且密度低的絮体直接注入膜池后腐殖酸的去除效率及膜污染行为.结果表明,曝气方式、絮体注入频率及注入量均能不同程度地影响该组合工艺效能.与间歇曝气和一次性注入相比,采用连续曝气且分批次注入时,絮体在膜表面形成松散"保护膜",充分发挥了絮体作用,腐殖酸去除效率较高,膜污染程度显著降低.单独HA污染超滤膜时,5d内跨膜压差急剧增至74.8 k Pa,而连续曝气且每次2 d注入5.4 mmol·L-1絮体运行8 d后跨膜压差仅增至6.3 k Pa.此时HA去除率为73.3%(8 d),远高于无絮体注入时(5 d,32.1%).此外,分批次注入絮体时仅有少量腐殖酸吸附于膜孔,松散滤饼层为主要污染方式,且单次注入量越大,运行结束经水洗后膜表面平均孔径也越大.本研究表明一体式松散絮体-超滤膜组合工艺在水处理中具有潜在应用前景.     

絮体分形结构对沉淀速度影响研究

利用基于微天平的质量-粒径法和基于改进粒子图像测速技术的自由沉淀法对高岭土、腐殖酸絮体的分形结构进行了研究.结果表明,质量-粒径法得到的铁盐絮体三维分形维数为2.14~2.28,明显大于铝盐絮体的1.75~1.83,铁盐絮体结构更为致密,而铝、铁-腐殖酸絮体比相应的高岭土絮体分形维数要小.絮体分形维数与沉淀速度具有良好的对应关系,分形维数越大,絮体沉淀速度越大.质量粒径法与自由沉淀法求出的絮体分形维数相吻合,分形絮体沉淀速度不再满足Stokes沉淀速度公式.     

微涡旋絮凝-逆流气浮-纳滤集成工艺去除水中腐殖酸的研究--以聚合氯化铝(PACl)为絮凝剂

研究了微涡旋絮凝-逆流气浮-纳滤集成工艺去除水中腐殖酸的工艺特征和效果.试验结果表明,微涡旋絮凝-逆流气浮工艺去除水中腐殖酸时,在最佳投药点(PACl),出水水质符合纳滤系统预处理单元的要求,而且该工艺需要PACl絮凝剂的量较低.该预处理系统与纳滤系统组合的集成工艺可以使水中的腐殖酸浓度大大降低,且含TQ56-36FC型纳滤膜的流程1比含M-N1812A型纳滤膜的流程2效果好.前者出水的TOC值可达0.28～0.45mg·L-1,CODMn值为0.47～0.8mg·L-1,UV254nm值为0～0.0033,且有95%以上的脱盐率;后者出水的TOC值为0.52～1.25mg·L-1,CODMn值为0.66～1.0 mg·L-1,UV254nm值为0.008-0.012,脱盐率很低.另外,尽管保安过滤器/活性炭预处理有利于纳滤膜出水水质的提高,但活性炭柱与纳滤膜能去除的有机物种类有些重合,活性炭柱的存在也降低了纳滤膜对有机物的去除率.水中颗粒物的粒度分布表明,原水、絮凝后和气浮出水中颗粒物粒度分布的中位直径(d50)分别为5～6μm、10～14μm和8～13 μm.经过保安过滤器或保安过滤器/活性炭柱,水样中的颗粒物的d50为0到几个μm.经过纳滤膜后出水无颗粒物.     

絮体性能及其工艺调控的研究与进展

絮体结构和强度特征是絮凝过程的重要参数.在简要回顾絮体分形结构研究的基础上,对絮体结构与强度的测定方法、絮体结构形成的影响因素及其工艺调控的研究进展进行了概括性介绍.结合部分实验研究,着重讨论了水力条件对于絮体性能的影响和絮体重组、历史的演化机理,结果表明,逐步增强的水力剪切条件有助于改善絮体的结构和强度.     

不同水力条件下悬浮液絮体分形结构的研究

利用计算机MATLAB软件,在高浓度悬浮液混凝试验的基础上对选煤废水混凝过程中不同水力条件(搅拌速度和搅拌时间)下所拍摄的显微镜絮体图片进行处理,计算其分形维数,从而分析研究不同水力条件下所形成的絮体结构与对应的絮体平均沉降速度及处理出水浊度的关系。试验结果表明,在混凝剂加入的初始阶段,当搅拌速度v1为250r/min、搅拌时间t1为10s时,絮体结构最密实且接近球体,分形维数最大(Df=1.961 6),此时絮体沉降速度最快,混凝沉降效果最好,出水浊度可达170NTU。     

Fractal analysis of polyferric chloride-humic acid （PFC-HA） flocs in different topological spaces

The fractal dimensions in different topological spaces of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs, formed in flocculating different kinds of humic acids (HA) water with different initial pH (9.00, 7.00, 5.00) and PFC dosages, were calculated by effective density-maximum diameter, image analysis, and N2 absorption-desorption methods, respectively. The mass fractal dimensions (Df) of PFC-HA flocs, being more than 2.0, calculated by bi-logarithm relation of effective density-maximum diameter and Logan empirical formula at initial pH of 7.00 had 11-13 percentage greater than those at pH 9.00 and 5.00, indicating the most compact flocs formed in flocculated HA water at initial pH of 7.00. The image analysis for those flocs indicates that after flocculating the HA water at initial pH greater than 7.00 with PFC flocculant, the fractal dimensions of D2 (logA vs. logdL) and D3 (logVsphere vs. logdL) of PFC-HA flocs decreased with the increase of PFC dosages, and PFC-HA flocs showed a gradually looser structure. At the optimum dosage of PFC, the D2 (logA vs. logdL) values of the flocs show 14%--43% difference with their corresponding Df, and they even had different tendency as the change of initial pH values. However, the D2 values of the flocs formed at three different initial pH in HA solution, calculated from the horizontal projected images with magnification about 9, had a same tendency with the corresponding Df. Based on fractal Frenkel-Halsey-Hill (FHH) adsorption and desorption equations, the pore surface fractal dimensions (Ds) for dried powders of PFC-HA flocs formed in HA water with initial pH 9.00 and 7.00 were all close to 2.9421, and the Ds values of flocs formed at initial pH 5.00 were less than 2.3746. It indicated that the pore surface fractal dimensions of PFC-HA flocs dried powder mainly show the irregularity from the mesopore-size distribution and some marcopore-size distribution.     

