1、高分子絮凝剂投加量对絮体分形结构的影响研究内容摘要：在给水和废水的处理工程中,絮凝体的大小、性状、结构,对调节颗粒污染物的传输与去除有着重要的作用,根据实验及研究表明，废水中的絮凝体表面和内部都有高度的不规则性、自相似性和标度不变性等分形特征。絮体分形结构研究着重研究废水处理中絮体的分形结构形态随絮凝条件而改变的特征趋势，从而更好地调节废水处理工程中的运行工况、最终出水和成本费用等，最终对废水处理工程或工业生产工程提出更积极更合理的建议。本文通过向印染废水投入不同浓度的高分子絮凝剂，然后借助图像分析、实验分析等实验技术手段以便更好研究不同絮体分形结构，从而得出高分子絮凝剂的最佳投加量。关键词：
2、絮体 分形结构 高分子絮凝剂质量浓度 分维数 关键字Study on effects of the concentration of a high molecular weight palmer on Fractal structurestudent:Lin Dao Fen supervisor:Zhu MingAbstract: In the water supply and wasting disposal project, the flocculations size, character and structure play an important part in transferr
3、ing and getting rid of granular contamination. According to the experiments and studies show, the flocculations surface and interior have a height irregular, self-similarity and invariance and other feature. Study in Effect of the flocculations fractal structure focuses on flocculation fractal struc
4、ture of wasting-water, which is altered by flocculation condition, so as to be better regular operating condition, untimely disposal water and the cost. Then people can some more active and reasonably advice to Investors. This paper describes that the results in throwing different concentration of h
5、eight molecular weight polymer to printing and dying water. And then research different flocculation fractal structure, with the help of image analysis, laboratory analysis, so as to conclude the best polymer flocculants dosage.Key words：Flocculation; fractal structure; concentration of a high 1mole
6、cular weight polymer; fractal dimension目 录1 前言： .32 分形讨论-絮体与分形理论阐述 .32.1 混凝形态学与分形理论 32.2 分形理论概述 32.2.1 分形理论的产生 .32.2.2 絮凝体的分形特征 42.3 分形维数 43 试验与方法 .53.1 试验方法 53.2 分析方法与指标 53.2.1 絮体形态和外观分析 .53.2.2 浊度 .53.2.3 COD 53.2.4 分形维数 .6fD3.3 材料与试验装置 63.3.1 废水来源 .63.3.2 高分子絮凝剂(PDMCAMPS DMAEMA)的配制 .63.3.3 试 验装置及
7、试剂 64 结果与讨论 .724.1 絮体形态和外观 74.2 浊度比较 74.3 COD 结果分析比较： .84.4 分形维数 结果分析比较 8fD5 结论 .116 参考文献： .11致谢 13高分子絮凝剂质量浓度对絮体分形结构的影响研究1 前言 在废水处理工艺 （1） 中，有着不少的废水处理技术，例如：膜分离法、电化学法、混凝法、生物法、光催化氧化法等，经过生产实践研究表明，混凝法是目前使染料废水脱色最经济、最有效的方法之一。常用的混凝剂有无机的、无机高分子混凝剂、有机高分子。近年来，大量的实验研究 （2） 表明, 无机高分子混凝剂的混凝效果一般要优于传统的铁盐和铝盐混凝剂，广泛地应用于
