(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引言

目前，普遍使用的zeta電位測(cè)定方法是電泳法和流動(dòng)電位法。英國(guó)馬爾文公司的Nano-ZS9型粒度分析儀即利用電泳法測(cè)定廢水的zeta電位[1]。德國(guó)制造的SZP04型zeta電位測(cè)定儀即根據(jù)流動(dòng)電位法測(cè)量紙漿的zeta電位[2]。這些儀器基本上都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的離線測(cè)量[3]。而在工業(yè)生產(chǎn)中，這種測(cè)量方法往往存在一定的弊端。由于工業(yè)生產(chǎn)中每天產(chǎn)出的廢水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)都有一定的差異，其zeta電位值往往不同，絮凝工段需要的最優(yōu)絮凝劑投放量也不相同，即該批廢水的最優(yōu)絮凝劑投加量不一定適合于另外一批廢水。這會(huì)造成絮凝劑投加量不夠精確，使絮凝工段處理不夠徹底，為后續(xù)工段處理增加了壓力。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，自主研發(fā)了一套基于流動(dòng)電位的zeta電位在線測(cè)定系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心在于構(gòu)造一個(gè)流動(dòng)的“滑移面”來(lái)測(cè)量zeta電位，采用管狀多孔陶瓷復(fù)合膜管作為液體的接觸面。每個(gè)流道就是一個(gè)毛細(xì)管，在毛細(xì)管內(nèi)部形成雙電層結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)能夠在線檢測(cè)絮凝工段的zeta電位，優(yōu)化了絮凝劑的添加量，降低了廢水處理成本，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 zeta電位在線測(cè)定裝置

1.1 zeta電位

在膠體化學(xué)理論中，zeta電位可用來(lái)作為衡量膠體體系穩(wěn)定性的指標(biāo)。如果膠體顆粒帶有很多正的或負(fù)的電荷[4]，即zeta電位的絕對(duì)值很大，顆粒間會(huì)相互排斥，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)膠體體系的穩(wěn)定性，此時(shí)廢水中的膠體顆粒很難除去。如果往水中加入某種電解質(zhì)[5]，使膠體的擴(kuò)散層變薄，膠體顆粒間的靜電斥力隨之減弱或消失，zeta電位的絕對(duì)值降低甚至趨于零。此時(shí)，膠體顆粒相互接觸時(shí)就很容易通過(guò)吸附作用而聚結(jié)成大顆粒，膠體雜質(zhì)就比較容易去除。往廢水中加入的電解質(zhì)叫絮凝劑。因此,選用zeta電位來(lái)直觀表示膠體廢水中帶電顆粒的處理情況。

當(dāng)固液兩相物質(zhì)相接觸時(shí)，接觸界面上由于固體表面物質(zhì)的離解或?qū)θ芤褐须x子的吸附, 會(huì)導(dǎo)致固體表面某種電荷的過(guò)剩, 并使附近液相中形成反電荷離子的不均勻分布，從而構(gòu)成固液界面的雙電層結(jié)構(gòu)[6]。當(dāng)有外力作用時(shí), 雙電層結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng),吸附層與擴(kuò)散層之間出現(xiàn)相對(duì)移位。這個(gè)相對(duì)移位的界面叫滑移面，滑移面上的電位就是zeta電位。粒子雙電層結(jié)構(gòu)和zeta電位如圖1所示。

圖1 粒子雙電層結(jié)構(gòu)和zeta電位

1.2 zeta電位測(cè)定原理

由于固液兩相分別帶有電性相反的過(guò)剩電荷, 因此在外力作用下會(huì)產(chǎn)生一系列的電動(dòng)現(xiàn)象。流動(dòng)電位就是其中之一，它是指在外力作用下, 液體相對(duì)于固體表面流動(dòng)而產(chǎn)生電場(chǎng)的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)室自主研制裝置采用流動(dòng)電位法[7]，裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

污水在單相高壓自吸泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入管狀的多孔陶瓷復(fù)合膜管，擴(kuò)散層中的反離子被帶走，產(chǎn)生流動(dòng)電流IC。此時(shí)溶液內(nèi)由于電荷的積累形成電場(chǎng)，該電場(chǎng)形成反向傳導(dǎo)電流Is。當(dāng)IC=Is時(shí)，體系達(dá)到平衡。管兩端的電位差即流動(dòng)電位。在管的兩端接一毫伏表，即可測(cè)出在該壓力下的流動(dòng)電位。壓力差的大小通過(guò)單相高壓自吸泵閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)。

根據(jù)經(jīng)典的Helmholtz-Smoluchowski方程，可以得到該液體的zeta電位，即：

(1)

式中：ζ為zeta電位，mV；K0為設(shè)備的修正因子；k為溶液電導(dǎo)率， ms/cm；η為溶液黏度， mPa·s；εr為水的相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；E為流動(dòng)電位，mV；ΔP為壓力差， kPa。

1.3 在線測(cè)定zeta電位的實(shí)現(xiàn)

由式(1)可知，為實(shí)現(xiàn)廢水中zeta電位的在線測(cè)定，廢水的黏度η、壓力差ΔP、流動(dòng)電位E和電導(dǎo)率k都必須在線測(cè)定。

