鄭 博,唐曉津,李學鋒,張占柱
(中國石化石?
油化工科學研究院,北京100083)
隨著全球?qū)λY源需求量的不斷增加,人類對水質(zhì)的要求也日益嚴格?!渡铒嬘盟l(wèi)生標準》(GB 5749—2006)中規(guī)定,生活飲用水的濁度應低于1NTU[1],同時在環(huán)保標準日益嚴格的背景下,污水排放標準也在逐漸提高,如《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中要求排放物中固體顆粒質(zhì)量濃度小于10mg/L[2]。煉油廠污水中含有的污染物種類多、濃度高,是很難處理的工業(yè)廢水,其中的懸浮物濃度2~400mg/L[3-4],而催化劑廠的污水中懸浮物濃度在1 000mg/L左右[5]。由于水體中不僅顆粒含量低、種類多,而且顆粒粒徑小,部分處于微米級甚至亞微米級。因此水體中顆粒濃度的檢測難度大,測量的誤差也相對較高。目前,用于測量懸浮液中固體顆粒質(zhì)量濃度的方法有重量法、原子吸收法、電鏡法以及濁度法等[2]。濁度法因其具有方便、快捷以及準確等優(yōu)點,一直受到重視。用濁度法來測量懸浮液中固體顆粒質(zhì)量濃度已有很多報道,文獻[6]中認為水的濁度大小不僅與水中存在的懸浮顆粒的濃度有關(guān),還與其顆粒的大小、形狀以及顆粒表面對光的散射特性有密切關(guān)系,文獻[7]中通過理論分析推導出濁度與懸浮液顆粒質(zhì)量濃度和顆粒比表面積的關(guān)系,但沒有給出顆粒粒徑和密度對濁度的影響。文獻[8-12]都提出建立濁度與濃度關(guān)系的標準曲線來測量懸浮液顆粒質(zhì)量濃度的方法,但此種方法僅適用于懸浮液中顆粒的性質(zhì)(密度、粒徑分布)不變的情況。文獻[2]提出濁度同顆粒質(zhì)量濃度(C)和顆粒粒徑(d32)的關(guān)系,但未給出公式中相關(guān)的參數(shù)計算方法。本課題針對懸浮液的濁度(T)、濃度(C)、顆粒密度(ρs)及顆粒粒徑(d32)之間的關(guān)系進行深入研究,以期得到定量的計算公式,為微細顆粒懸浮液的濃度測量提供普適性更強的方法。
2.1 主要實驗儀器
2100P便攜式濁度儀;Mastersizer激光粒度分析儀;萬分天平;馬福爐;砂磨機。
2.2 實驗原料
去離子水、玻璃珠、Dasy-00型分子篩、氧化鋁載體、鈷基顆粒Ⅰ和鈷基顆粒Ⅱ、ZSP-2型分子篩。
2.3 樣品的制備
2.3.1 玻璃珠樣品 取一定量的玻璃珠進行研磨,經(jīng)充分研磨后使用去離子水進行淋洗,將淋洗過的玻璃珠放在140~150℃的電干燥器內(nèi)烘干,將烘干后的玻璃珠進行第2次研磨,研磨后的玻璃珠用不同目數(shù)的金屬篩進行篩選得到不同粒徑的玻璃珠樣品,記為樣品1~4。
2.3.2 Dasy-00型分子篩樣品 將Dasy-00型分子篩放在馬福爐中,溫度設定在600℃充分干燥后冷卻至室溫,用100目的金屬篩進行篩選,篩下的部分作為實驗樣品。
2.3.3 氧化鋁載體 將氧化鋁載體用去離子水配制成漿液,放入砂磨機中進行充分研磨后,收集高固含率的漿液作為實驗樣品。
2.3.4 鈷基顆粒 將鈷基顆粒用去離子水配制成漿液,放入砂磨機進行充分研磨后,收集高固含率的漿液作為鈷基顆粒Ⅰ,未經(jīng)過研磨處理的鈷基顆粒作為鈷基顆粒Ⅱ。
2.3.5 ZSP-2型分子篩樣品 將ZSP-2型分子篩用去離子水配制成漿液,經(jīng)充分研磨后,放入103~105℃的電干燥器內(nèi)烘干,將烘干后的分子篩在800℃的馬福爐中進行灼燒,灼燒完畢后,冷卻至室溫,采用250目的金屬篩進行篩選,篩下的部分作為實驗樣品,ZSP-2型分子篩樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)來源于文獻[2]。