8、印染废水处理中。同时，有机混凝剂特别是人工合成的高分子混凝剂应用也日益广泛，絮凝体的大小、性状、结构,对调节颗粒污染物的传输与去除有着重要的作用,因此研究能否在工程废水处理中是否能形成结构良好的絮体，在很大程度上对水处理流程的运行工况、最终出水和成本费用都有很好的实际意义。根据很多试验现象及研究表明，絮凝体表面和内部都有高度的不规则性、自相似性和标度不变性等特征，这些种种特征表明废水中的絮凝体具有分形特征。本文通过向印染废水投入不同浓度的高分子絮凝剂，然后借助图像分析、实验分析等实验技术手段以便更好研究不同絮体分形结构，从而得出最佳的高浓度絮凝剂质量的投加量。32 分形讨论-絮体与分形理论阐述
9、2.1 混凝形态学与分形理论混凝形态学 （3） （Flocculation Morphology）是以溶液中胶粒和混凝剂的真实形状以及由它们所形成絮体的真实结构为出发点，着重胶体颗粒、混凝剂及絮体的形态特征，研究整个混凝过程的影响元素，它通过了现代分析仪器如电子显微镜、SEM 等，结合例相关学科研究水中胶体的形态、大小与级配对絮体结构及絮凝过程的影响规律。一般在宏观上可将分形看作为大小碎片聚集的状态，是没有特征长度的图形、构造和现象的总称。自相似性和标度不变性是判断所研究对象是否属分形的重要依据。絮体的结构和性能是混凝研究中十分重要的特征 （4） ，它的形成往往具有分形的特征。通过分形构造分析
10、，可用一非整数维来描述不规则体的无规程度，为这些看起来形状复杂而又不规则的絮体形态提供了一种数学框架，从而得以做出定量的描述。一般认为分维不同反映了絮凝体结构所具有的开放程度不同，在混凝研究中，应用分维可以对不同条件下形成的絮体结构进行更为准确的数学描述。2.2 分形理论概述2.2.1 分形理论的产生分形理论 （5） 是美籍犹裔科学家曼德伯罗特(Benoit B.Mandelbrot)在 1973 年提出的，可以这么简易的理解，分形 （6） 是指一类无规则、混乱而复杂, 但其局部与整体有相似性的体系, 自相似性和标度不变性是其重要特征。体系的形成过程具有随机性,体系的维数可以不是整数而是分数。
11、它的外表特征一般是极易破碎、无规则和复杂的,而其内部特征则是具有自相似性和自仿射性。自相似性是分形理论的核心，指局部的形态和整体的形态相似，即把考察对象的部分沿各个方向以相同比例放大后,其形态与整体相同或相似。自仿射性是指分形的局部与整体虽然不同, 但经过拉伸、压缩等操作后, 两者不仅相似, 而且可以重叠。废水中絮凝体的分形结构特征的形成过程具有随机性，由此可见，分形理论给部分与整体、无序与有序、有限与无限、简单与复杂、确定性与随机性等概念注入了新的知识,这些新的知识源泉能使人们能够以新的观念和手段探索水中絮凝体分形结构的与水体处理效果最本质的联系，由此可见分形论的应用在废水的处理过程中的重要
12、性。2.2.2 絮凝体的分形特征废水中絮凝体的成长是一个随机过程, 具有非线性的特征 （7） 。若不考虑絮凝体的破碎, 常规的絮凝过程是由初始颗粒通过线形随机运动叠加形成小的集团, 小集团又碰撞聚集成较大集团, 再进一步聚集，一步一步成长为大的絮凝体。这一过程决定了絮凝体在一定范围内具有自相似性和标度不变性, 这正是分形的两个重要特征, 即絮凝体的形成具有分形的特点。2.3 分形维数在研究絮体结构的过程中，分形维数是一个不可或缺的特征数值，分形维数即指的是是描述颗粒与小絮体在不规则絮体结构内部的填充程度的常数，记为 Df,它能很好地描述和分析絮体结构的形成和 “生长” ，一般来说，絮体结构越密
13、实，絮凝效果越好,分形维数值越高 （8） 。本文即是以“分形维数”作为重要依据，并以 COD、浊度等指标为对比，借助沉淀与图像分析技术对不同絮凝4剂浓度下的印染废水絮体结构进行分析，由此得出絮凝条件对废水中絮体分形结构的影响，并得出达到最好絮凝效果的絮凝条件 （9） 。分形维数(Fractal Dimension)是表征分形体系特征的参数 （10） ,是一种对应于分形体的不规则性和复杂性或空间填充度量的程度。由于研究对象的不同，存在多种不同的维数定义。常用的颗粒形态分形维数有 4 种：D 、D 1、D 2 和D k。 D、D 1、D 2 和 D k 分别是从面积与周长、长度和周长、长度和面积、
14、面积和阶数(rank) 的关系得到。数学关系式如下:P AD/2; P LD 1; A LD 2 ; N r (a A ) A Dk/2。其中 P 为周长 , A 为面积, L 是颗粒的最大长度， Nr 是具有面积 a (a A )的絮体数量或阶数。D、D k 和 D 2 的瞬时变化与观测到的颗粒形态变化相一致, 并可量化, D 1 则不具有这一特点。目前分形维数的计算方法一般有两种途径:计算机模拟絮凝体成长过程和实验直接测定。 计算机模拟计算 （11） 是基于絮凝体的形成机制,在 20 世纪 70 80 年代运用较多； 随着科学技术的发展,通过先进仪器直接测定分形维数已成为可能,目前采用较多
