自由沉淀實驗(2)

1、.實驗一 顆粒自由沉淀實驗一、實驗?zāi)康?.加深對自由沉淀特點、基本概念及沉淀規(guī)律的理解。2.掌握顆粒自由沉淀的實驗方法，并能對實驗數(shù)據(jù)進行分析、整理，計算和繪制顆粒自由沉淀曲線。二、實驗原理沉淀是水污染控制中用以去除水中雜質(zhì)的常用方法。根據(jù)水中懸浮顆粒的凝聚性能和濃度，沉淀通?？梢苑殖伤姆N不同的類型：自由沉淀、絮凝沉淀、區(qū)域沉淀、壓縮沉淀。濃度較稀的、粒狀顆粒的沉降稱為自由沉淀，其特點是在靜沉過程中顆?；ゲ桓蓴_、等速下沉，其沉淀在層流區(qū)符合Stokes(斯托克斯)公式。但是由于水中顆粒的復(fù)雜性，顆粒粒徑、顆粒密度很難或無法準確地測定，因而沉淀效果、特性無法通過公式求得而是通過靜沉實驗確定。由于

2、自由沉淀時顆粒是等速下沉，下沉速度與沉淀高度無關(guān)，因而自由沉淀可在一般沉淀柱內(nèi)進行，但其直徑應(yīng)該足夠大，一般應(yīng)使D100mm，以免沉淀顆粒受柱壁的干擾。自由沉淀所反映的一般是沙礫、河流等的沉淀特點。具有大小不同顆粒的懸浮物靜沉總?cè)コ蔈與截留速度u0、顆粒質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系如下： (1-1)式中 E總沉淀效率； P0沉速小于ui的顆粒在全部懸浮顆粒中所占的百分數(shù)；1-P0沉速大于或等于ui的顆粒去除百分數(shù)；ui某一指定顆粒的最小沉降速度；u小于最小沉降速度ui的顆粒沉速。 公式推導(dǎo)如下：設(shè)在水深為H的沉淀柱內(nèi)進行自由沉淀實驗。實驗開始，沉淀時間為0，此時沉淀柱內(nèi)懸浮物分布是均勻的，即每個斷面上顆粒

3、的數(shù)量與粒徑的組成相同，懸浮物濃度為C0(mg/L)，此時去除率E=0。實驗開始后，不同沉淀時間ti，顆粒最小沉淀速度ui相應(yīng)為 ui （1-2）ui此即為ti時間內(nèi)從水面下沉到取樣點的最小顆粒di所具有圖11 自由沉淀實驗示意的沉速。此時取樣點處水樣懸浮物濃度為Ci，未被去除之顆粒即示意ddi的顆粒所占的百分比為 Pi = （1-3） 因此，被去除的顆粒(粒徑ddi)所占比例為 E0=1Pi （1-4）實際上沉淀時間ti內(nèi)，由水中沉至池底的顆粒是由兩部分顆粒組成。即沉速uui的那一部分顆粒能全部沉至池底；除此之外，顆粒沉速uui的那一部分顆粒,也有一部分能沉至池底。這是因為，這部分顆粒雖然粒

4、徑很小，沉速uui，但是這部分顆粒并不都在水面，而是均勻地分布在整個沉淀柱的高度內(nèi)。因此只要在水面下，他們下沉至池底所用的時間能少于或等于具有沉速ui的顆粒由水面降至池底所用的時間ti，那么這部分顆粒也能從水中被去除。沉速uui的那一部分顆粒雖然有一部分能從水中去除,但其中也是粒徑大的沉到池底的多,粒徑小的沉到池底的少,各種粒徑顆粒去除率并不相同.因此若能分別求出各種粒徑的顆粒占全部顆粒的百分比,并求出可顆粒在時間ti內(nèi)能沉到池底的顆粒占本顆粒粒徑的百分比,則二者乘積即為此中顆粒粒徑在全部顆粒中的去除率。如此分別求出uui的那些顆粒的去除率，并相加后，即可得出這部分顆粒的去除率。為了推求其計算

