电解质对细颗粒泥沙絮凝影响的试验研究.pdf

第44卷第9期
Vol 44. No 9
2013年5月
Yangtze Rive
M
2013
文章编号:1001-4179(2013)09-0067-05
电解质对细颗粒泥沙絜凝影响的试验硏究
宋般阳,周晶晶,
(1.天津大学建筑工程学院,天津300002.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;3
中交广州航道局有限公司,广东广州510221)
摘要:在影响泥沙絮凝的因素中,电解质的影响是主要的,也是复杂的。为了研究电解质对泥沙絮凝的影响,
取用长江口的细颗粒泥沙置于不同阳离子浓度的天然海水、人工海水、NaC溶液和MgCl2溶液中,并测量泥
沙Zeta电位,分析其沉降速度,研究电解质种类和浓度与细颗粒泥沙絮凝的关系,并利用扫描电子显微镜观
察絮凝体,从微观角度进一步验证实验结论。研究发现,电解质种类和浓度均会影响泥沙颗粒的Zeta电位
而且细颗粒泥沙Zeta电位绝对值越小,其探凝现象越明显。
关键词;细颗粒泥沙;絮凝;电解质;Zeta电位;泥沙沉降;显微观测
中图法分类号:X52
文献标志码:A
泥沙絮凝成因复杂,影响因素众多。从已有研究粒泥沙带电的主要原因。细颗粒泥沙表面负电荷会吸
成果可知,影响泥沙絮凝的主要因素包括电解质、泥沙引周围液相中的正离子,这些正离子受负电荷的静电
颗粒粒径、有机质含量、矿物成分、水动力因素等等,其吸引作用和自身热运动的影响,在颗粒表面形成双电
中电解质的影响是比较主要和复杂的,泥沙絮凝程度层,该双电层可分为吸附层(紧靠颗粒表面)和扩散
与电解质的浓度、阳离子的种类及价态等因素有关。层。
因此对于电解质与泥沙絮凝关系的研究受到广泛关
当细颗粒泥沙与天然水体形成分散系时,颗粒之
注,相关领域的科技工作者就此已经做过大量工.间存在相互排斥作用,因此能够稳定地存在。但是当
作“,但大多从泥沙动力学性质入手,研究方法较为加入一定的电解质后,颗粒之间的平衡就会被破坏,由
复杂。本文选用长江口细颗粒泥沙为研究对象,以单颗粒下沉转变成絮团下沉,这主要是因为压缩双电
zeta电位为媒介,从宏观和徴观两个角度,说明电解质层作用和电性中和作用。
对细颗粒泥沙絮凝的影响,研究成果丰富了细颗粒泥1.1压缩双电层
沙絮凝理论,对解决河口地区泥沙淤积,治理“拦门
沙”有很大的实际意义和应用价值。
细颗粒泥沙产生絮凝的主要机理之一是压缩双电
层作用。随着周围介质阳离子强度増大,不断将扩散
1絮凝电化学机理
层中正电荷排斥进吸附层,双电层受到压缩变薄,颗粒
对于河口泥沙絮凝机理的研究基于电化学理论居之间的排斥作用减小,泥沙稳定性降低,促使絮凝发
多,国内陈邦林等曾应用电化学理论对长江口泥沙生
凝机理进行分析研究。
1.2电性中和
细颗粒泥沙是由铝氧八面体和硅氧四面体的晶格
细颗粒泥沙带有负电荷,当加入电解质阳离子后
组成,晶格中的AIP或Si有一部分被Mg2'或Ca21负电荷被中和后由于布朗运动产生絮凝。但是在过量
取代而使细颗粒泥沙带负电荷,晶格取代是造成细颗的高价阳离子电解质或聚合离子中,水溶液pH值很
收稿日期:2012-10-17
作者简介:宋晓阳,女,硕士研究生,主要从事港口海岸与近海工程方面的研究。E-mail:sxy0814⊙126,com
通讯作者:周晶品,女,讲师,博士,主要从事港口海岸与近海工程方面的研究。E-mail:zij@hu,edu.cn
