高岭土絮凝体粒径变化实验研究

海 希，邵宇阳，2* ，张健玮，童朝锋

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；2.长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

在自然环境中，粘性细颗粒泥沙的絮凝过程往往受到多种因素的影响，诸如盐度、水流强度、悬沙浓度、温度及有机物等，各种因素对絮凝过程的影响机理不尽相同[1-2]。目前，粘性泥沙絮凝实验研究侧重单因素的影响规律，如陈邦林[3]通过实验得到长江口泥沙的最佳絮凝盐度为10～13 ppt之间，而蒋国俊和张志忠[4-5]则认为盐度在4～16 ppt之间时絮凝效果最好；有关水流对絮凝影响规律的研究，国外大都是利用搅拌等装置进行室内实验，所采用的紊动剪切率G较大，研究G较小(<27 s-1)时的絮凝情况的实验数据较少，且实验材料大多为纳米级颗粒，较少使用粘性泥沙。如，T.Serra等[6]以聚苯乙烯颗粒研究了水流对絮凝的影响; P.T.Spicer 等[7]通过搅拌罐产生水流研究了水流剪切作用对絮凝的影响。他们得到相似的结论：低强度水流促进颗粒絮凝，高强度水流阻碍颗粒絮凝。W.P.He等[8]则以高岭土为对象，研究了低剪切强度水流对絮团结构的影响规律，研究结果表明：低强度水流对絮团结构的影响较弱。国内对于紊动的研究较少，且侧重利用天然泥沙进行实验，武道吉等[9]指出，当水流紊动达到某个尺度时，粘性泥沙的絮凝最显著，阮文杰[10]采用长江口天然水体的实验研究结果表明: 当流速大于某值时，泥沙絮团沉速将变慢，并据此提出了动水临界流速的概念。朱中凡等[11]的高岭土动水絮凝实验结果表明，泥沙絮团最大粒径与水流紊动强度相关，且呈反比；悬沙浓度决定了絮凝过程中粘性泥沙的总量，室内实验结果表明，悬沙浓度越大，泥沙絮凝作用越强，沉降越快[12]，但这种规律仅适用于低浓度。当悬沙浓度超过某一极限浓度时，悬沙浓度的促进作用会变得不明显，甚至会出现阻碍作用[13]。

但是，天然环境下泥沙絮凝一般受到多因素综合作用。因此，为了研究粘性细颗粒泥沙絮凝体粒径变化，本文选择室内实验的方法，结合LISST及OBS等目前世界上先进的仪器探究盐度、紊动剪切率及悬沙浓度三种因素耦合作用下对絮凝体有效粒径分布的影响。

1 实验设备与方法

1.1 实验装置介绍

图1 实验装置简图及其尺寸标注(单位：cm)Fig.1 Experimental device sketch and dimensioning

为了便于LISST及ADV(Acoustic Doppler Velocity简称ADV)等仪器的测量，在前人基础上，本文设计的实验装置为高158 cm，直径为77 cm的圆柱形水箱，如图1所示。水箱外部由有机玻璃制成，水箱内水体的紊动由其轴心处放置的高130 cm，直径41.25 cm的叶片转动来完成，转速由一个与其相连的马达控制。

实验时，首先利用SonTek公司生产的声学多普勒流速仪(ADV，工作频率为20 Hz)测量水箱内测量点位置附近的水流特性，并计算实验水箱内紊动剪切率G，计算方法见下文公式(1)。当测量水体中悬沙浓度变化时，使用Campbell Scientific Inc.生产的光学后向散射浊度仪(Optical Backscatter Sensor 3+，简称OBS 3+)进行测量，水体中絮凝体的粒径分布由美国SEQUOIA公司的现场激光粒度仪LISST-100(C型)进行测定。

1.2 实验分析方法

Camp和Stein[14]提出紊动剪切率和湍流耗散率之间的关系为

(1)

式中：v为水的动力粘滞系数，在本文中取为1.516×10-6m2/s；ε为湍流耗散率。

对于充分发展的湍流边界层，湍流在大尺度的能量输入与在小尺度的粘性耗散处于平衡，可以得到一维的湍流能谱如下式

(2)

式中：Eii(k)为第i个流速分量在波数k的能谱密度(i=1,2,3)，ε为湍流动能耗散率,αi为一维Kolmogorov常数，i=1对应于主流方向，i=2,3对应于与主流垂直的另外两个流速分量。根据实验确定α1=0.53，α2=α3=(4/3)α1=0.71。

本文所用的观测资料为单点流速的时间序列，需要将湍流频率谱转化为波数谱。当kEii(k)/U2<<1时，波数k的湍涡的时间尺度远小于对流时间尺度，可以利用“Taylor冰冻湍流假设”将流速频率谱转化为波数谱

