張建鋒 楊長生 王曉昌 金同軌
（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市場工程學(xué)院，西安，710055）

　　摘 要：本文根據(jù)流動電位的測定原理及其與顆粒表面ζ電位的關(guān)系，通過一套簡單的裝置對幾種常用濾料的表面ζ電位進(jìn)行了測定，同時給出了測定的控制條件，并將測定結(jié)果與國外學(xué)者的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。
　　關(guān)鍵詞：流動電位，表面ζ電位，濾料

　　在給水處理中，過濾紙十分重要的處理單元，給水廠出水的衛(wèi)生安全與濾池的工作狀況有密工的關(guān)系。在過濾過程中濾料的性質(zhì)在一定程度上決定著濾池的過濾效率。因此，研究濾料顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)對于完善水處理技術(shù)和工藝是十分重要的。長期以來，關(guān)于濾料顆粒表面電位的作用和對過濾機(jī)理的影響得到了大多數(shù)研究者的認(rèn)可，但濾料顆粒表面電位的測定一直沒有得到很好的解決。本文根據(jù)顆粒流動電位與表面ζ電位的關(guān)系，通過一套簡單的裝置對幾種常用濾料的ζ電位進(jìn)行了測定。

1、原理

　　表面電位是描述固體顆粒表面特性的一個重要參數(shù)。根據(jù)膠體化學(xué)上的雙電層理論，ζ電位是膠體顆粒表面雙電層結(jié)構(gòu)中滑動面上的電位，見圖1所示。這個滑動面距顆粒表面非常近。ζ電位在數(shù)值上小于顆粒表面電位，但表面電位難于進(jìn)行精確的分析和測量。由于固體表面在理想的稀電解質(zhì)溶液條件下，ζ電位與表面電位具有一致性，因此一般均用ζ電位來表征膠體的表面電位。根據(jù)電泳的原理，一般常用微電泳議來測定水中膠體顆粒的ζ電位，但對于粒徑遠(yuǎn)大于膠體級的顆粒(如濾料)表面的ζ電位，采用電泳的方法是不現(xiàn)實的。

　　電滲是指在外電場作用下液體相對于帶電表面的移動現(xiàn)象，流動電位現(xiàn)象則是電摻的逆過程。當(dāng)液體受壓力作用通過毛細(xì)管時，靠近毛細(xì)管雙電層中的擴(kuò)散層帶著反電荷也跟著向管的一端流動，這樣便形成了流動電流Is。由于擴(kuò)散層的流動使電荷積聚，并因此而建立起一個電場。這個電場會導(dǎo)致液體體相中出現(xiàn)反向電流——電導(dǎo)電流Ic。當(dāng)Ic＝Is時。即建立穩(wěn)態(tài)平衡。此時在毛細(xì)管的兩端產(chǎn)生一個靜電電位，這就是流動電位。流動電位是液體所受外力的函數(shù)[1]。
　　在研究濾池的機(jī)理時，一般可以將由粒狀濾料隨機(jī)堆放而成的濾層的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)抽象為毛細(xì)管。因此，根據(jù)流動電位的原理，可以測定濾層中通過電解質(zhì)溶液時的流動電位。Hiemenz和Rajagopaian給出了產(chǎn)生流動電池的體系中流動電位與液體所受壓力的關(guān)系（2），即Smoluchowski方程式如下：

　　△E=(ζεε₀/4μπμ)△P　　　　　　(1)
　　式中：△E：流動電位的改變值(mv)；
　　　　　ζ：顆粒表面ζ電位(mv)；
　　　　　ε：電解質(zhì)溶液的相對介電常數(shù)(-)；
　　　　　ε₀：真空的絕對介電常數(shù)(F·cm^-1)：
　　　　　μ：電解質(zhì)溶液的粘性系數(shù)(g／(cm·s)；
　　　　　K：電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率(Ω^-1cm^-1；
　　　　　△P：與流動電位改變相對應(yīng)的單位長度濾層壓力差（g/(m^-3·s^-2))

　　將式(1)變換后有：

　　ζ=(4μπμK/εε₀)(△E/△P)　　　　　　(2)

　　因此，根據(jù)流動電位隨壓力差的變化，通過式(2)可求得濾料顆粒表面的ζ位。
　　必須指出，式(2)建立的關(guān)系的成立條件是顆?？障吨兴鞯牧鲬B(tài)必須是層流，以避免顆粒表面雙電層內(nèi)紊流及渦引起流動電位的波動。濾層中水流滿足層流的條件一般以雷諾數(shù)Re＜1.0作為判斷準(zhǔn)則，即滿足下式：

　　Re=Dυρ/6(1-e)μ＜1　　　　　(3)
　　式中: D：濾料粒徑(cm)
　　　　　υ：濾速(cm/s)
　　　　　ρ：水的密度(g/cm³)
　　　　　e：濾層空隙率(-)

　　根據(jù)式(3)確定的最大濾速所對應(yīng)的水頭損失

　　△H=△Z·K_k[μ(1-e)2/D²·e³](1/ρg)υ　　　　(4)
　　式中: △Z：濾層厚度(cm)
　　　　　K_K：系數(shù)
　　　　　g：重力加速度(cm／s²)

