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）

1 前 言

隨著全球?qū)λY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 實 驗

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。

3 結(jié)果與討論

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

4 結(jié) 論

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