李 星 張正磊
（哈爾濱建筑大學(xué)） （山東省城市建設(shè)學(xué)校）
齊文明
（深圳市龍崗德興房地產(chǎn)開發(fā)公司）

　　摘 要：對(duì)顆粒物質(zhì)的分散和破碎過(guò)程很少進(jìn)行研究。本研究利用一種全新的顆粒在線檢測(cè)技術(shù)——透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)不同組成的顆粒物質(zhì)在水中破碎的過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明該技術(shù)可詳細(xì)地描述出顆粒物質(zhì)的破碎情況，具有很大的實(shí)用價(jià)值，從而發(fā)展出一種用于顆粒物質(zhì)破碎或分散過(guò)程的全新在線檢測(cè)方法和手段。
　　關(guān)鍵詞：透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)；顆粒破碎；在線檢測(cè)

Study of Granule Dispersion and Breakup Process
with On-line Monitoring Technique
Li Xing¹ Zhang Zheng-lei² Qi Wen-ming³

（1．School of Municipal & Environmental Engineering, Harbin University of Civil Engineering & architecture, Harbin 150090,China; 2．Shandong Urban Construction School, jinan 250014,China; 3．Shenzhen L.G. De-xing RealEstate Development Co., Shenzhen 518001, China）

　　ABSTRACT:There is few study on granule dispersion and breakup process. A on-line particle monitoring technique, the technique of transmitted light fluctuation, is developed to monitor the dispersion and breakup process in water medium of the granule with different composition in this article. The results show that the technique can describe the granule dispersion and breakup process in detail. This develops a fully new on-line method and way of monitoring granule dispersion and breakup process, and are of great significance on applications.
　　Key words: technique of transmitted light fluctuation, granule dispersion and breakup, on-line monitoring.

0. 簡(jiǎn)介

　　在水處理領(lǐng)域中，一般多考慮水中顆粒物質(zhì)的凝聚或絮凝過(guò)程。在長(zhǎng)期的研究和實(shí)際應(yīng)用中，已發(fā)現(xiàn)和使用了多種測(cè)定方法和檢測(cè)手段。其逆過(guò)程的散凝、分散或破碎過(guò)程，則研究的相對(duì)較少，檢測(cè)手段和測(cè)定方法不多。分散或破碎現(xiàn)象普遍存在于各種實(shí)際過(guò)程中，在有剪切力的條件下，含有顆粒物質(zhì)的液體中會(huì)同時(shí)存在聚集和分散的兩種過(guò)程，只是由于控制了不同階段的剪切力使得水處理過(guò)程中凝聚或絮凝過(guò)程等占主要地位。但在許多條件下，顆粒破碎、分解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。在某些應(yīng)用中，要考慮顆粒在水中的溶解、分散過(guò)程，而用一般的檢測(cè)方法對(duì)該過(guò)程進(jìn)行快速、連續(xù)地檢測(cè)分析有相當(dāng)大的困難。透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是一種全新的可以反映顆粒聚集狀態(tài)的在線檢測(cè)技術(shù)，利用該技術(shù)對(duì)不同組成成分的顆粒物質(zhì)在水中破碎和分散情況進(jìn)行檢測(cè)，從而發(fā)展出一種用于顆粒物質(zhì)破碎或溶解過(guò)程的全新在線檢測(cè)技術(shù)^[1]。

1. 透光脈動(dòng)檢測(cè)原理

　　在有懸浮液流動(dòng)的管狀器皿兩側(cè)分別設(shè)置光源和檢測(cè)器，如圖1（a）所示，當(dāng)一束光線透射過(guò)含有顆粒物質(zhì)的懸浮液時(shí)，光束照射到體積中的顆粒數(shù)量是隨機(jī)變化的，透射光強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化，會(huì)觀察到圖1（b）所示的透射光強(qiáng)度的脈動(dòng)現(xiàn)象^[2]。檢測(cè)器輸出的帶有脈動(dòng)現(xiàn)象的透射光強(qiáng)度信號(hào)可以看成由兩部分組成，一部分為直流成分（V_dc值），相當(dāng)于平均透射光強(qiáng)度（V值）；V_dc值值在相當(dāng)程度上可以反映相對(duì)濁度值及變化程度。另一部分是非常小的脈動(dòng)成分（V_ac值），相當(dāng)于顆粒數(shù)隨機(jī)變化程度（V_R值）。將信號(hào)的脈動(dòng)成分分離，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以得到反映脈動(dòng)程度的表達(dá)式。如假定光束在懸浮液中的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，光束有效截面積為A，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得到如下比值形式的表達(dá)式：

　　　　　　　　　　　R=V_R/V=(L/A)^0.5.(N/C²)^0.5 (1)