9種實驗樣品的密度和直徑見表1。
表1 實驗用樣品的密度和直徑
2.4 分析方法
精確稱取定量的樣品加入到容量瓶中,用去離子水稀釋至1 000mL,充分搖勻后配制成懸浮液。用濁度計進行濁度的測量,每份懸浮液樣品取3次進行濁度分析,最后取3次測量濁度的算術(shù)平均值作為該樣品的濁度(T)結(jié)果。
玻璃珠懸浮液T與C的關(guān)系見圖1,其余5組顆粒懸浮液的T與C的關(guān)系見圖2。從圖1和圖2可以看出,在實驗濃度范圍(0~120mg/L)內(nèi),9種懸浮液的濁度與濃度呈良好的線性關(guān)系。從圖1還可以看出,當懸浮液中顆粒密度相同時,d32越大,直線斜率越小。
金同軌等[7]結(jié)合文獻[13]中光密度的表達式,推導出濁度同懸浮液中顆粒質(zhì)量濃度與顆粒比表面積的關(guān)系,如式(1)所示。
圖1 濁度T~濃度C的關(guān)系曲線■—樣品1;●—樣品2;▲—樣品3;▲—樣品4
圖2 濁度T~濃度C的關(guān)系曲線■—鈷基顆粒Ⅰ;●—氧化鋁載體;▲—Dasy-00型分子篩;▲ —ZSP-2型分子篩;◆—鈷基顆粒Ⅱ
T=λCSw(1)式中:λ為常數(shù)(與消光系數(shù)、顆粒性質(zhì)及懸浮液厚度有關(guān));Sw為顆粒的比表面積。式(1)中Sw的表達式[2]如式(2)所示。式中:st為最大顆粒;asr為顆粒的表面形狀系數(shù);avr為顆粒的體積形狀系數(shù);dr為顆粒直徑;nr為直徑為dr的顆粒數(shù);ρs為顆粒的密度。
對于粒徑處于微米級以下的顆粒,在進行計算時可以假設其體積、表面積形狀系數(shù)(a)均為常數(shù),則式(2)可以簡化為式(3)。
表面積力矩平均值(Sauter平均直徑)d32的表達式[2]如式(4)所示。
由式(6)可以看出,懸浮液濁度與濃度之間的關(guān)系不僅受到顆粒密度和顆粒粒徑的影響,還受到參數(shù)τ的影響。由于τ與顆粒的性質(zhì)有關(guān),因此需要給出τ的計算公式。為了確定顆粒性質(zhì)對τ的影響,對實驗數(shù)據(jù)進行分析。式(6)可以簡化為式(7)。
由式 和式 可推算出τρs32為擬合直線的斜率),計算結(jié)果見表2。由表2可以看出,對于ρs相同、d32不同的顆粒,τ基本相同,說明d32對τ基本沒有影響;而ρs不同的顆粒,τ也不相同,說明參數(shù)τ同顆粒的密度有關(guān)。
由式(5)可以看出,針對顆粒性質(zhì)(顆粒的密度和平均粒徑)確定的懸浮液體系,濁度同懸浮液中顆粒的質(zhì)量濃度呈正比關(guān)系,而且當顆粒密度相同時,粒徑d32越大,其直線斜率越小。因此,式(5)可以用來解釋圖1和圖2數(shù)據(jù)的變化規(guī)律??紤]到去離子水濁度(T0)的影響,將式(5)修正為式(6)。
表2 參數(shù)計算結(jié)果
圖3為不同顆粒lnτ與ρs的關(guān)系曲線。由圖3可見,lnτ與ρs之間存在線性關(guān)系,如式(8)所示。
圖3 lnτ~ρs的關(guān)系曲線
由式(8)可以得到式(9),將式(9)代入式(6)可得出濁度同濃度的關(guān)系式,如式(10)所示。
懸浮液濃度的實驗值與由式(11)得到的計算值的比較見圖4。由圖4可見,絕大多數(shù)實驗點的相對誤差都較小,經(jīng)計算相對誤差基本在25%以內(nèi)。由此可見,給定懸浮液體系的顆粒性質(zhì)(密度和粒徑)和懸浮液濁度,可以根據(jù)式(11)準確地計算得到懸浮液的顆粒濃度。
圖4 懸浮液顆粒濃度誤差分析
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