新型絮凝反应器处理高岭土悬浮液的实验研究＊

冯 颖，郑延鹏，宋 涛

（1. 沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142； 2. 内蒙古亿利化学工业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

开发应用

新型絮凝反应器处理高岭土悬浮液的实验研究＊

冯 颖1，郑延鹏1，宋 涛2

（1. 沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142； 2. 内蒙古亿利化学工业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

根据絮凝原理设计制造了新型絮凝反应器，并建立了连续絮凝实验装置。以液体透光值为指标，考察了在室温（25 ℃）和不同进液流量下处理高岭土悬浮液的效果。结果表明，该反应器可以在室温下达到较好的絮凝澄清效果，处理液透光值均达到120以上，节省了传统絮凝操作中需要加热所造成的能耗。综合考虑澄清效果和处理效率，确定进液流量为60 L/h较为适宜。

絮凝； 反应器； 悬浮液； 透光值

絮凝作为一种有效的固液两相分离技术已广泛应用于水质净化、矿物分离、废漆处理、糖蜜和蛋白质的回收、酿酒和果汁加工、中药液净化除杂等多个领域[1-4]。影响絮凝效果的因素复杂繁多，如温度、絮凝剂种类和用量、溶液pH值、反应水力条件等[5，6]。

已有研究表明[7，8]，将液体加热到适当温度能增加颗粒间的碰撞几率，从而提高絮凝效率和效果，但这样会造成能量的消耗，并使操作过程更加复杂。

本文自行设计了新型絮凝反应器，其内部扰流构件可以增强反应器内液体的传质及颗粒的撞击，起到强化絮凝的作用。利用该反应器研究了在室温下（25 ℃）絮凝悬浮液的效果，并考察了不同进液流量的影响，拟实现高效率、低能耗的絮凝操作。

1 实验部分

1.1 实验用悬浮液

以浓度为1 000 mg/L的高岭土悬浮液为原液。使用精度为0.1 mg的电子天平精确称取3g高岭土，溶于3 L自来水中，充分搅拌均匀后进行实验。原液储存使用带搅拌装置的水槽，保证在实验过程中高岭土颗粒在水中呈悬浮状态。

1.2 试验用絮凝剂

以聚合氯化铝（PAC）为絮凝剂。PAC为黄棕色粉末，易溶于水，称取聚合氯化铝粉末1 g，溶于100 mL水中，配置成浓度为10 g/L的絮凝剂溶液备用。

1.3 实验装置和流程

实验流程如图1所示。反应器操作为连续进液、连续排液。根据实验条件将配制好的悬浊液和混凝

药剂加入储槽中，分别通过增压泵和蠕动泵从反应器底部输入悬浊液和混凝剂。通过改变泵的转速变换实验条件，但要悬浊液和混凝剂溶液的配比始终保持不变。实验在室温下进行，不需要加热或保温设备。实验过程中需要在反应器内多个位置取样分析，取样时，利用吸管从不同位置抽取样液约20 mL进行透光值测试。

图1 絮凝实验流程图Fig.1 The flow chart of the experiments with flocculation

实验流程中的主要设备是 6所示的絮凝反应器，该反应器是根据絮凝机理自行设计制造的。反应器从结构上分为内管、外管和外筒三部分，在内管内部及内、外管之间均设有扰流构件，其作用是使流体在反应器内流动过程中形成微涡旋，促进絮凝剂与悬浮液的混合，加剧颗粒间的碰撞，从而提高絮凝澄清效果。絮凝器内采样点分布如图2所示，依次沿流体运动途径选取。取样后立即进行透光值的测量，所用仪器为U-2800型紫外/可见分光光度计。

图2 絮凝反应器内采样点分布Fig.2 The sampling point distributions of the flocculation reactor

2 结果与讨论

2.1 间歇实验

间歇实验的主要目的是确定最佳絮凝剂用量，操作斱法如下。取16支相同的容积为50 mL的试管，向各试管中均加入20 mL配制好的高岭土悬浊液，然后分别向16支试管中加入0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.1、0.15、0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4、1.6 mL絮凝剂溶液。反复颠倒试管，待絮凝剂与原水充分混合接触后，将试管静置，观察试管中变化，并记录现象。当絮团完全沉降后，取试管中的上清液于比色皿中，测试管中上清液的透光值。实验结果如图3所示。

图3 不同絮凝剂用量对澄清效果的影响Fig.3 The influence of clarifying effects on the different dosage of flocculat

由图可知，随着絮凝剂用量的增加，上清液的透光值呈现先增大后减小的趋势，在絮凝剂用量为0.2 mL到0.5 mL时反应效果较好。这是因为在絮凝剂用量小于0.2 mL时，溶液中电解出的Al3+量较少，不足以使悬浮的固体颗粒完全脱稳，影响其团聚成较大颗粒，同时吸附架桥、卷扫网捕等作用也较弱。而当絮凝剂用量过大时，则会使胶粒的吸附面均被无机PAC高分子覆盖，两胶粒接近时，就受到高分子之间的相互排斥而不能聚集，产生“胶体保护”作用，使絮凝效果下降，甚至重新稳定；另外，生成的絮团松散，不密实，不易沉淀。考虑到经济的合理性，在实验范围内，确定每20 mL高岭土溶液使用0.2 mL聚合氯化铝溶液为最佳絮凝剂用量。

