張圓圓 艾矯燕

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧，530004)

造紙中段廢水中含有的多數(shù)懸浮物都是帶有電性的［1-2］，帶電粒子通常要通過絮凝去除［3］。絮凝過程的關(guān)鍵是選取高效和經(jīng)濟合理的絮凝劑，但是在投放絮凝劑的過程中藥劑用量很難準(zhǔn)確控制，投放過多會導(dǎo)致二次污染，并且絮凝劑價格昂貴，造成經(jīng)濟上的浪費;投放過少會導(dǎo)致廢水中電荷不能完全去除，使廢水中的懸浮物不能完全沉淀，達不到凈化廢水的目的。絮凝劑的首要作用就是改變膠體固液界面的電荷特性，即壓縮雙電層使固體顆粒脫穩(wěn)或降低固液之間的親合力［4］。Zeta電位是指固體顆粒表面的液體固定層和滑動層之間的電位差。因此，如果能通過檢測廢水中的Zeta電位來判斷懸浮物所帶電荷是否完全去除，就能控制優(yōu)化絮凝劑的投放量，使絮凝劑的用量最合理。

目前，比較普遍的Zeta電位測定方法為流動電位法和電泳法，前者一般應(yīng)用于測量幾十微米的顆粒，后者適用于測定幾微米或更小的顆粒。德國制造的SZP04型Zeta電位儀是基于流動電位法的原理測量紙漿Zeta電位［5］，紙漿中的懸浮顆粒能在塞網(wǎng)電極下形成纖維塞或顆粒塞，而廢水中的顆粒物較小，不能形成漿塞，故SZP04型Zeta電位儀不能測出廢水的Zeta電位。英國馬爾文公司的Nano-ZS9型測定儀是基于電泳原理［6］來測量廢水的Zeta電位，但必須在實驗室中手動取樣，然后根據(jù)測得的數(shù)據(jù)控制絮凝劑的投放量，這很可能造成絮凝劑的投放量不夠準(zhǔn)確。針對上述缺點，本實驗根據(jù)流動電位與Zeta電位的關(guān)系自制了一套Zeta電位測量裝置［7］，該裝置能夠快速、連續(xù)監(jiān)測廢水Zeta電位，這對紙廠中段廢水添加絮凝劑時的藥劑投放量的控制具有很好的參考意義。

1 流動電位法測量原理

1.1 Zeta電位的定義及其應(yīng)用

從電荷的角度來看，懸浮膠體粒子外側(cè)均具有雙電層［8］。膠體粒子(膠粒)表面會有帶某種電荷的離子(見圖1a)，反離子(與膠體表面電荷電性相反的離子)分布在它周圍，反離子一方面受膠粒的電荷吸引，有靠近膠粒的趨勢，另一方面，由于反離子的擴散作用又有遠離膠粒的趨勢。在大多數(shù)情況下，一部分反離子和膠粒緊密地連在一起，這部分反離子和膠粒表面上的離子形成的帶電層叫作吸附層，它的厚度很薄。另一部分反離子分布在膠粒周圍，離膠粒越近越濃，離膠粒越遠則越稀，形成電荷符號與吸附層相反的帶電層，叫作擴散層，吸附層和擴散層構(gòu)成了雙電層。當(dāng)介質(zhì)相對運動時，在不動的吸附層和可動的擴散層之間就產(chǎn)生電位差，叫作動電位，也就是通常所說的Zeta電位。

廢水中的膠體顆粒和淀粉類微粒等都帶有負電荷［2-4］(見圖1b)。這些負電荷可以由膠體的組成物直接電離而產(chǎn)生，也可能是從水中選擇性吸附H+或OH-而產(chǎn)生。這層離子稱為膠體微粒的電位離子，它決定了膠粒的大小和電荷性質(zhì)。由于造紙廢水中顆粒表面的離子帶負電荷，因此測得造紙廢水的Zeta電位為負值。

圖1 Zeta電位雙電層結(jié)構(gòu)示意圖

處理廢水絮凝的常用方法是控制pH值［4］，但由絮凝機理可知，在加入絮凝劑后，由于膠粒表面電荷的減少和吸附架橋的作用而使膠粒絮凝，pH值不能很好地反映出這種絮凝的實質(zhì)。大部分紙廠在中段廢水的實際處理過程中，往往采用實驗室離線測量廢水COD來確定加藥量，但是這種控制方法會有很多不足:一方面，COD不能準(zhǔn)確反映絮凝效果;另一方面，離線測定的COD也無法滿足對加藥量控制的實時性要求。而測定廢水的Zeta電位卻能實時地反映絮凝效果，所以可以通過Zeta電位在線測量來監(jiān)控絮凝劑的加入量，最大限度地節(jié)約藥劑消耗量。理論上，最佳的絮凝效果是Zeta電位為0，但實際操作過程中的Zeta電位僅能是趨近于0。

1.2 流動電位法Zeta電位的測定

流動電位法是根據(jù)雙電層理論，“構(gòu)造”出一個流動的“滑動面”來測量Zeta電位。本實驗采用管狀多孔陶瓷膜［9］作為液體的接觸面，每個流道就是一個毛細管［10］，由于廢水中的離子吸附，導(dǎo)致流道表面(管壁表面)與固液界面呈現(xiàn)出與主體溶液中完全不同的電荷分布，即雙電層結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。距每個流道表面某一距離處有一個水溶液與表面發(fā)生相對移動的“滑動面”，Zeta電位就是該處的電位與液體內(nèi)部的電位之差。通常吸附層很薄(小于1 nm)，而擴散層相對較厚(幾納米到幾微米之間)，所以，位于固液界面處的電位很難通過實驗直接測定。

