王曉燕 艾矯燕 李修華 劉 剛

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,南寧 530004)

實(shí)時(shí)在線測(cè)定Zeta電位的方法及其系統(tǒng)集成

王曉燕 艾矯燕 李修華 劉 剛

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,南寧 530004)

為了實(shí)時(shí)在線測(cè)定Zeta電位用以指導(dǎo)絮凝劑的投放，對(duì)Zeta電位的在線測(cè)定原理及其系統(tǒng)集成進(jìn)行研究。給出利用Step7實(shí)現(xiàn)粘度值、電導(dǎo)率、流動(dòng)電位和壓力差在線測(cè)定的方法，然后利用經(jīng)典Helmholtz-Smoluchowski方程在上位機(jī)上實(shí)時(shí)計(jì)算出Zeta電位。與馬爾文粒度分析儀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：二者測(cè)量結(jié)果之間的R2高達(dá)0.971 3，表明本系統(tǒng)具有較高的Zeta電位測(cè)量精度，可以指導(dǎo)絮凝劑的科學(xué)投加。

Zeta電位 在線測(cè)定 系統(tǒng)集成 絮凝劑投加量 PLC

任何膠體顆粒都帶有電荷，由于異種電荷相吸引，因此在懸浮液中將有一部分反離子密密地排布在膠粒表面，與膠粒表面電荷形成吸附層，而分散在懸浮液中的另一部分反離子則形成擴(kuò)散層。膠粒在外界機(jī)械力的作用下，吸附層與擴(kuò)散層之間將產(chǎn)生電位差，即Zeta電位[1]。當(dāng)Zeta電位絕對(duì)值較大時(shí)，由于斥力作用，膠粒會(huì)穩(wěn)定地存在于懸浮液中；反之，膠粒間由于吸附作用而聚沉。絮凝劑的作用機(jī)理就是降低Zeta電位絕對(duì)值，使膠粒聚沉，然后用過(guò)濾的方法去除雜質(zhì)[2]。目前，在大多造紙企業(yè)中，中段廢水一般用絮凝法去除雜質(zhì)[3,4]，絮凝劑的投放量參考指標(biāo)有pH值、COD等，但二者都不能較好地反映絮凝劑的作用機(jī)理，因此目前普遍選用Zeta電位來(lái)指導(dǎo)并優(yōu)化絮凝劑的投加。

近年來(lái)，關(guān)于Zeta電位的研究主要集中在以成熟儀器(如基于流動(dòng)電位法的SZP04和基于電泳法的Nano-ZS90型粒度分析儀)為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)定原理和影響Zeta電位的pH值、壓力差等因素的研究上[5,6]，而對(duì)Zeta電位測(cè)定裝置的研究較少。由于目前的Zeta電位都為離線測(cè)定，不僅增加了工人的勞動(dòng)量，而且廢水是不間斷流出的，用已測(cè)定的Zeta電位來(lái)指導(dǎo)并優(yōu)化絮凝劑的投放量，具有一定的滯后性。針對(duì)上述缺點(diǎn)，筆者基于PLC和WinCC[7]，自主研制出一套實(shí)時(shí)在線測(cè)定Zeta電位的裝置，用于科學(xué)指導(dǎo)絮凝劑的投放。

1 Zeta電位的測(cè)定原理①

目前，Zeta電位的測(cè)量方法主要有電泳法[8]、流動(dòng)電流法[9]及流動(dòng)電位法[10]等。

電泳法是將待測(cè)液注入兩端加有電壓的電泳池中，然后用激光多普勒測(cè)速法測(cè)量膠體粒子遷移速度，再根據(jù)Zeta電位和移動(dòng)速率的關(guān)系，計(jì)算出待測(cè)溶液的Zeta電位。