(3)

kEii(k)=fEii(f)

(4)

式中：f为频率，U为平均对流速度(即平均流速)。

由此，可以得到湍流耗散率的表达式为

(5)

其中，上横线表示在惯性副区内取平均值[15-16]。

本文采用有效粒径法对高岭土絮凝体粒径进行分析，计算公式如下

DM=(D16+D50+D84)/3

(6)

式中：DM为絮凝体有效粒径，D16、D50、D84分别为累计体积百分比中小于16%、50%、84%的粒径。

1.3 实验组次设计

本文的实验组次设计如表1所示，表2为转速与紊动剪切率G对应关系

图2 OBS电压输出值与水样泥沙 浓度率定图Fig.2 OBS voltage output value and sample sediment concentration

影响因子参数单位悬沙浓度0.080.100.130.19g/L盐度00.512ppt转速510152025303540rpm

表2 转速与紊动剪切率对应关系Tab.2 Correspondence between rotational speed and turbulent shear rate

2 实验结果与讨论

实验开始前，利用与OBS 3+测量位置同一高度水箱侧面取水样对OBS 3+进行率定，结果如图2所示，相关系数R2的值为0.984 6，相关度高，因而OBS 3+仪器可以准确测量水体中泥沙浓度。

实验中，采用中值粒径D50=2.54 μm的高岭土，步骤如下：(1)按G-盐度-浓度的调整顺序(悬沙浓度调整前，水箱清空，重新开始)，根据组次设计，配置实验，开始搅拌；(2)等待45 min，即粘性细颗粒泥沙絮凝稳定后，开始测量工作。(3)将实验用到的测量设备LISST及OBS 3+放置于实验水箱内(如图1所示)；(4)测量工作进行5 min，期间， LISST记录絮凝体的粒径分布情况及絮凝体的总体积浓度(TVC)，OBS 3+记录水体中絮凝体浓度；(5)测量工作结束后，将LISST取出，OBS 3+则一直放置于水箱内；(6)根据下一实验组次，调节水流流速梯度，配制水箱中的盐度、悬沙浓度，重复(2)～(5)步骤，开展下一组实验。

2.1 各因子对高岭土絮凝体粒径的影响

根据图3中所示粒径分布，可以观察到以下现象：图左“翘起”现象，表明未絮凝高岭土颗粒占较大比重；低浓度(SSC1=0.08 g/L，SSC2=0.10 g/L)时(Suspended Sediment Concentrations简称SSC)，各流速梯度下，高盐度(1、2 ppt)对絮凝体粒径增大效果比低盐度(0、0.5 ppt)好；SSC3=0.13 g/L时，各流速梯度下，盐度对絮凝促进效果明显，随着盐度的进一步增大，促进放缓；SSC4=0.19 g/L时，转速低于20 rpm(即G<34.72 s-1)时，2 ppt盐度对絮凝体有效粒径增大作用较为明显，其它情况下对絮凝体有效粒径的增大作用不显著。

3-a SSC1=0.08 g/L、5 rpm 3-b SSC2=0.10 g/L、40 rpm

3-c SSC3=0.13 g/L、35 rpm 3-d SSC4=0.19 g/L、20 rpm图3 絮凝体粒径与其所占体积百分比关系图Fig.3 Floc size and volume percentage

如图4所示，在浓度为SSC1=0.08 g/L ，SSC2=0.10 g/L、SSC3=0.13 g/L，高盐度(1、2 ppt)下，紊动剪切率对絮凝体有效粒径影响表现为：G越小，有效粒径越大；低盐度(0、0.5 ppt)下，临界值在15～20 rpm(G为23.09～34.72 s-1)之间，此时，紊动对絮凝体有效粒径增大效果最明显；浓度为SSC4=0.19 g/L时，各盐度下，紊动剪切率对絮凝体有效粒径变化产生的影响不明显。

4-a SSC1=0.08 g/L、0.5 ppt 4-b SSC1=0.08 g/L、1 ppt

4-c SSC3=0.13 g/L、1 ppt 4-d SSC4=0.19 g/L、2 ppt图4 絮凝体粒径与其所占体积百分比关系图Fig.4 Floc size and volume percentage

在图5中，低盐度(0、0.5 ppt)时，紊动剪切率相同的情况下，各浓度梯度下的絮凝体有效粒径并无太大变化；高盐度(1、2 ppt)时，各流速梯度下，各悬沙浓度下的絮凝体有效粒径开始产生变化，浓度0.08 g/L时有效粒径最大，其它3种浓度下差别不大。

