用NaCl解决胶体絮凝问题的研究

曹 淼 周小荣 杨小全

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210098;2.河海大学水利水电工程学院 ,南京 210098)

胶体污染物是水资源污染物中比较有代表性的一种污染物.为了了解胶体污染物在水体中的存在、迁移和扩散规律,需要开展胶体污染物的输移规律研究.然而胶体在水体中普遍会发生絮凝的现象,会对胶体输移规律研究的试验观测及试验结果产生巨大的干扰,严重影响研究的结果与精度[1].在开展相关实验研究之前,采取必要手段对胶体进行预处理,以保证处理过的胶体在实验过程不出现絮凝现象,是精确研究胶体污染物输移规律的前提.Parkman在1997年曾经提出采用NaCl对胶体进行预处理的思想及基本思路[2],但没有进行深入的研究.为了验明NaCl在解决胶体絮凝问题中的可行性,利用NaCl进行了一系列胶体处理的实验.通过对实验结果的分析发现,利用NaCl处理胶体可以有效防止水中胶体的絮凝.

1 实验测量方法

选用高岭土作为试验胶体样品,利用DHZ-DA型恒温调速振荡仪作为振荡设备,LS13320型全自动激光粒径分析仪测量悬浊液粒径分布,梅特勒SG7型电导率仪用以测定溶液电导率进而确定NaCl浓度.

1.1 激光粒度分析仪测定结果的稳定性

激光粒度分析仪的稳定性对实验结果正确与否至关重要,为此,对同种胶体样本进行了多次测量,并对测量结果进行对比分析.图1为其中3次测量得出的样品粒径分布图,从中可以看出,激光粒度分析仪测量同一个样品所测得的粒径分布基本一致,且3次测量结果均方差仅为0.032%,由此可见,采用LS13320型全自动激光粒径分析仪测量胶体粒径分布具有很好的重现性,测定结果稳定可靠.

图1 同种胶体样品多次测量的粒径分布图

1.2 胶体原液的测定

实验采用高岭土作为胶体样品,实验前检测了胶体溶于水后自然状况下其粒径分布的变化.首先将25g高岭土溶解到1000 ml水中,充分搅拌,然后将其置入圆柱形玻璃器皿中静置,同时抽取一个样本.静置1h后,用玻璃棒将沉积下来的胶体溶液充分搅拌,再从圆柱形玻璃器皿中抽取一个样本,以此类推,后面的取样间隔时间分别为2 h、3h…,取3～5个溶液样本测量其粒径分布,观察溶胶的粒径分布变化.

分别抽取胶体溶于水后的初始时刻、1 h、2h、4.5 h和7h共5个时段的样本进行测量,并绘制随时间变化的胶体粒径分布图,如图2所示.经过与原始粉末状态下测得的高岭土粒径分布图,如图3所示.经比较可知,高岭土胶体溶解于水后其粒径分布不但随时间发生了明显的变化,而且变化无明显规律,絮凝现象十分显著.胶体在水体中发生絮凝的现象在自然界中普遍存在,以下通过进一步试验研究探索一种有效防治方法.

1.3 NaCl处理胶体溶液

先将58.5 g NaCl溶解到2000ml水中,充分搅拌,制成NaCl溶液;然后将50g高岭土加入NaCl溶液中,边加边用玻璃棒搅拌,待溶解完全后,得到NaCl与高岭土混合液.将装有混和液的烧瓶放到恒温调速振荡仪中,进行振荡,时间为24h,震荡完成后每隔一定时间进行一次漂洗(具体操作见2.3),同时抽取一个样本.多次漂洗之后,直至溶液中NaCl的浓度降低到一定的量并基本不再改变(通过测定溶液的电导率来确定),此时实验完成.测定不同时刻取得的溶液样本中胶体的粒径分布,对比分析不同时刻样本中胶体的粒径分布及其与粉末状态下的高岭土粒径分布的差异,研究利用NaCl防止水中胶体絮凝的可行性.并且在实验过程中通过对同一样本的多次测定分析了激光粒度分析仪在测定高岭土胶体粒径分布中的稳定性,通过震荡前后、漂洗前后的取样测定结果比较了震荡与否、漂洗与否对实验结果的影响,其实验流程见图4.

图4 利用NaCl预防胶体絮凝实验流程图

2 实验结果与分析

2.1 NaCl对胶体粒径分布的影响

图5为NaCl预处理实验中实验开始后1 h、3.5 h、48h、96h的观测结果,从图5可以看出,溶胶的粒径分布规律与高岭土粉末的粒径分布规律基本一致,如图2所示.

图5 用NaCl处理过的高岭土胶体在水溶液中随时间变化的粒径分布图

统计得到胶体在粉末状态下和NaCl预处理后实验中各时刻的中值粒径d50的值,见表1.可以发现NaCl预处理后1h、3.5h、48h、96h高岭土胶体溶液的中值粒径平均为1.9898 μ m,与高岭土粉末的d50 1.9839μ m非常接近,最大误差和最大相对误差分别为0.0853μ m和4.3%.NaCl预处理后4个时间测定结果的最大值与最小值相差0.148 8μ m,变化幅度很小.表明胶体溶液经NaCl处理后中值粒径d50值与粉末状态基本一致,胶体絮凝问题得到了很好的解决.