流動(dòng)電流法的基本原理是：在機(jī)械外力的作用下，待測(cè)液沿毛細(xì)管壁流動(dòng)，而擴(kuò)散層的反離子隨待測(cè)液一起流動(dòng)，并在管的一端聚集，通過(guò)測(cè)量該過(guò)程中形成的流動(dòng)電流得到Zeta電位。該信號(hào)非常微弱，通常利用放大裝置對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)同步整流器和靈敏度調(diào)整，測(cè)得流動(dòng)電流信號(hào)。

電泳法具有難實(shí)施性，流動(dòng)電流法的后續(xù)信號(hào)處理具有復(fù)雜性，而流動(dòng)電位法則具有裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、信號(hào)容易處理等特點(diǎn)。因此，筆者采用流動(dòng)電位法測(cè)量Zeta電位，Zeta電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

Zeta電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是處于管道中的多孔陶瓷膜管，由它構(gòu)造出毛細(xì)管道，再由加壓泵平行推動(dòng)廢液流經(jīng)毛細(xì)管道。如此，部分反離子在壓力的作用下，向同一方向移動(dòng)，大量電荷在管道端口積累，這時(shí)測(cè)定該壓力差下所產(chǎn)生的電勢(shì)差，即流動(dòng)電位。再通過(guò)粘度計(jì)、電導(dǎo)率儀等其他測(cè)量?jī)x器，測(cè)出此時(shí)污水的其他必要量，代入如下Helmholtz-Smoluchowski方程，即可計(jì)算出廢水的Zeta電位ζ：

圖1 Zeta電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

(1)

式中E——流動(dòng)電位；

k——電導(dǎo)率；

k0——修正系數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)；

εr——水的介電常數(shù)；

η——粘度值；

ζ——Zeta電位；

Δp——壓力差。

2 Zeta電位實(shí)時(shí)在線測(cè)定的實(shí)現(xiàn)

由式(1)可知，Zeta電位的在線測(cè)定需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率、粘度值、流動(dòng)電位和壓力差的在線測(cè)定，因此筆者利用PLC的SM331模塊采集傳感器的電壓或電流信號(hào)，通過(guò)濾波等處理后，代入式(1)，從而實(shí)現(xiàn)Zeta電位的在線測(cè)定。

2.1電導(dǎo)率的在線測(cè)定

在此，筆者采用DDS-307電導(dǎo)率儀對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行在線測(cè)定，其工作原理為：在電場(chǎng)作用下，廢水中的離子產(chǎn)生一定方向的移動(dòng)(陰離子移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子移向陰極)，使廢水溶液具有導(dǎo)電能力[11]。廢水導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱程度，稱為電導(dǎo)度G(單位S)。

已知電導(dǎo)率K與電導(dǎo)度G的關(guān)系為：

G=K/Q

(2)

其中，Q為電極池常數(shù)，Q等于電極間距L與面積A的比值。由于筆者采用的電極池為雷茲DJS-1C，其電極池長(zhǎng)、寬、高均為1cm，因此電極常數(shù)Q=1，此時(shí)G=K。

由于電導(dǎo)度是電阻的倒數(shù)，因此要想測(cè)得電導(dǎo)率，只需測(cè)出電極池中液體的電阻即可。筆者采用的DDS-307電導(dǎo)率儀的輸出信號(hào)為直接反映電導(dǎo)率的電流信號(hào)，將該電流信號(hào)接入PLC的SM331模擬量采集模塊中，通過(guò)后期的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，即可確定系統(tǒng)接收到的電流值與電導(dǎo)率儀本身測(cè)得的電導(dǎo)率值的關(guān)系模型，以便后期在Step7中使用。

2.2粘度值的在線測(cè)定

筆者采用NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定廢水的粘度值[12]，其內(nèi)部設(shè)有步進(jìn)電機(jī)、光電傳感器及八位微處理器SM8952等。該粘度計(jì)為離線測(cè)定，若要實(shí)現(xiàn)在線測(cè)定，需要測(cè)得粘度力矩，然后根據(jù)粘度力矩與粘度的關(guān)系式，求得粘度值。具體的工作原理如圖2所示。