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人民长江
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小的情况下,高价阳离子才会起到压缩双电层的作用,拌后观察并记录泥沙沉降情况,选取泥沙留样作电位
随着pH值的增大,高价阳离子则会形成聚合离子及测定试验。
多羟基配合物。这些物质往往会吸附在颗粒表面,分
利用JS94H型微电泳仪,取不同种类和浓度电解
子量越大,吸附作用越强。带正电荷的高分子物质与质溶液上层含沙量较低的泥沙悬浊液注入电泳杯中,
负电荷胶粒吸附性更强,从而造成颗粒表面电位降低,加上直流交变电压,电场不动,泥沙颗粒在电场中运
发生絮凝。
动。在屏幕上选择清晰的颗粒图像,拾取不同时刻颗
1.3Zeta电位
粒在电场中的位置,得到颗粒位移轨迹,进而推得Zeta
泥沙颗粒之间的稳定性主要取決于胶体颗粒表面电位值,每组样品重复测定3次,取平均值。
的动电位即zeta电位,Zeta电位表示运动于双电层中2.2.2显微镜观测
的一个颗粒与周围液体之间的界面上的电势,它的数
用胶头滴管取各个电解质溶液的泥沙悬浊液于载
值可以作为颗粒排斥力的一个量度。以电解质为例,玻片上,采用真空抽干的方法,在真空条件下,获得干
当加入电解质时,Zeta电势减小,当Zeta电位减小到燥样本,完整地保存了絮凝结构。样本经过喷金处理
范德华引力作用范围时,泥沙颗粒之间引力大于斥力,以后,放在扫描电子显微镜下进行观察和拍照,着重观
此时细颗粒泥沙由于布朗运动等引起絮凝沉降。
察絮体的形态结构,对比不同电解质溶液中絮体直径
2材料与方法
大小及分布规律。
3结果与讨论
2.1实验材料
2.1.1实验沙样
图1为电泳仪拍摄的颗粒位移图片,图上的黑色
圆点即为颗粒图像,由于其表面带电,在仪器所加电场
本次实验采用长江口南槽地区的细颗粒原状沙、中会出现位移,利用位移大小即可推算Zeta电位。
经粒径分析仪测得中值粒径范围为8-25m,大部分
颗粒粒径集中在10-20m之间。根据以往研究资3.1电解质溶液对Zeta电位的影响
料可知,长江口细颗粒泥沙絮凝临界粒径在30m左
图2为细颗粒泥沙在不同浓度的人工海水、天然
右,最佳絮凝粒径为16m或更小。为了使絮凝现象海水、NaC溶液、MlgC溶液中的Zea电位变化曲线。
更好地发生,依据粒径不同沉速不同的原理,从所取原
从图2可以看出,各条曲线的变化趋势基本相同,其中
状沙中分选出D30<20pm的细颗粒泥沙进行实验
天然海水和人工海水的 Zeta电位十分接近,在一定程
利用宽域粒径分析仪测得分选泥沙的中值粒径Do
度上说明使用人工海水代替天然海水进行实验具有可
9.4m
行性
2.1.2电解质溶液
本次实验中,选用 Subow配方
人工海水的、天然海水、NaCl溶液、
MgCl2溶液4种不同种类的电解质
溶液,其中每种电解质按阳离子物质
量浓度c为0.049,0.098,0.163,0.
245,0.298mol/L配置溶液,每个浓
度值对应人工海水的一个盐度值,依
次是3%,6%0,10%,15%,19%,从
大到小均匀取值。
2.2实验方法
2.2.1Zeta电位测定
将分选出的泥沙分别加入不同
浓度的人工海水、天然海水、NaCl溶
(a)MaCl(0.049mol/L)容液Zeta电位分析
液、MgCl2溶液中,充分搅拌后浸泡
(b)天然海水(0.049m0L/L)Zeta电位分析
24h,使絮凝现象充分发生,再次搅
图1Zeta电位分析颗粒位移