表1 溶胶的中值粒径

进一步计算高岭土粉末和胶体溶液的粒径分布中代表直径的累积量,表2列出了其中几个不同粒径对应的胶体累积含量.可以发现各特征粒径下NaCl处理过的高岭土溶液胶体粒径分布与常态下的高岭土粉末粒径分布变化很小,进一步表明胶体溶液中溶胶没有产生絮凝.由此可知,利用NaCl处理胶体溶液可以有效地防止溶于水后的胶体产生絮凝,保证了胶体在水中运动时的稳定性,且NaCl处理后并不会因为时间延续和胶体溶液中NaCl的浓度变化而发生较大改变,处理效果具有很好的稳定性.

表2 高岭土粉末和溶液中不同粒径的累积含量(%)

2.2 振荡对处理效果的影响

在本次实验中有两个重要的物理过程,分别是胶体溶液的振荡和对NaCl的漂洗去除.为了验证溶胶的粒径分布在振荡前后有没有发生大的变化,抽取了振荡前后的溶液样本进行了比对实验,并绘制高岭土胶体在溶液振荡前后的胶体粒径分布图,如图6所示.可以看出,振荡后高岭土胶体溶液中小粒径部分的含量有所增加,但震荡前后溶液中胶体的粒径分布趋势基本一致、变化幅度很小,且与高岭土胶体的粉末分布图差别很小.计算得出两组数据的均方误差为0.54%,说明振荡这一物理过程,并没有对胶体的粒径分布产生过大的影响.

图6 用NaCl处理高岭土胶体时在振荡前后胶体粒径分布图

2.3 处理胶体时漂洗NaCl前后胶体粒径的变化

利用NaCl处理胶体之后要将溶液中的NaCl除去,防止NaCl对进一步实验的结果产生不必要的影响.NaCl的漂洗是实验中一个重要步骤,具体操作方法是:将振荡好的溶液倒入大的玻璃器皿中,向其中加入适量的去离子水,静置到所有胶体都沉淀到容器底部时,将上层水倒出,之后再次加水、搅拌、静置,反复进行上述步骤,直至溶液中的NaCl的含量达到要求时,漂洗结束[3-5].

在漂洗NaCl的过程前后对胶体溶液分别取样并进行了比对试验,研究漂洗过程是否对胶体粒径分布产生影响.漂洗NaCl前后胶体的粒径分布如图7所示.

图7 用NaCl处理高岭土胶体时漂洗NaCl前后胶体粒径分布图

从图7可以看出在漂洗前后胶体粒径分布的变化很小,计算得出两组数据的均方误差为0.24%,且胶体在溶液中的粒径分布与高岭土粉末的粒径分布基本一致,这说明在漂洗NaCl过程中,高岭土胶体的粒径分布没有因为漂洗的发生和胶体溶液中NaCl的浓度变化而发生改变.

3 结 论

胶体在溶于水之后很容易产生絮凝,结果必然导致其物理性质发生变化,从而导致其在水中的运动及沉积过程发生改变,胶体的这一性质给研究胶体在河水中迁移的实验带来极大干扰.

以高岭土溶液胶体为代表,采用NaCl对胶体溶液进行处理后,处理后的溶液具有很好的稳定性.经NaCl处理的高岭土胶体溶液中的粒径分布与胶体粉末粒径分布的相对误差都在5%以内,处理后的胶体物理性质稳定,不再发生絮凝现象.处理过程中,胶体溶液的振荡、NaCl的漂洗对胶体粒径分布影响也很小,可见利用NaCl处理胶体是防止胶体溶于水后产生絮凝的一种有效方法.

[1] Brooks N H.Mechanics of Streams with M oveable Beds of Fine Sand[J].T rans.ASCE,1958,123:526-594(reprinted in classic Papers in Hydraulics,ASCE,1992: 541-609).

[2] Packman A I,Norman H Brooks,James J Morgan. Experimental Techniques for Laboratory Investigation of Clay Colloid Transport and Filtration in a Stream with a Sand Bed[J].Water,Air and Soil Pollution,1997,99: 113-122.

[3] Newman A C D.Chemistry of Clays and Clay Minerals [M].London:Mineralogical Society,1987:22-26.

[4] Packman A I,Brooks N H.Colloidal Particle Exchange Between Stream and Stream Bed in a Laboratory Flume [J].Marine and Freshwater Research,1995,46:233-236.

[5] Litton G M,Olson T M.Colloid Deposition Rates on Silica Bed Media and Artifacts Related to Collector Surface Preparation Methods[J].Environmental Science& Technology,1993,27:185-193.