圖2 粘度計(jì)工作原理

調(diào)整好粘度計(jì)后，與步進(jìn)電機(jī)相連的轉(zhuǎn)盤(pán)1的凹槽會(huì)正對(duì)光電傳感器的中央；同樣，與游絲相連的轉(zhuǎn)盤(pán)2的凹槽也會(huì)正對(duì)光電傳感器的中央，然后轉(zhuǎn)軸在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。由于待測(cè)液體的粘滯阻力，與游絲相連的轉(zhuǎn)盤(pán)2會(huì)滯后于與步進(jìn)電機(jī)相連的轉(zhuǎn)盤(pán)1，滯后時(shí)間差Δt由兩轉(zhuǎn)盤(pán)的凹槽先后經(jīng)過(guò)光電傳感器測(cè)量得到。然后根據(jù)時(shí)間差Δt與游絲扭矩T之間的關(guān)系得到游絲扭矩，而游絲扭矩T又等于粘度力矩M，因此將粘度力矩M代入粘度力矩與液體粘度的計(jì)算公式，即可得到粘度值：

(3)

式中l(wèi)——轉(zhuǎn)軸浸入水中的長(zhǎng)度，m；

M——粘度力矩，N·m；

R1、R2——內(nèi)轉(zhuǎn)筒、外圓筒的半徑，m；

η——液體粘度，mPa·s；

Ω——轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s。

實(shí)現(xiàn)粘度值在線測(cè)定的步驟如下：

a. 將光電傳感器的信號(hào)線接入微處理器的INT0和INT1兩個(gè)管腳，從而在微處理器上編寫(xiě)程序采集出時(shí)間差Δt。由于要完成系統(tǒng)集成，用D/A轉(zhuǎn)換芯片將Δt轉(zhuǎn)換成模擬量，然后輸入到PLC的SM331中，經(jīng)過(guò)濾波處理后，在上位機(jī)上編寫(xiě)程序，采集Δt。

b. 對(duì)于式(3)，調(diào)整好粘度計(jì)后，除粘度力矩外其他都是已知量。由于粘度值只與粘度力矩有關(guān)，而粘度力矩等于與轉(zhuǎn)盤(pán)相連的游絲扭矩，反映游絲扭矩的為Δt，因此，取多組不同粘度值的溶液測(cè)定，記錄Δt和對(duì)應(yīng)的扭矩T，建立數(shù)學(xué)模型，在上位機(jī)上編程。當(dāng)采集到不同的Δt時(shí)，代入模型即可計(jì)算出所測(cè)溶液的粘度值。

粘度值在線測(cè)定流程如圖3所示。

圖3 粘度值在線測(cè)定流程

2.3流動(dòng)電位和壓力差的在線采集

流動(dòng)電位的測(cè)量采用HG2840B毫伏表。由于現(xiàn)場(chǎng)輸出的流動(dòng)電位信號(hào)是毫伏級(jí)的，PLC的SM331模塊無(wú)法識(shí)別，因此后續(xù)添加一個(gè)KB1-309D型直流信號(hào)隔離放大器，將0～75mV電壓轉(zhuǎn)換為0～10V電壓，并通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到其放大倍數(shù)，最終在Step7中還原真實(shí)的流動(dòng)電位。

廢水在高壓自吸泵的作用下，流經(jīng)陶瓷復(fù)合膜管，系統(tǒng)采用1151DP7E型差壓變送器測(cè)量膜管兩端的壓差，經(jīng)放大、濾波處理后，轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，最后接入PLC的SM331模塊。