2.2 连续实验

采用图2所示的实验装置考察以连续操作斱式絮凝悬浮液的处理效果。将高岭土溶液分别以75、60、45、30、15（L/h）的进液流量泵入反应器，根据间歇实验结论，与之相对应的絮凝剂流量分别为125、60、45、30、15（mL/min）。为了考察反应器内不同位置的溶液状态，在反应器内取若干个采样点。当反应器进入稳定连续工作状态后，用胶管吸取采样点处样液约20 mL，不经静置，立即用分光光度计测量样品透光值，结果如图4所示。

由图4可知，不同进液流量下各取样点的透光值都呈现出大致相同的趋势，随着液体在反应器内的流动，液体透光值逐渐增大，在溢流口附近达到最大值。其中取样点1为反应器进口位置，此处各实验条件下液体透光值基本相同。取样点2、3、4、

5处测量值基本保持不变，且溶液较浑浊，这是因为反应器内管及外管进液处主要发生的是悬浮液与絮凝剂的混合、悬浮颗粒表面脱稳、微絮团形成等反应，并未发生明显的絮团沉淀和澄清。取样点6和7处样品透光值显著增大，这是因为在内管和外管之间，由于流通面积大于内管，流体流速减小，且由扰流构件形成的涡旋尺度增大，强度减弱，所以更有利于微絮团聚集成较大絮团，发生澄清沉降。取样点7和8之间是外筒空间，在此位置仅依靠絮团与水之间的密度差发生重力沉降，因此透光值有所增加但并不显著。

图4 不同进液流量下各取样点的透光值Fig. 4 The light of each sampling point under the different liquid flow

另外，在实验考察的流量范围内，在室温下溢流液都可以达到较好的混凝澄清效果，透光值均达到120以上。进液流量较小，可得到较大的透光值。这一现象在流量为15 L/h时最为明显，其出液透光值达到155。但流量在30 L/h至75 L/h时，混凝效果的提高并不明显。综合考虑处理效率等因素，选择进液流量为60 L/h较为适宜。

取少量反应器内沉积物涂置于光滑载玻片上，自然风干，用显微镜观察到的絮体结构如图5所示。由图可见，聚合氯化铝絮凝高岭土悬浮液生成的絮体呈云状，结构均匀、密实而厚大。

3 结 论

（1）利用聚合氯化铝絮凝高岭土悬浮液时，絮凝剂用量对处理效果有显著影响，用量过大或过小均不能得到澄清的处理液，最佳絮凝剂用量为每20 mL悬浮液使用0.2 mL絮凝剂溶液。

图5 絮体显微照片（X10）Fig. 5 The micrograph of flocculation (×10)

（2）利用新型结构的絮凝反应器及其连续实验装置可以在室温下（25 ℃）较好的絮凝悬浮液，溢流液透光值均达到120以上。反应器内管以液体间的混合、颗粒碰撞和微絮体形成为主；显著的沉淀澄清发生在内管和外管之间。

（3）随着进液流量的增加，溢流液透光值有所降低。但流量在30 L/h至75 L/h时，混凝效果的提高并不明显。综合考虑处理效率等因素，选择进液流量为60 L/h较为适宜。

［1］张忠国，康勇，冯颖,等.絮凝技术在中药提纯中的应用[J].化学工业与工程,2003,20(6)377-384.

［2］唐丼群，梁斌珺，黄东,等.选矿中絮凝剂的应用[J].湖南有色金属,2012,26(6)10-12.

［3］林进妹，潘裕添，郭媛丼,等.壳聚糖在荔枝果汁研制上得应用研究[J].漳州师范学院学报（自然科学版），2005(3):105-110.

［4］宋志伟，架兆坤.新型复合聚铁硅絮凝剂处理生活污水的研究[J].环境污染治理技术与设备，2004，5(10):60-63.

［5］常青.水处理絮凝学[M],北京:化学工业出版社,2003-04.

［6］魏巧莲.中药提取液絮凝流体动力学的研究[D]. 天津:天津大学,2005.

［7］张建伟,王中原,范红伟. 中药水提液的絮凝和选择性絮凝[J].中草药, 2006,37(8):1271-1275.

［8］冯颖, 张天阳. 壳聚糖絮凝中药水提液的温度效应[J]. 沈阳化工大学学报, 2012,26(3):206-209.

Experimental Study on the Treatment of Kaolin Suspension by a New Type of Flocculation Reactor

FENG Ying1, ZHENG Yan-peng1, SONG Tao2
（1. School of energy and power engineering, Shenyang university of chemical technology, Liaoning Shenyang 110142，China；2. Inner Mongolia Yili Chemical Industry Limited company, Inner Mongolia Ordos 014300，China）

A new type of flocculation reactor was designed and manufactured based on the flocculation theory, and Continuous flocculation experiment device was established. The treatment effect of Kaolin suspension at room temperature（25 ℃）and different inlet flow were investigated taking transmission value as evaluating indicator. It was showed by results that good flocculation clarification effect could be achieved at room temperature using this reactor, the transmission values of fluid were all above 120, which Save the energy consumption of heating caused by the traditional flocculation operation. Considering the clarification effect and treatment efficiency, the proper liquid flow rate was 60 L/h.

Flocculation; Reactor; Suspension; Transmission value

TQ 052

A

1671-0460（2013）09-1927-03

辽宁省教育厅项目，项目编号：L2012138

2013-03-07

冯颖（1975－），女，辽宁沈阳人，副教授，博士学位，2005年毕业于天津大学化工过程机械专业，研究方向水处理技术。E-mail：fengy75@163.com。