　　式(4)給出了滿足層流條件下濾層允許的最大水頭損失值，即在流動電位的測定過程中，水頭損失不能超過此值。例如，對于d10=0.9mm的石英砂濾料，在進(jìn)行流動電位測定時，每厘米濾層水頭損失不應(yīng)大于0.61cm。

2.流動電位測定裝置

　　流動電位測定裝置如圖2所示。整個測定裝置包括測樣槽、兩個電極、電位差計和一套測壓管裝置。
　　測樣槽采用有機(jī)玻璃管，管壁透明便于觀察樣品的堆積情況，避免在測樣時槽內(nèi)有氣泡、空腔而影響測定的準(zhǔn)確性。樣品槽長度為20cm，長度過短會因空隙中電解質(zhì)溶液流速波動引起讀數(shù)的漂移。樣品槽兩端的移動部分支撐著電極，并可在小范圍調(diào)整樣品室的體積，以確保兩電極間的樣品緊密均勻堆積，兩電極的檢測環(huán)境相同。
　　由40目銅絲網(wǎng)鍍銀后固定在多孔圓盤上構(gòu)成電極，極片與樣品槽軸線垂直。電極固定好后對極片進(jìn)行陽極化處理，即以銅片作陽極、電極片作陰極，在0.1NHCl溶液中通以5mA電流約1小時，然后將電極片投入10-4MKCl溶液中浸泡12小時，電極即處理完畢。

3.濾料顆粒表面ζ電位的測定

　　在測定流動電位時，必須注意以下幾方面：1)測定過程中樣品的體積不少于60ml；2)電解質(zhì)溶液的溫度必須精確測定：3)整個測定裝置與導(dǎo)體(泵、水管)絕緣，以避免電信號失真或偏移。測樣時流經(jīng)樣品槽的電解質(zhì)液體為10-2MKCl溶液和活性炭脫氯處理的市政自來水，以期得到在給定條件下以及實際生產(chǎn)中清潔濾料顆粒表面的ζ電位。
　　實驗選用的三種常用濾料的規(guī)格及性能參數(shù)如表1。

實驗材料的規(guī)格及性能參數(shù) 表1 類型 d10(cm) K60 當(dāng)量粒徑de(cm) 比表面積（cm2/g) 比重 球形度 產(chǎn)地 石英砂 0.91 1.22 1.10 26.38 2.65 0.78 福建晉江魯濱石英砂廠 陶粒 0.80 1.15 0.99 21.08 3.19 0.903 河南鞏義 無煙煤 0.89 1.51 1.21 38.32 1.50 0.774 河南鞏義

　　溶液以不同的濾速流經(jīng)樣品槽時產(chǎn)生不同的水頭損失，對應(yīng)每一個水頭損失都可測得一個流動電位值(見圖3)，將流動電位值隨水頭損失的變化率代入式(2)，計算得到濾料顆粒表面的ζ電位。

　　計算結(jié)果及有關(guān)文獻(xiàn)給出的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。
　　由計算結(jié)果可知，在脫氯自來水中無煙煤濾料的表面ζ電位最高，陶粒次之，石英砂濾料顆粒的表面ζ電位最低。石英砂濾料的測定結(jié)果與其他研究者的結(jié)果十分接近。而且在測定實驗中發(fā)現(xiàn)該裝置的重現(xiàn)性較好。

4.結(jié)語

　　基于流動電位原理來測定大粒徑顆粒表面ζ電位，這為在水處理領(lǐng)域中大粒徑顆粒表面性質(zhì)的研究提供了一種簡便、快捷的研究手段。例如，目前使用的快濾池在工作一段時間后必須進(jìn)行反沖洗，反沖洗后濾池的出水要經(jīng)過一個成熟期才‘能滿足水質(zhì)要求。濾池的成熟期一般持續(xù)1～2小時，與整個過濾周期相比時間較短。但由于濾池成熟期的出水水質(zhì)較差，對于整個處理過程出水水質(zhì)影響頗大，因此對于濾池成熟期的研究日益得到重視。從過濾機(jī)理來看，濾池成熟期的出水，即初濾水水質(zhì)與清潔濾料的表面電位有一定的關(guān)系。濾料顆粒表面ζ電位的測定將為研究過濾初期的機(jī)理和初濾水的工藝控制提供極大的幫助。同時，這項技術(shù)也可直接用于生物濾池中填料的表面性質(zhì)的研究[4]。

參考文獻(xiàn)

　　l. 胡紀(jì)華，楊兆椿，鄭忠編著，膠體與界面化學(xué)，華南理工大學(xué)出版社，1999。
　　2. H.范·奧爾芬著，許冀泉等譯，粘土膠體化學(xué)導(dǎo)論，農(nóng)業(yè)出版社，1982。
　　3.Truesdail,S.E.et al，Analysis of bacterial deposition on metal(hydr) oxide-coated sandfilter media.J.Colloid Interface Sci.,230，369-378.1998(2)
　　4.Truesdail, S.E. et al, Apparatus，for streaming potential measurerements on granular filter media.J.Environmental Engineering,1228-1232,1998(10)

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國家自然科學(xué)基金資助項目（批準(zhǔn)號：59778022）