自由沉淀实验(2)

实验一 颗粒自由沉淀实验

一、实验目的

1.加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解。

2.掌握颗粒自由沉淀的实验方法，并能对实验数据进行分析、整理，计算和绘制颗粒自由沉淀曲线。

二、实验原理

沉淀是水污染控制中用以去除水中杂质的常用方法。根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀通常可以分成四种不同的类型：自由沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀、压缩沉淀。

浓度较稀的、粒状颗粒的沉降称为自由沉淀，其特点是在静沉过程中颗粒互不干扰、等速下沉，其沉淀在层流区符合Stokes(斯托克斯)公式。但是由于水中颗粒的复杂性，颗粒粒径、颗粒密度很难或无法准确地测定，因而沉淀效果、特性无法通过公式求得而是通过静沉实验确定。

由于自由沉淀时颗粒是等速下沉，下沉速度与沉淀高度无关，因而自由沉淀可在一般沉淀柱内进行，但其直径应该足够大，一般应使D≥100mm ，以免沉淀颗粒受柱壁的干扰。

自由沉淀所反映的一般是沙砾、河流等的沉淀特点。具有大小不同颗粒的悬浮物静沉总去除率E 与截留速度u 0、颗粒质量分数的关系如下：

dp u ui P E p ⎰+-=0

01)1( (1-1)

式中 E ——总沉淀效率；

P 0——沉速小于u i 的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的百分数；

1-P 0——沉速大于或等于u i 的颗粒去除百分数； u i ——某一指定颗粒的最小沉降速度；

u ——小于最小沉降速度u i 的颗粒沉速。

公式推导如下：

设在水深为H 的沉淀柱内进行自由沉淀实验。实验开始，沉

淀时间为0，此时沉淀柱内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒的数量与粒径的组成相同，悬浮物浓度为C 0(mg/L)，此时去除率E=0。

实验开始后，不同沉淀时间t i ，颗粒最小沉淀速度u i 相应为

u i ＝

i

t H

（1-2） u i 此即为t i 时间内从水面下沉到取样点的最小颗粒d i 所具有

图1－1 自由沉淀实验示意

的沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为C i ，未被去除之颗粒即示意d

取样口

u i u

P i =

C C i

（1-3） 因此，被去除的颗粒(粒径d≥d i )所占比例为

E 0=1－P i （1-4）

实际上沉淀时间t i 内，由水中沉至池底的颗粒是由两部分颗粒组成。即沉速u≥u i 的那一部分颗粒能全部沉至池底；除此之外，颗粒沉速u

沉速u

为了推求其计算式，我们绘制P ～u 关系曲线，其横坐标为颗粒沉速u ，纵坐标为未被去除颗粒的百分比P ，如图所示。

由图中可见

ΔP = P 1-P 2 =

01C C －02C C = 0

2

1C C C (1-4) 故ΔP 是当选择的颗粒沉速由u 1降至u 2时，整

个水中所能多去除的那部分颗粒的去除率，也就是所选择的要去除的颗粒粒径由d 1减到d 2时水中所能多去除的，即粒径在d 1～d 2间的那部分颗粒所占的百分比。因此当ΔP 间隔无限小时，则dP 代表了直径为小于di 的某一粒径d 的颗粒占全部颗粒的百分比。这些颗粒能沉至池底的条件，应是在水中某

图1－2 P ～u 关系曲线 点沉至池底所用的时间，必须等于或小于具有沉速

为u i 的颗粒由水面沉至池底所用的时间，即应满足

x u x ≤i u H

即 x≤i

x u Hu (1-5) 由于颗粒均匀分布，又为等速沉淀，故沉速u x

H

x

，如图1-1所示，而

H x =i

x u u (1-6) 此即为同一粒径颗粒的去除率。取u 0=u i ，且为设计选用的颗粒沉速；u s =u x ，则有

i x u u = 0

u u

s (1-7)

由上述分析可见，dP s 反映了具有沉速u s 的颗粒占全部颗粒的百分比，而

u u s

则反映了在设计沉速为u 0的前提下，具有沉速u s (

u u s

dP 正是反映了在设计沉速为u 0时，具有沉速为u s (

⎰

。 故颗粒的去除率为：

E = (1-P 0) +

dp u u p s

⎰

(1-8) 工程中常用下式计算：

E = (1-P 0) +

u Pu

s

∑∆ (1-9)

三、实验仪器与装置

1. 自由沉淀装置（沉淀柱，储水箱，水泵空压机），如图1－3；

2. 计时用秒表或手表；

3. 100ml 量筒、移液管、玻璃棒、瓷盘等；

4. 悬浮物定量分析所需设备：电子天平、带盖称量瓶、干燥皿、烘箱、抽滤装置、定量滤纸等；

5. 水样可用煤气洗涤污水、轧钢污水、天然河水或人工配制水样。

图1－3 颗粒自由沉淀实验装置

四、实验步骤