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原文传递黄河泥沙架桥絮凝体的分形特性研究

论文题名：	黄河泥沙架桥絮凝体的分形特性研究
关键词：	黄河泥沙;图像分析;高分子聚合物;絮凝机理;高分子絮凝剂
摘要：	以黄河高浊度水为代表的高浓度悬浊液的沉降基本属于干扰沉降现象。传统的干扰沉降理论与公式未能说明静水与动水絮凝过程各个参数对絮体形态及其结构的影响，不能定量与真实地反映干扰沉降时的实际情况。论文运用分形数学理论把絮体的静止结构与其生长、破碎等动态过程结合起来，对黄河高浊度水的沉降规律、投加高分子絮凝剂后的絮体分形特性、生长模式及絮体构造动态演变过程作深入的研究。从而更准确地定量描述与解释絮凝过程，预测絮凝结果，有效控制整个絮凝过程的各个变量，达到最佳絮凝效果。本文主要研究黄河泥沙与阳离子高分子聚合物絮凝形成的絮凝体的分形特性以及水力流动特性对絮凝体分形特性的影响；探讨剪切絮凝条件下高分子絮凝剂的架桥絮凝机理与絮凝体分形结构的动态演变过程；通过相同絮凝条件下高岭土颗粒及标准粒子与高分子絮凝剂的架桥絮凝实验，进一步分析探讨了黄河高浊度水架桥絮凝体的分形特性与高分子絮凝剂的吸附性能与分形行为。泥沙絮凝体结构具有广泛意义上的自相似性。在快速与慢速搅拌阶段，絮凝体的生长机制分别以DLCA模式和RLCA模式为主。利用密度-密度相关函数基于计盒维数中的网格法理论计算不同絮凝条件下絮凝体的分维D2=1.4±0.1～1.9±0.1；利用沉降实验数据由絮凝体干质量与当量球体粒径的函数关系求出不同絮凝条件下形成的絮凝体的分维D3=1.7±0.1～2.2±0.1。本文采用沉降技术及图像分析技术分析探讨了泥沙架桥絮凝体的分形特性，并得到表征絮凝体分形特性的各个参数(如絮凝体粒径、孔隙率、有效密度、沉速、强度等)与分数维D3存在某种相关关系。 (1)粒径分布：絮凝体粒径分布曲线形状类似广义的正态分布。粒径分布扩展范围可用参数“分维D”表述。D＞2时，峰值的粒径扩展范围相对要窄。当分维D降低时，粒径分布范围扩宽。从沉降数据得到粒径分布与分维的函数关系为：f(dST)=(D-1)dSTD-1/√2π(dST)D-1exp[-(dST/dSTD-1]整个絮凝过程中的泥沙絮凝体当量粒径数据分布出现三个明显的区域：①10～150μm，“原粒子”与RLCA絮凝体共存为主体；②150～300μm，主要存在DLCA絮凝体与RLCA絮凝体；和③＞300μm，以DLCA絮凝体为主。 (2)絮凝体沉速：在临界值D=2前后，絮凝体的沉降速度存在明显的差异：D＜2时，分维越低，沉速越高；D＞2时，分维越低，沉速越低。絮凝体自由沉降速率与当量球体粒径呈直线函数关系：V=adST+b。式中：a是分维D的函数，b是常数。从沉降数据修正得到的絮凝体自由沉速计算式：u=2/9μ(ρP-ρL)g·(√1.56-(1.728-D/2)2-0.228)D-1RSTD-1/(/)(D-3)/(D-5)用该式计算所得沉速与实验测试的沉速随当量直径的变化趋势基本吻合。 (3)絮凝体有效质量密度整个絮凝过程，泥沙絮凝体总是生成更加密实的结构形式。处于第一、二区域内的絮凝体(实验中观察到的絮凝体粒径常常处于这两个区域)的有效质量密度ρe与当量粒径在双对数坐标上呈线性函数关系：ρe=a·dST-by。式中：指数by与分维D的关系：D=3-by。by值的变化范围为0.8～1.3，相应的分维D值为2.2～1.7。如果同时考虑第三区域的絮凝体，其有效质量密度与当量球体直径的函数关系出现转折点。在该转折点之下的密度在双对数坐标系中随当量粒径以微小下降的斜率变化，以水的密度作为极限值。 (4)絮凝体孔隙率泥沙絮凝体孔隙率随当量球体直径的变化趋势一致：孔隙率总是随着粒径的增加而增大。当絮凝体粒径超过某值(如300μm)后，絮凝体内含有的固体体积分数很小，孔隙率增至90％以上，甚至接近99％。泥沙絮凝体的孔隙率可用下式计算：φ=1-(√1.56-(1.728-D/2)2-0.228)D·RSTD-3/[(/)/1(D-3)]D-3。它是泥沙颗粒粒径、絮凝体当量粒径及分维D的函数。整个絮凝过程中的泥沙絮凝体有着阶梯状质量分布，从瞬间形成的大而密度较低的絮凝体变为粒径降低且整个密度较高的絮凝体。絮凝体的最低孔隙率出现在絮凝阶段的中间某一时段，此时絮凝体分维达到最大，平均孔隙率最小，絮凝体最密实。 (5)絮凝体的强度絮凝体的强度可用体系达到相对稳定态时的絮凝体最大平均粒径描述。聚合物絮凝剂能产生坚实的絮体，泥沙颗粒与/或絮体间的结合键很强，能在给定的剪切条件下密度不断提高。实验发现，对泥沙絮凝体的分形特性与结构密实性产生影响最大的因素是水力流动特性。水力流动特性主要表现在速度梯度(即剪切速率与剪切时间)。“分维D”可作为定量控制手段得到最佳絮体结构发生的最佳搅拌速率与搅拌时间。从架桥絮凝动力学角度入手，文章还探讨了高分子絮凝剂在泥沙颗粒间与/或小絮体之间的架桥絮凝机理，并对泥沙架桥絮凝体的结构动态演变过程进行了研究，得出高分子絮凝剂与小而密实的无机颗粒或污染物质形成架桥是主要的去除机理。黄河泥沙高浊度原水ζ电位值-20mV，投加药剂后(药剂量从5mg/L～50mg/L变化)，最小ζ电位值-13mV，最大ζ电位值-17mV，ζ电位值降低幅度小。电性中和机理起着次要作用。在最佳絮凝条件下，泥沙絮凝体最佳絮凝结构只能维持一段时间。泥沙絮凝体从疏松多孔、开放的分枝状结构逐步向密实构造演变，分维值不断上升。当絮凝体结构到达最佳状况后，剪切作用力导致絮凝体分维又以微小的幅度降低。当搅拌停止后，泥沙絮凝体粒径能在瞬间长大，形成薄而结构脆弱疏松的絮体，分维值较低。在实际的高浊水处理工程中，找出絮凝体结构达最佳时的搅拌时间很重要。此外，通过标准粒子、高岭土颗粒与高分子絮凝剂的架桥絮凝实验形成的絮凝体分形结构进一步分析探讨了泥沙絮凝体的分形特性及高分子聚合物的吸附形态与分形行为。分析研究泥沙架桥絮凝体分形特性与高分子吸附性能及分形行为，为实际高浊水处理工艺提供了控制絮凝效果的方法与手段。以“分维”作为定量控制参数，可找出使絮凝体的沉降性能与脱水性能达最佳时的絮凝参数。同时，也为其它水处理工程达最佳絮凝效果对絮凝过程中的参数进行定量控制提供了一种方法与途径。
作者：	李冬梅
专业：	市政工程
导师：	金同轨
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安建筑科技大学
学位年度：	2004
正文语种：	中文