至此，電導(dǎo)率、粘度值、流動(dòng)電位和壓力差的測(cè)量結(jié)果全部通過(guò)PLC的SM331模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，并通過(guò)Step7編程實(shí)現(xiàn)了Zeta電位的計(jì)算與顯示，最后在WinCC上建立人機(jī)監(jiān)控界面，完成Zeta電位的連續(xù)實(shí)時(shí)在線測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于PLC得到的是電導(dǎo)率儀中的電流值，因此需要經(jīng)過(guò)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到電導(dǎo)率與電流值的關(guān)系。筆者分別對(duì)15組具有不同電導(dǎo)率的液體樣本進(jìn)行了電導(dǎo)率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到上位機(jī)的電流值與電導(dǎo)率儀的電導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示，所建模型為K=1.567A-5.9298，其中，A為采集的電流值。

圖4 電流值與電導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖4可以看出，電流值與電導(dǎo)率之間的R2達(dá)到了1，充分說(shuō)明了集成系統(tǒng)對(duì)電導(dǎo)率儀的輸出電流信號(hào)進(jìn)行了精確的采集、讀取，反映了系統(tǒng)對(duì)參數(shù)測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證整套集成系統(tǒng)的精度，進(jìn)行了它與馬爾文粒度分析儀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體做法如下：取10個(gè)廢水樣本，分別投加一定量的PAC絮凝劑(0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5mL/L)，攪拌均勻后靜置數(shù)分鐘，以便生成不同Zeta電位的樣本集；然后，分別用本系統(tǒng)與馬爾文粒度分析儀對(duì)各樣本進(jìn)行測(cè)量，分別得出二者的測(cè)量結(jié)果。相關(guān)性分析如圖5所示，可以看出，兩種測(cè)量結(jié)果的R2高達(dá)0.971 3，表明本系統(tǒng)與馬爾文粒度分析儀的測(cè)量結(jié)果基本一致，精度較高，說(shuō)明本系統(tǒng)可以作為指導(dǎo)絮凝劑投加的主要依據(jù)。

圖5 本系統(tǒng)與馬爾文粒度分析儀測(cè)得的Zeta電位的相關(guān)性

樣本的PAC絮凝劑投加量與Zeta電位之間的關(guān)系如圖6所示，可以看出，隨著PAC投加量的增多，Zeta電位不斷下降，這是由于絮凝劑中的電荷中和了廢水體系中的一部分離子從而壓縮了雙電層，與此同時(shí)離子間的斥力不斷減小，從而使廢水中的雜質(zhì)絮凝；隨著絮凝劑的繼續(xù)投加，Zeta電位的絕對(duì)值不再下降，反而有所回升，這是由于絮凝劑投放量飽和甚至過(guò)量，絮凝劑釋放的電荷過(guò)多，反而污染了廢水。因此，絮凝劑的投加量并不是越多越好，PAC投放量為3.5mL/L左右時(shí)Zeta電位達(dá)到最低，此時(shí)絮凝效果最好。

圖6 PAC絮凝劑投加量與Zeta電位之間的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地在線檢測(cè)廢水的Zeta電位并科學(xué)指導(dǎo)絮凝劑的投放，筆者研制了一套Zeta電位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了電導(dǎo)率儀、粘度計(jì)、毫伏表、壓力傳感器、PLC及上位機(jī)等基礎(chǔ)模塊，通過(guò)對(duì)廢水的電導(dǎo)率、粘度值、流動(dòng)電位和壓力差的測(cè)量，實(shí)時(shí)計(jì)算出廢水的Zeta電位，來(lái)科學(xué)指導(dǎo)廢水處理時(shí)絮凝劑的投放。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成穩(wěn)定，可通過(guò)Step7和WinCC界面實(shí)現(xiàn)Zeta電位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)與馬爾文粒度分析儀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，該系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性，能有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高自動(dòng)化作業(yè)水平，同時(shí)獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，擁有巨大的應(yīng)用前景。

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2015-08-07

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃自治區(qū)主席基金資助項(xiàng)目(1517-08)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(桂科攻11107021-6-4)

TH862

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1000-3932(2016)04-0431-04