15、的有图像法、粒径分布法、光散射法、沉降法等。本次试验采用的是图像法，即是通过显微摄影技术,对水中絮凝体进行放大拍摄,运用计算机图像处理软件分析拍摄的絮凝体图像,更简单的说就是分形维数的计算 （12）以盒子计数法（Sandbox）来计算絮体的分维值（ ）的，具体步骤如下：在fDSEM 分形图上设置方形网格，即方阵，逐渐减小方阵的边长 ，依次统计不同边长方阵中的像元数 N，因 ,以 InNIn 作图，由图中直线的可得到分fD维 。其计算如下：fD(i=1，2，3，.)()fDiiA式中：分维数；f：i 次时的盒子数N：i 次时的网格次码。以 InNIn 作图，由图中直线的斜率可得到分维 fD所以本
16、文是运用非线性分形理论中的分维概念对印染废水中的絮体 SEM 进行解释，定量说明了废水处理效果与高分子絮凝剂加入量的关系。3 试验与方法3.1 试验方法本试验以 PDMCAMPSDMAEMA(甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯2-丙烯5酰胺基-2 甲基丙磺酸甲基丙烯酸 N,N-二甲氨基乙酯)高分子絮凝剂为添加剂，以 、 、 、 不同浓度投入印染废水中，先250mgL830mgL50快搅 30s，然后在慢搅至 6min，接着沉淀 1-2d，最后测其 SEM 图、上清液 COD及浊度等指标。3.2 分析方法与指标3.2.1 絮体形态和外观分析取约 200ml 污水入烧杯中，在絮凝剂投入后，快搅 30 秒后，
17、再慢搅至 6 分钟，接着沉淀 1-2 天后观察溶液上清液颜色及絮体沉淀情况。3.2.2 浊度取沉淀后上清液，用分光光度计分别测定在 和 下的吸540nm80n光度，然后与处理前的废水比较。3.2.3 COD取沉淀后的上清液，测其 COD 值，测定方法严格参照国家标准操作，具体操作如下：A 取 5ml 待测水样，然后用蒸馏水稀释至 20ml，接着依次加入 10ml 重铬酸钾标准、30ml 硫酸-硫酸银溶液，轻摇混匀后，加热回流 2hB 冷却后用 90ml 蒸馏水冲洗冷凝管管壁，使得溶液总体积不得少于140mlC 再度冷却后，加入 3d 试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，使溶液颜色由黄色经
18、蓝绿色至红褐色极为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液体积V1D 测定水样的同时，以 20ml 蒸馏水，按同样的操作步骤做空白试验，记录空白硫酸亚铁铵标准溶液体积 V0180()cCODmgL： 空白硫酸亚铁铵标准溶液体积，ml0V： 硫酸亚铁铵标准溶液体积，ml1C：硫酸亚铁铵标准溶液浓度, molLV：水样体积，ml3.2.4 分形维数 fD在 SEM 分形图上设置方形网格，即方阵，逐渐减小方阵的边长 ，依次统计不同边长方阵中的像元数 N，因 ,以 InNIn 作图，由图中直线的可fD得到分维 (13)。f3.3 材料与试验装置63.3.1 废水来源废水来源于某印染厂废水，中国是世界纺织大国，因染
19、色工艺频繁改变染料，导致废水特性多变，特别是声值，色度和 COD 值，印染废水含大量的有机污染物，排入水体将消耗溶解氧，破坏水生态平衡，危及鱼类和其它水生生物的生存。沉于水底的有机物，会因厌氧分解而产生硫化氢等有害气体，恶化环境，其特点如下: (1)色度大、有机物含量高；(2)水质变化大；(3)pH 值变化大；(4)水温水量变化大；(5)可生化性差。因此，通过探讨絮体分型结构 （14） 的讨论以解决废水达标排放的研究 (15)是具有积极现实意义的重要课题。3.3.2 高分子絮凝剂(PDMCAMPSDMAEMA)的配制取原质量浓度为 22.39%的高分子絮凝剂 1.7865g，至 100ml 的
20、容量瓶中，然后家蒸馏水准确定容至刻度线，由此可知所配得的絮凝剂浓度为 20mg/L。若需要向 200ml 污水加入 250、280、300、350mg/L 的絮凝剂，则向加有200ml 废水的烧杯中分别加入 12.5、14.0、15.0、17.5ml 上述所配溶液即可。3.3.3 试验装置及试剂（1）试验装置：恒温搅拌器、烘箱、分光光度计、显微摄像仪、COD 回流及加热装置（2）试剂：重铬酸钾标准溶液溶液、试亚铁灵指示剂、硫酸亚铁铵标准溶液、硫酸-硫酸银溶液、浓硫酸溶液4 结果与讨论4.1 絮体形态和外观（1）印染废水原水：溶液非常浑浊，水体可见度低，成深褐色（2）投加 250mg/L 絮凝剂
21、 PDMCAMPSDMAEMA 处理废水：印染废水和投加絮凝剂之前溶液的比较，能见度有很大的改善,明显有澄清的迹象,上清液呈浅灰色，有较少絮体沉淀与玻璃杯底部，所形成絮体的空隙度比较大。在加入絮凝剂后溶液还浑浊，一时间没有迅速见到絮体产生。在沉淀 12d 后，溶液底部有少量絮体产生，絮体呈灰色且松散。（3）投加 280mg/L 絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 的处理废水：印染废水和投加絮凝剂之前溶液的比较，能见度有很大的改善,明显有澄清的迹象,上清液比投加 250mg/L 絮凝剂的处理废水，更加清澈，当加入絮凝剂后有少量絮体产生，絮体沉淀的速度比较慢，在慢搅之后溶液还需要沉淀 1d才完全