　　R為檢測(cè)儀的輸出值，可表示顆粒相對(duì)粒徑及變化趨勢(shì)。從式（1）可看到，對(duì)于固定的檢測(cè)儀器，L／A值不變，由于顆粒在破碎工程中的光散射特性基本不變，所以R值可以反映出相對(duì)顆粒數(shù)量，并與顆粒濃度的平方根成正比。在其他研究中通過(guò)顯微照相結(jié)果的平行對(duì)比表明，R值的確與絮凝體顆粒濃度及其變化趨勢(shì)呈良好的相關(guān)性，可直接用R值表示顆粒的相對(duì)大小和變化趨勢(shì)。因此本研究中僅用R值來(lái)考察顆粒分散和破碎的變化情況。
　　為便于在實(shí)際中進(jìn)行測(cè)定，對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得根據(jù)測(cè)定的V_dc值和R值，就可得到顆粒濃度的相對(duì)數(shù)值及其變化情況^[3]。經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到如下的表達(dá)式：

　　　　　　　　　　　E/R=ln(V₀/V)/(V_R/V)=(L/A)^0.5.N^0.5 （2）

　　E=ln(V₀／V)為吸光度，取決于顆粒的散射表面積和數(shù)量濃度，可由DC值換算得到；其中V₀為潔凈水的V_dc值。由于L／A是一個(gè)固定不變的值，則E／R值與顆粒濃度平方根成正比，如式（2）所示。盡管在公式推導(dǎo)時(shí)僅限于均相懸浮液，但對(duì)有顆粒粒徑分布的實(shí)際懸浮液，R值仍是顯示分散或破碎程度的有效指標(biāo)。

　　由于存在各種不定因素，用此方法不易得到絕對(duì)的顆粒濃度，因而，采取一個(gè)“相對(duì)數(shù)目”值來(lái)表達(dá)，用1000×（E/R)²表示就可得到一個(gè)適宜的數(shù)值坐標(biāo)，對(duì)不同樣品的相對(duì)顆粒數(shù)目進(jìn)行表示和對(duì)比，會(huì)更容易和直觀。

2. 顆粒樣品及試驗(yàn)過(guò)程

　　對(duì)兩種固體顆粒在水中的分散過(guò)程和破碎特性進(jìn)行檢測(cè)。樣品的基本組成參數(shù)如下：GN387樣品：方解石（碳酸鈣40）為86.2%；聚乙二醇1500為13.8%；其中碳酸鈣40的平均顆粒粒徑為18μm。PN244樣品：沸石為68.6%，檸檬酸三鈉為11.3%，水為20.4%；其中沸石的平均粒徑為5μm。雖然顆粒樣品的組成顆粒粒徑均很小，但它們形成的固體顆粒粒徑很大，可達(dá)1mm以上。
　　試驗(yàn)裝置如圖2所示，顆粒在線檢測(cè)儀為英國(guó)生產(chǎn)的PDA2000型儀器^[4]。試驗(yàn)中用500mL的清潔自來(lái)水裝入1.0L燒杯中，以270rpm（對(duì)應(yīng)的G值為364s^－1）的速度攪拌，將1.0克的顆粒樣品（固體濃度為2000mg/L）加入燒杯中。同時(shí)進(jìn)行連續(xù)取樣，使含有顆粒物質(zhì)的水樣不斷流過(guò)傳感器。檢測(cè)結(jié)果在檢測(cè)儀上顯示，并連續(xù)輸出到記錄儀上。然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比。

3. 試驗(yàn)結(jié)果的一般形式

　　樣品GN387的結(jié)果如圖3所示。在投加樣品的初始階段，R值由很低值迅速增加，并出現(xiàn)一個(gè)峰值，之后很快趨于平衡。DC值也在初始階段迅速下降，之后很快達(dá)到平衡狀態(tài)。R值和DC值都在約100s后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明該種顆粒在水中可迅速破碎并分散成小顆粒，其水的濕潤(rùn)滲透性良好。

　　

　　圖4為樣品PN244的結(jié)果，初始階段R值和DC值的變化趨勢(shì)與圖3相似，但變化速度較慢且幅度較小。在隨后的階段中R值和DC值呈進(jìn)一步緩慢下降趨勢(shì)，表明顆粒在水中仍在逐步破碎。該破碎過(guò)程持續(xù)到整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍在繼續(xù)。這種現(xiàn)象表明該種顆粒物質(zhì)的水濕潤(rùn)滲透性較差。

4. 數(shù)據(jù)的換算和分析

　　圖5、6所示為圖3、4的結(jié)果根據(jù)式（2）換算得到的，這里均采用相對(duì)顆粒數(shù)量來(lái)表示。圖5的結(jié)果表明在水中投加顆粒樣品后，顆粒數(shù)目都迅速增加，隨后增加變緩。在此攪拌條件下，僅經(jīng)過(guò)600～800s相對(duì)顆粒數(shù)就基本不再變化。