Fractal analysis of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs in di erent topological spaces

The fractal dimensions in di erent topological spaces of polyferric chloride-humic acid (PFC-HA) flocs, formed in flocculating di erent kinds of humic acids (HA) water at di erent initial pH (9.0, 7.0, 5.0) and PFC dosages, were calculated by e ective densitymaximum diameter, image analysis, and N2 absorption-desorption methods, respectively. The mass fractal dimensions (Df) of PFC-HA flocs were calculated by bi-logarithm relation of e ective density with maximum diameter and Logan empirical equation. The Df value was more than 2.0 at initial pH of 7.0, which was 11% and 13% higher than those at pH 9.0 and 5.0, respecively, indicating the most compact flocs formed in flocculated HA water at initial pH of 7.0. The image analysis for those flocs indicates that after flocculating the HA water at initial pH greater than 7.0 with PFC flocculant, the fractal dimensions of D2 (logA vs. logdL) and D3 (logVsphere vs. logdL) of PFC-HA flocs decreased with the increase of PFC dosages, and PFC-HA flocs showed a gradually looser structure. At the optimum dosage of PFC, the D2 (logA vs. logdL) values of the flocs show 14%–43% di erence with their corresponding Df, and they even had di erent tendency with the change of initial pH values. However, the D2 values of the flocs formed at three di erent initial pH in HA solution had a same tendency with the corresponding Df. Based on fractal Frenkel-Halsey-Hill (FHH) adsorption and desorption equations, the pore surface fractal dimensions (Ds) for dried powders of PFC-HA flocs formed in HA water with initial pH 9.0 and 7.0 were all close to 2.9421, and the Ds values of flocs formed at initial pH 5.0 were less than 2.3746. It indicated that the pore surface fractal dimensions of PFC-HA flocs dried powder mainly show the irregularity from the mesopore-size distribution and marcopore-size distribution.     

颗粒物表面酸碱特性与孔表面分形的研究

通过电位滴定试验,证明了5种颗粒物的表面存在着一定量的OH-受体,其表面位浓度(Hs)在0.1219～0.3134 mmo.·L-1之间,表面位密度(DoH)在0.8586～2.1305个·nm-2之间,且不同采样点的颗粒物,其表面位浓度和表面位密度差别很大.所采集的5种颗粒物的孔结构接近平行板狭缝,孔尺寸分布不是均一的,平均孔径分布范围较宽(1.8～76nm);BET比表面积为9.5669～34.5605 m2·g-1,累积脱附孔体积为0.01729～0.06711 cm3·g-1,BJH脱附平均孔径为5.6768～7.7388nm,处于中孔范围,且平均孔径均大于其PSD峰值对应的孔径.通过分形FHH方程模拟N2吸附和脱附等温线数据计算出这些颗粒物的孔表面分形维数Ds比较接近(2.68～2.82之间),但它们的分形标度区间不同.另外,采用热力学模型和分形FHH理论计算出的表面分形维数的差异主要归因于这些样品孔尺寸分布的不均一性.     

Effects of humic acid on recoverability and fractal structure of alum-kaolin flocs

Particle surface characteristics, floc recoverability and fractal structure of alum-kaolin flocs were investigated using in situ particle image velocimetry (PIV) and microbalance with or without humic acid. Experimental results indicated that the zeta potential of kaolin particle surface after adsorption of humic acid was related with humic acid concentration and its acid-base bu ering capacity. Adsorption of humic acid resulted in more negative electrophoresis on the particle surface. Coagulant dosages for particles to form flocs would increase with increasing humic concentration. PIV was used to evaluate floc structural fragmentation, floc surface erosion as well as recoverability after high shear. It was found that the floc size during the steady phase of growth was small, while the regrowing capability decreased in the presence of humic acid. The recoverability was closely related with floc breakage modes including floc structural fragmentation and floc surface erosion. The fractal dimensions of alum-kaolin flocs by mass-size method based on microbalance would decrease with increasing humic concentration. This study proved that humic acid had adverse influences on the performance of coagulation process.     

聚硅氯化铝(PASC)混凝剂的混凝性能

研究Ａｌ／Ｓｉ摩尔比及制备工艺对聚硅氯化铝（ＰＡＳＣ）混凝效果的影响,比较ＰＡＳＣ和聚合氯化铝（ＰＡＣ）的混凝效果．结果表明,ＰＡＳＣ较ＰＡＣ混凝效果好．Ａｌ／Ｓｉ摩尔比和制备工艺对ＰＡＳＣ的混凝效果有影响．用共聚法制备的ＰＡＳＣ（共）,Ａｌ／Ｓｉ摩尔比降低,其混凝效果提高,但复合法制备的ＰＡＳＣ（复）,Ａｌ／Ｓｉ摩尔比过高或过低,均不利于其混凝效果的提高,ＰＡＳＣ（共）的混凝效果稍优于ＰＡＳＣ（复）的混凝效果．