圖2 毛細管內(nèi)的雙電層結(jié)構(gòu)圖

可以通過輔助手段間接地測量和計算膠粒表面的Zeta電位。在平行于“滑動面”的方向上施以壓力差，擴散層中的反離子會在該壓力下發(fā)生定向移動，形成流動電流i［9］。流動電流的產(chǎn)生使電荷聚積，建立起一個新的反向電場，并對應(yīng)產(chǎn)生與流動電流方向相反的電導(dǎo)電流i'，當(dāng)i=i'時，便可以獲得對應(yīng)于該壓力差下所產(chǎn)生的電勢差，即為流動電位E。根據(jù)經(jīng)典的 Helmholtz-Smoluchowski方程［11-12］，可以計算得到該液體的Zeta電位，即:

式中，K0為設(shè)備的修正因子，k為溶液電導(dǎo)率，η為溶液黏度，εr和ε0分別為水的相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)，E為流動電位，ΔP為壓力差。

2 實驗

2.1 原料及試劑

實驗水樣取自廣西南寧蒲廟造紙廠物化處理階段的中段氣浮出水。中段廢水是指去除了粗大纖維等懸浮物后進入集水井并提升至均調(diào)池，再進一步沉淀去除泥沙和較細懸浮物的廢水。

絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺(APAM)和聚合氯化鋁(PAC)取自廣西博世科環(huán)保技術(shù)有限公司，本實驗中APAM和PAC的用量比是通過對比試驗來確定的，即最佳比例為V(APAM)∶V(PAC)=5∶2。其中，PAC是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液，APAM是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的水溶液。

2.2 儀器

采用自制的流動法Zeta電位測定儀來測試水樣，其核心部件是陶瓷復(fù)合膜管，φ25 mm×1178 mm，19孔;DDS-307型電導(dǎo)率儀;NDJ-5S型黏度計;HG2840B臺式四位半數(shù)字毫伏表;雷磁213型鉑電極，汞參比電極;1151DP7E型在線差壓變送器;Nano-ZS90型 Zeta電位測定儀(英國 Malvern Instrument Ltd.)。

2.3 實驗方法

實驗裝置如圖3所示。整個測試過程在室溫(25℃)下進行。實驗水樣被泵入管狀多孔陶瓷復(fù)合膜管中，產(chǎn)生的流動電位由連接在測試管口處的電極上的數(shù)字毫伏表測出，實驗裝置兩端的壓力差通過在線的差壓變送器測得，壓力差的大小可以由壓力泵來調(diào)節(jié)。另外，測試過程中的電導(dǎo)率和黏度可以由電導(dǎo)率儀以及黏度計在廢水儲存槽中在線測得。對于同一個實驗水樣而言，溶液的電導(dǎo)率和黏度，水的相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)都是固定值。

G=0.826 ×106Pa

因此公式(1)可簡化為

首先利用自制的電位測定儀測定不同壓力差(ΔP)下的流動電位(E)，再用Nano-ZS90型電位儀測得水樣的實際Zeta電位，然后利用式(2)計算得出K0，即這套自制 Zate電位測定儀的修正因子。

圖3 流動電位法測量Zeta電位的結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 修正因子K0的確定

將實驗水樣注入自制的實驗裝置中，測定在一定壓力差下的流動電位(見表1)。將表1數(shù)據(jù)帶入式(2)中并求平均值得:

表1 一定壓力差下的流動電位

由Nano-ZS90型Zeta電位測定儀測得該水樣的Zeta電位為-21.2 mV，將Zeta電位帶入式(3)，對比整合出該設(shè)備的修正因子:

K0=1.59 ×10-5

將K0重新帶入式(2)中，整理得出:

通過測定一定的壓力差對應(yīng)的流動電位，即可通過式(4)得出該水樣的Zeta電位。

3.2 Zeta電位的實際測定

取廢水水樣分別置于6個容器內(nèi)，每個20 L，按照表2的用量分別加入APAM和PAC進行絮凝，然后分別用自制的Zeta電位測定儀與Nano-ZS90型Zeta電位測定儀測定Zeta電位，結(jié)果見表2。

表2 加入不同用量的絮凝劑后的Zeta電位

從表2可以看出，該設(shè)備的實驗測量值雖存在一定的誤差，但Zeta電位的整體變化趨勢可以指導(dǎo)絮凝劑的添加量，而Nano-ZS90型Zeta電位測定儀需要在實驗室環(huán)境下人工取樣，有很大的滯后性，不能實時地檢測出廢水Zeta電位的變化。

4 結(jié)論

4.1 Nano-ZS90型Zeta電位測定儀需要復(fù)雜的測量裝置和設(shè)備，本實驗中自制的流動電位法在線Zeta電位測量裝置比較簡單，即通過構(gòu)造流動電位的滑動面，由經(jīng)典的Helmholtz-Smoluchowski方程測量計算得出。根據(jù)實驗原理測定了不同壓力差下的流動電位，進而整定出該裝置的設(shè)備修正因子。

4.2 與Nano-ZS90型測定儀結(jié)果相比，自制的流動電位法在線Zeta電位儀測量結(jié)果存在一定的誤差，但兩者測量結(jié)果具有相同的變化趨勢，通過Zeta電位的變化趨勢可以指導(dǎo)絮凝劑的投放量。該裝置的優(yōu)勢在于實現(xiàn)了自動取樣、實時檢測，這對造紙中段廢水絮凝過程藥劑投放量的控制具有很好的指導(dǎo)意義。

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