1.3.1 在線測(cè)定黏度

綜上，游客對(duì)長(zhǎng)江三峽地域文化認(rèn)知過(guò)程可總結(jié)為圖3。旅游認(rèn)知是游客基于已有感知印象，根據(jù)旅游經(jīng)驗(yàn)或?qū)嵉伢w驗(yàn)對(duì)旅游目的地信息進(jìn)行主動(dòng)選擇、反饋、加工和處理的心理過(guò)程[37]25。旅游目的地的原真文化在文化營(yíng)銷和傳播的影響下對(duì)游客產(chǎn)生信息刺激，然后游客對(duì)這些信息進(jìn)行選擇性加工或體驗(yàn)，形成對(duì)旅游目的地文化的知覺印象。游客認(rèn)知的建構(gòu)會(huì)對(duì)信息的選擇性加工產(chǎn)生影響。認(rèn)知在游客人腦中的存儲(chǔ)是概念網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，當(dāng)游客回憶經(jīng)歷的旅游體驗(yàn)時(shí)，核心的概念節(jié)點(diǎn)被激活，然后擴(kuò)散到相鄰概念。這些概念之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)作為一種認(rèn)知的存儲(chǔ)模式，部分地反映了目的地的原真文化。

系統(tǒng)采用NDJ-5S型黏度計(jì)測(cè)定廢水的黏度值。該儀器由高細(xì)分驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、16位微處理器和帶夜視功能的液晶屏組成。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)變速帶動(dòng)轉(zhuǎn)子做恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在液體中旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體會(huì)產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上的黏度力矩。液體的黏度值越大，黏度力矩也越大；反之，液體的黏度越小，黏度力矩也越小。作用在轉(zhuǎn)子上的黏度力矩由光電傳感器檢測(cè)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得出被測(cè)液體的黏度值[8]。

該黏度計(jì)不具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，黏度值無(wú)法傳送給數(shù)據(jù)處理設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)黏度值的在線測(cè)定。光電傳感器測(cè)定的黏度力矩與黏度值之間存在一定的關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)黏度的在線測(cè)定，可以把光電傳感器的輸出用外接引線接到PLC的模擬量輸入模塊SM331中，再在Step7中編程,從而實(shí)現(xiàn)黏度的在線采集。黏度值與黏度力矩的關(guān)系為：

(2)

式中：η為黏度，mPa·s，M為黏度力矩，N·m；Ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;l為轉(zhuǎn)筒的高度，m；R1為內(nèi)轉(zhuǎn)筒的半徑，m；R2為外轉(zhuǎn)筒的半徑，m。

光電傳感器的輸出信號(hào)為光電流或光電壓。在該黏度計(jì)中，其輸出信號(hào)為0～20 mA的光電流。光電流與黏度力矩的轉(zhuǎn)換通過(guò)在Step7中添加功能FC1完成，黏度力矩與黏度的轉(zhuǎn)換則用功能FC2完成。主程序OB1調(diào)用功能FC1、FC2，完成黏度值的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

1.3.2 在線測(cè)定壓力差

系統(tǒng)采用壓力變送器測(cè)量多孔陶瓷復(fù)合膜管兩端的壓力差，其工作原理如下。通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)到的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)，經(jīng)差分放大和輸出放大器放大后，經(jīng)V/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)(液體)的壓力呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)，以供給二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過(guò)程調(diào)節(jié)。

壓力變送器轉(zhuǎn)換的電流信號(hào)為模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，直接將4～20 mA的電流信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)的CPU，CPU是無(wú)法識(shí)別和處理的。為此，將電流信號(hào)傳送到PLC的模擬信號(hào)輸入模塊SM331，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中采用的SM331在采集電流信號(hào)時(shí)是四線制的，而壓力變送器一般是二線制的。系統(tǒng)為壓力變送器提供24 V的外接電源，將二線制變?yōu)樗木€制，再接入到SM331中。

壓力變送器的量程為0～1 000 kPa，電流信號(hào)與壓力差的轉(zhuǎn)換公式為：

(3)

式中：x為光電流，mA；y為壓力差，kPa。

光電流與壓力差的轉(zhuǎn)換通過(guò)在Step7中添加功能FC3完成，OB1調(diào)用FC3完成壓力差的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

2 系統(tǒng)人機(jī)界面

為能夠?qū)崿F(xiàn)快速、連續(xù)監(jiān)測(cè)廢水的zeta電位，以系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得的zeta電位值為基礎(chǔ)，采用西門子的S7-300 系列PLC和組態(tài)軟件WinCC，搭建一個(gè)zeta電位值的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面[9]，以實(shí)時(shí)采集廢水處理中各種信息并顯示廢水的zeta電位，為zeta電位值提供一個(gè)可視化的處理界面。