5、式，我們繪制Pu關(guān)系曲線，其橫坐標為顆粒沉速u，縱坐標為未被去除顆粒的百分比P，如圖所示。由圖中可見P = P1-P2 = (1-4)故P是當選擇的顆粒沉速由u1降至u2時，整個水中所能多去除的那部分顆粒的去除率，也就是所選擇的要去除的顆粒粒徑由d1減到d2時水中所能多去除的，即粒徑在d1d2間的那部分顆粒所占的百分比。因此當P間隔無限小時，則dP代表了直徑為小于di的某一粒徑d的顆粒占全部顆粒的百分比。這些顆粒能沉至池底的條件，應(yīng)是在水中某圖12 Pu關(guān)系曲線 點沉至池底所用的時間，必須等于或小于具有沉速為ui的顆粒由水面沉至池底所用的時間，即應(yīng)滿足 即 x (1-5)由于顆粒均勻分布，又為

6、等速沉淀，故沉速uxui的顆粒只有在x水深以內(nèi)才能沉到池底.因此能沉到池底的這部分顆粒，占這種顆粒的百分比為，如圖1-1所示，而 = (1-6)此即為同一粒徑顆粒的去除率。取u0=ui，且為設(shè)計選用的顆粒沉速；us=ux，則有 = (1-7)由上述分析可見，dPs反映了具有沉速us的顆粒占全部顆粒的百分比，而則反映了在設(shè)計沉速為u0的前提下，具有沉速us(u0)的顆粒去除量占本顆?？偭康陌俜直?。故 dP正是反映了在設(shè)計沉速為u0時，具有沉速為us(u0)的顆粒所能去除的部分占全部顆粒的比率。利用積分求解這部分us u0的顆粒的去除率，則為。 故顆粒的去除率為： E = (1-P0) + (1-

7、8)工程中常用下式計算： E = (1-P0) + (1-9)三、實驗儀器與裝置1. 自由沉淀裝置（沉淀柱，儲水箱，水泵空壓機），如圖13；2. 計時用秒表或手表；3. 100ml量筒、移液管、玻璃棒、瓷盤等；4. 懸浮物定量分析所需設(shè)備：電子天平、帶蓋稱量瓶、干燥皿、烘箱、抽濾裝置、定量濾紙等；5. 水樣可用煤氣洗滌污水、軋鋼污水、天然河水或人工配制水樣。圖13 顆粒自由沉淀實驗裝置四、實驗步驟1.了解管道連接情況，檢查是否符合實驗要求。2.啟動水泵，水力攪拌5min，使水槽內(nèi)水質(zhì)均勻。3.打開進水閥，讓水平穩(wěn)的從沉淀筒底進入沉淀柱中，直至120cm高度，停泵，沉淀實驗開始。3.開動秒表開始

8、計時，此時t=0，當時間為0、5、10、20、30、50、80min時，由同一取樣口取樣50ml，并記錄沉淀柱內(nèi)取樣口到液面高度。4.測定各水樣懸浮物含量。將所取水樣過濾（濾膜預(yù)先放入稱量瓶內(nèi)，與稱量瓶一起烘干至恒重，并稱量）。過濾完畢后，用鑷子取出濾膜放入稱量瓶中，移入烘箱中于103105下烘干一小時后移入干燥器中，使冷卻到室溫，稱其重量。反復(fù)烘干、冷卻、稱量，直至兩次稱量的重量差0.4 mg為止。計算懸浮物濃度。5. 記錄實驗原始數(shù)據(jù)，填入表11中。表11 顆粒自由沉淀實驗記錄靜沉?xí)r間/min濾紙編號濾膜稱量瓶質(zhì)量/g取樣體積/ml紙SS稱量瓶質(zhì)量/g水樣SS質(zhì)量/gSS濃度/（mg/L）