5-a 15 rpm、0.5 ppt 5-b 40 rpm、2 ppt图5 絮凝体粒径与其所占体积百分比关系图Fig.5 Floc size and volume percentage

最后，将部分实验组次所得有效粒径DM列于表3，表中数据与上述图中分析所得结论互为参照，以供参考。

表3 部分试验组次下高岭土絮凝体有效粒径表Tab.3 Effective particle sizeTable of kaolin flocs under some test groups μm

2.2 分析与讨论

絮凝体粒径变化与盐度、紊流及悬沙浓度三者是耦合关系，3种因素相互影响，使得絮凝体的粒径变化表现出较为复杂的现象。

盐度会对高岭土絮凝体的粒径变化产生促进作用。在1 ppt盐度时，絮凝体的粒径开始发生明显变化，且在SSC1=0.08 g/L浓度下，2 ppt与1 ppt相比，对絮凝体的絮凝效果并未产生太大影响，对此，本文认为1 ppt左右即达到了SSC1=0.08 g/L浓度下的絮凝饱和盐度。根据DLVO理论，由于盐度的增加，双电子层受到压缩，静电力减小，势垒减小，颗粒开始絮凝。低浓度(SSC1=0.08 g/L，SSC2=0.10 g/L)下，低盐度(0、0.5 ppt)对高岭土颗粒表面电位的减小效果较小，双电子层所受压缩程度小，絮凝效果不明显；随着盐度增大到1 ppt，高岭土颗粒表面电位减小效果明显，双电子层受到压缩，将有一部分动能较大的颗粒越过势垒，絮凝效果得到明显增加；高浓度(SSC3=0.13 g/L，SSC4=0.19 g/L)时，随着悬沙浓度的增加，需要更高的盐度才能使得高岭土颗粒表面电位产生较明显的减小，并使得势垒产生明显减小。本次实验设置的盐度梯度暂未达到其它3种悬沙浓度下的絮凝饱和盐度。

紊动剪切率对絮凝体粒径的影响规律与前人基本相同，即存在一个临界G值在23.09～34.72 s-1之间，此时，对絮凝促进效果最好，低于这个值时，对絮团粒径影响不大，高于这个值时，随着G的增大，解絮作用在高岭土絮凝过程中占主导作用，对絮凝促进效果逐渐减弱。与乔光全[17]的高岭土实验对比，临界G(乔为20.8 s-1)的取值稍大，可能与本次实验所选土样粒径偏小(乔d50=3.93 μm，本文d50=2.54 μm)，以及受其它2种因子耦合作用有关。

悬沙浓度对高岭土絮凝体的影响表现为：低盐度(0、0.5 ppt)时，悬沙浓度对絮凝体粒径变化影响不大；高盐度(1、2 ppt)时，浓度0.08 g/L时絮凝体有效粒径最大，其它3种浓度下变化不大。而根据碰撞理论，悬沙浓度高，其中的絮凝体颗粒较多，碰撞几率更大，则絮凝体粒径也更大。对于该实验结果，低盐度时，文章设置的悬沙浓度梯度内并未能明显改变絮凝体粒径；而当处在高盐度时，低悬沙浓度的实验组次得到的絮凝体粒径较高浓度下的组次要大。结合DLVO理论，相较于高悬沙浓度，浓度低时，絮凝体颗粒较少，盐度的增加使得低悬沙浓度下的絮凝体颗粒表面的双电子层压缩得更小，更加容易发生絮凝作用，絮凝体的粒径也更大。

3 结论与展望

本文选取中值粒径为2.54 μm的高岭土为研究对象，开展了不同水流紊动环境下动水实验，利用现场激光粒度分析仪对不改变泥沙所处环境下形成的絮凝体进行观测，研究了悬沙浓度、盐度、紊动剪切率3个影响因子耦合作用下对絮凝体粒径分布的影响。根据实验结果得到以下结论：

(1)盐度的增加会使絮凝体的有效粒径DM增大，存在一个饱和盐度(浓度0.08 g/L时为1 ppt)，且随着悬沙浓度的增大而增大，超过这个值时，絮凝体有效粒径变化趋于平缓；

(2)紊动剪切率小时，对絮团粒径影响不大，达到临界值(23.09～34.72 s-1)时，紊动会促进絮凝，且随着G的增大，解絮作用逐渐占据主导地位。当泥沙增大浓度时，会抑制这种促进效果；并且，悬沙浓度超过0.08 g/L时，浓度的增大使得絮凝体的有效粒径DM减小。

本次实验选取悬沙浓度及盐度变化范围内低悬沙浓度对絮团粒径的促进作用不明显，且对临界G的探讨还不够完善。未来需要加入更多的影响因子，更加细致完善的研究多因子耦合作用下对絮凝体粒径分布的影响。