在WinCC項(xiàng)目管理器中，在變量管理下添加驅(qū)動(dòng)程序“simatic S7 protocol suite”。由于系統(tǒng)使用PC/MPI通信電纜進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，因此選用MPI通信協(xié)議。建立新的驅(qū)動(dòng)程序的連接New Connection。在該連接下，添加過(guò)程變量(如zeta電位值、毫伏表示數(shù)、黏度值、壓力差等)，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置包括變量名、變量數(shù)據(jù)類型、變量地址(為保證通信的成功，必須與PLC中相應(yīng)變量的地址相同)等項(xiàng)[10]。

在zeta電位值實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的組態(tài)界面中，壓力指示儀、數(shù)字毫伏表、黏度計(jì)等采集試驗(yàn)水樣的相關(guān)指標(biāo)。各指標(biāo)信息傳送到PLC的模擬量輸入模塊SM331，并在Step7中編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算。PC/MPI編程電纜(PC適配器)將PLC處理后的數(shù)據(jù)信息傳送到計(jì)算機(jī)的COM口。由于PLC與WinCC已經(jīng)成功通信，因此數(shù)據(jù)欄的檢測(cè)數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)顯示了流動(dòng)電位、壓力差、黏度值等指標(biāo)。在計(jì)算數(shù)據(jù)中，水的相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)在一定條件下是常數(shù)。設(shè)備修正因子是根據(jù)試驗(yàn)水樣實(shí)際的zeta電位值利用式(1)得出的，因此對(duì)于同一批廢水，設(shè)備修正因子也為常數(shù)。

zeta電位的實(shí)時(shí)顯示窗口是一個(gè)動(dòng)態(tài)I/O域，連接的變量是zeta電位，其屬性設(shè)置必須和PLC中設(shè)置的變量zeta電位的地址、數(shù)據(jù)類型完全一致，才能實(shí)時(shí)顯示zeta電位值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 zeta電位的在線測(cè)定

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，取同一批廢水放入8個(gè)容器內(nèi)，每個(gè)15 L，分別標(biāo)號(hào)a～h。向每個(gè)水樣內(nèi)加入不同劑量的絮凝劑PAC和PAM，經(jīng)絮凝工段沉淀處理后取上清液,分別用自主研發(fā)的zeta電位在線測(cè)定系統(tǒng)和馬爾文Nano-ZS9型粒度分析儀測(cè)定zeta電位。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有可比性，PAM為定量，PAC為不同劑量，即a～h容器中PAM為定量2 mL/L，PAC的用量分別為0 mL/L、0.5 mL/L、1 mL/L、1.5 mL/L、2 mL/L、2.5 mL/L、3 mL/L、3.5 mL/L。

根據(jù)實(shí)測(cè)zeta電位值的絕對(duì)值與絮凝劑PAC的添加量,擬合得到的zeta電位與絮凝劑用量的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 zeta電位與絮凝劑用量的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，隨著絮凝劑PAC用量的不斷增加，兩個(gè)裝置測(cè)得的zeta電位的絕對(duì)值均不斷減小。雖然自制系統(tǒng)相比于馬爾文Nano-ZS9型粒度分析儀存在一定的誤差，但是在允許的誤差范圍內(nèi)。該裝置可應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域中指導(dǎo)絮凝劑的添加。

3.2 壓力差ΔP和zeta電位的關(guān)系

多孔管狀陶瓷膜在不同壓力差ΔP與流動(dòng)電位和zeta電位的擬合曲線如圖4所示。從圖4(a)可以看出，隨著壓力差的增加，流動(dòng)電位絕對(duì)值的變化趨勢(shì)越來(lái)越小。圖4(b)中3條曲線是絮凝劑PAC的添加量分別為0 mL/L、0.5 mL/L、1.0 mL/L的上清液在不同壓力差下的zeta電位。從圖4(b)可以看出，隨著壓力差的增加，zeta電位的絕對(duì)值均呈下降趨勢(shì)。

圖4 壓力差和zeta電位關(guān)系曲線

分析可知，隨著壓力差ΔP的增加，多孔管狀陶瓷膜流道內(nèi)溶液的流速增加，滑移面處受到的剪切應(yīng)力增加。該處的反離子還未來(lái)得及被吸附就被沖走，使得吸附層與溶液之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的吸附層電位減小。zeta電位就是吸附層與擴(kuò)散層之間相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的滑移面處的電位差。zeta電位的絕對(duì)值略小于吸附層電位，而吸附層電位不能被直接測(cè)出，可以用zeta電位來(lái)間接表征吸附層電位。隨著操作壓力的增加，廢水的zeta電位的絕對(duì)值減小。因此，在試驗(yàn)中，當(dāng)壓力差在8～28 kPa時(shí)，zeta電位值的誤差相對(duì)較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

造紙廢水的zeta電位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了污水處理過(guò)程中zeta電位的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，優(yōu)化了絮凝工段絮凝劑的投放量，降低了運(yùn)行成本，提高了造紙中段廢水的處理效果，減輕了后續(xù)工段的處理壓力。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)取樣、反應(yīng)靈敏、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)絮凝工段的zeta電位值，具有友好的人機(jī)界面。試驗(yàn)表明，造紙廢水中zeta電位的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在指導(dǎo)廢水處理的絮凝工段具有很好的指導(dǎo)意義，并有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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