　　PN244樣品的結(jié)果相差很大，如圖6所示。顆粒破碎速度很慢，顆粒數(shù)目的增長(zhǎng)與攪拌時(shí)間基本上呈直線關(guān)系。經(jīng)過(guò)30min的攪拌后，顆粒數(shù)目仍持續(xù)增加。
　　從這兩種樣品在水中的破碎和分散速度及變化情況看，GN387顆粒很易為水濕潤(rùn)，投加到水中后，大顆粒結(jié)構(gòu)迅速受水浸入的影響而不斷破碎和分散，形成的微小顆粒很快散布于水中。PN244的顆粒在水中的破碎速度相對(duì)慢得多，一方面可能由于在此攪拌條件下，不足以提供足夠的剪切力，另一方面可能由于水向顆粒內(nèi)部滲透的速度較慢，使顆粒的破碎速度大大降低。
　　在試驗(yàn)過(guò)程的不同階段，通過(guò)顯微鏡對(duì)含有顆粒的水樣進(jìn)行觀察的結(jié)果表明，顆粒的分散和破碎程度與檢測(cè)儀R值的變化趨勢(shì)很相似。

5. 攪拌條件的影響

　　考察顆粒樣品破碎及分散可能的最終情況，用高速攪拌機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行破碎，轉(zhuǎn)速約3000rpm，攪拌時(shí)間1.0min。在此條件下，顆粒會(huì)有很大程度的破碎。用檢測(cè)儀測(cè)定破碎后的樣品，再換算成相對(duì)顆粒數(shù)目。將高速攪拌的結(jié)果與常規(guī)攪拌的結(jié)果進(jìn)行定量對(duì)比，如表1所示。

表1 相對(duì)顆粒數(shù)目對(duì)比

樣品名稱

慢速攪拌顆粒數(shù)

快速攪拌顆粒數(shù)

GN387

5

17

PN244

100

900

　　可見(jiàn)高速攪拌后的顆粒相對(duì)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它攪拌條件下的結(jié)果。如果假設(shè)高速攪拌可使絕大多數(shù)顆粒得到完全的破碎和分散，則其它攪拌條件下顆粒分散和破碎程度很顯然不能滿足要求。從表1中可清楚地看到，樣品GN387在270rpm攪速30min后，所達(dá)到的破碎和分散程度為其最終分散程度的約三分之一，而PN244僅達(dá)到完全分散的約10%。從方解石和沸石樣品中顆粒粒徑的不同及配制的差別中可以看出，沸石樣品的數(shù)目濃度要高出約40倍。
　　從以上的結(jié)果可以看到，利用這種全新在線顆粒檢測(cè)技術(shù)，可對(duì)顆粒物質(zhì)在有剪切力作用下的分散和破碎程度及過(guò)程的細(xì)節(jié)進(jìn)行全面的記錄，并可通過(guò)半定量的數(shù)據(jù)分析顆粒物質(zhì)的某些特性，提供非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)。這為該方面的研究和實(shí)際應(yīng)用提供了一種嶄新的連續(xù)在線檢測(cè)方法和手段。

6. 結(jié)論

　　用透光脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)固體顆粒的分散與破碎過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)和研究，使得有可能了解該過(guò)程的全部細(xì)節(jié)，從而提供了一種研究顆粒分散和破碎特性以及類似分散過(guò)程的新的檢測(cè)方法和手段。研究結(jié)果表明，該類固體顆粒的組成成分和構(gòu)造可能是影響其分散和破碎過(guò)程的重要因素，增加剪切力有助于該過(guò)程的進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 李星．懸浮液透光率脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用研究．[博士論文]：哈爾濱：哈爾濱建筑大學(xué)，1995。
　　[2] Gregory, J. ． Turbidity Fluctuations in Flowing Suspensions． J. Colloid Int. Sci., 105, 1985
　　[3] Gregory, J. and Nelson, D.W. ． Monitoring of Aggregates in Flowing suspensions． Colloids Surfaces, 18, 1986
　　[4] RANK BROTHERS LTD．Photometic Dispersion Analyzer PDA 2000． OPERATING MANUAL，1988

李星簡(jiǎn)歷
　　李星，男，1963年2月生人。1985年畢業(yè)于哈爾濱建筑工程學(xué)院，1988年獲碩士學(xué)位；1990～1993年赴英國(guó)留學(xué)；1995年獲得博士學(xué)位，1996年進(jìn)入博士后流動(dòng)站?，F(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院教授，從事環(huán)境工程和水處理工程的科研和教學(xué)工作。參加了建設(shè)部及國(guó)家“七五”、“八五”“及九五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，主持了國(guó)家教委優(yōu)秀青年教師基金和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，獲得國(guó)家發(fā)明三等獎(jiǎng)，建設(shè)部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等數(shù)項(xiàng)科技成果和科技獎(jiǎng)項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表科技論文近二十篇。指導(dǎo)碩士研究生多名。

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　　注：原刊于《哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)》，1999第，第6期。