9、沉淀高度H/cm0140.79165040.80890.017334605242.34385042.35060.0068136110339.80505039.80950.004590220442.27875042.28110.002448230539.90225039.90440.0022442.650641.27745041.27930.0019382,870741.23165041.23270,0011223100841.78715041.78630.0008164五、實驗結(jié)果整理1.實驗基本參數(shù)整理 實驗日期： 水樣性質(zhì)及來源：配制的石灰水沉淀柱直徑(m)： 沉淀柱高：水溫()： 原水樣

10、懸浮顆粒濃度C0（mg/L）2. 實驗數(shù)據(jù)整理表12 實驗原始數(shù)據(jù)整理表沉淀高度/cm1222.62.834沉淀時間/min510水樣SS/（mg/L）2216原水SS/（mg/L）346未被移除顆粒百分比Pi/ %0.390.260.140.13o.110.060.05顆粒沉速ui/(mm/s)0.20.20.10.090.0560.0430.04表中不同沉淀時間ti時，沉淀管內(nèi)未被移除的懸浮物的百分比及顆粒沉速分別按下式計算未被移除懸浮物的百分比Pi=100%式中：C0 原水中SS濃度值，mg/L；Ci 某沉淀時間后，水樣中SS濃度值，mg/L相應(yīng)顆粒沉速：ui= (mm/s)3. 以顆粒

11、沉速u為橫坐標，以P為縱坐標，在普通格紙上繪制uP關(guān)系曲線。圖14 Pu關(guān)系曲線4.利用圖解法列表計算不同沉速時，懸浮物的去除率。表13 懸浮物去除率E的計算序號沉淀時間t/minUi(mm/s)Pi()1- Pi(%)E = (1-P0) +150.20.390.610.612100.20.260.740.743200.10.140.860.864300.090.130.870.875500.0560.110.890.896700.0430.060.940.9471000.040.050.950.955. 根據(jù)上述計算結(jié)果，以E為縱坐標，分別以u及t為橫坐標，繪制Eu，Et關(guān)系曲線。六、注意

12、事項（1）向沉淀柱內(nèi)進水時，速度要適中。既要較快完成進水，以防進水中一些較重顆粒沉淀，又要防止速度過快造成柱內(nèi)水體紊動，影響靜沉實驗效果。（2）取樣前，一定要記錄沉淀柱水面至取樣口的距離H0（cm）。（3）取樣時，先排除管中積水而后取樣，排空約2050mL積液。（4）測定懸浮物時，因顆粒較重，從燒杯取樣要邊攪邊吸，以保證水樣均勻。貼于移液管壁上細小的顆粒一定要用蒸餾水洗凈。附錄：懸浮物濃度測定方法一、原理水質(zhì)中的懸浮物是指水樣通過孔徑為0.45m的濾膜，截留在濾膜上并于103105烘干至恒重的固體物質(zhì)。二、儀器1.烘箱:可控制恒溫在1031052.分析天平3.孔徑0.45m濾膜4.玻璃漏斗5.

13、稱量瓶：3070mm6.干燥器7. 扁嘴無齒鑷子三、步驟1.將濾膜放在稱量瓶中,打開瓶蓋,放在烘箱中調(diào)節(jié)溫度至103105烘干0.5h；2.烘干后取出，放在干燥器中等待冷卻至室溫，然后稱重，直至恒重（兩次稱量相差0.2mg）,記錄重量B；3.用100ml量筒量取均勻適量的水樣（使懸浮物大于2.5mg），同時將恒重的濾膜放到玻璃漏斗中，此時將水樣傾入帶濾膜的漏斗中過濾，最后用蒸餾水洗滌取樣量筒，使殘渣全部洗入漏斗中而不會丟失；4.過濾完畢取下漏斗中的濾膜，放在原稱量瓶內(nèi)，在103105烘箱內(nèi)烘干1h后取出放入干燥器中冷卻至室溫后稱重，反復(fù)烘干、冷卻、稱量，直至兩次稱量的重量差0.4mg。記錄重量A。四、數(shù)據(jù)處