22、沉淀到底部。烧杯里的絮体较 250mg/L 絮凝剂的处理废水量，絮体呈灰色且较为松散。（4）投加 300mg/L 絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 的处理废水：印染废水和投加絮凝剂之前溶液的比较，能见度有很大的改善,明显有澄清的迹象,上清液比投加 280mg/L 絮凝剂的处理废水，更加清澈，在加入絮凝剂后，溶液迅速有絮体产生，絮体的粒径比较大，絮体的孔隙度比较小，絮凝体的沉淀速度大，絮体呈灰色且实密。（5）投加 350mg/L 絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 的处理废水：7印染废水和投加絮凝剂之前溶液的比较，能见度有很大的改善,明显有澄清的迹象,上清液比投加絮凝剂 300mg/L 的
23、处理废水，更加清澈，在加入絮凝剂后，溶液迅速有絮体产生，在加入絮凝剂后溶液在 20min 内，溶液迅速变清澈，絮体的粒径比较大，絮体的孔隙度比较小，絮凝体的沉淀速度大，絮体呈灰色且实密。由以上实验结果表明，随着絮凝剂投入浓度的增加，印染废水的处理效果越好，废水的色度越低，且形成的絮凝体的分形结构越密实，孔隙度越小。4.2 浊度比较处理后的水体的能见度都明显好转，以下是处理后 PDMCAMPSDMAEMA浓度与浊度关系表：表 1 PDMCAMPSDMAEMA 浓度与浊度关系表投加絮凝剂的浓度 540nm680nm（mg/L） 吸光度 A T% 吸光度 A T%250 0.076 83.8 0.0
24、58 87.8280 0.063 86.4 0.054 88.6300 0.038 91.5 0.024 94.6320 0.045 90.2 0.032 92.8350 0.043 90.5 0.033 94.5由此可见由表 1：PDMC-AMPS-DMAEMA 浓度与浊度关系表中数据分析可知，印染废水经过处理后水体的能见度有明显的好转，特别是投加絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA350mg/L 的废水，吸光度最低，可见，投加此浓度絮凝剂的废水，处理效果最佳。4.3 COD 结果分析比较根据 2.2 分析方法与指标中 COD 的计算方法可以得出下列印染废水的处理效果表：表 2 PDMCAM
25、PSDMAEMA 浓度与 COD 关系表 编号 （ml） (ml) (ml) 1V2V()CODmgL原水 3.00 5.66 2.66 1099.41空白 6.00 15.60 9.60 -250 10.00 18.00 8.00 253.47280 7.40 15.71 8.31 204.36300 16.00 24.30 8.30 205.94320 24.30 32.61 8.31 204.36350 23.00 31.40 8.40 190.10由此可见由表 2：PDMC-AMPS-DMAEMA 浓度与 COD 关系表中数据分析8可知，在加入高分子絮凝剂 DMCAMPSDMAEMA
26、后，水体水质大大提高，从上表 COD 数值趋势变化可以看出，原印染废水的 COD 含量高达到了1099.41mg/L，在加入絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 后，水体里中的 COD值明显降低，即絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 在废水中发生了化学反应，吸附了水体中的杂质，从而大大降低了印染废水的 COD 含量，去除效果可达到 80%83%,特别是投入浓度在 350mg/L 絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 的处理废水处理效果最佳。4.4 分形维数 结果分析比较fD根据 2.2 分析方法与指标中分形维数的测量方法可以得到以下结果：（1） 絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 浓度为
27、280mg/L：图 1-1 CPDMCAMPSDMAEMA=280mg/L 下 SEMT 图（1） 由图 1-1 ：C PDMCAMPSDMAEMA=280mg/LS 下 SEMT 图（1）设置方形网格 ，求其分维 ，可得到如下：絮凝剂浓度=280mg/L 下 LN(N)-LN( )关系曲线fD i9絮 凝 剂 浓 度 =280mg/L下 LN(N)-LN( )关 系 曲 线y = -1.1101x - 2.31040123456-6.8 -6.6 -6.4 -6.2 -6 -5.8 -5.6 -5.4LN( )LN(N)显然由 3.2.4 分形维数 的计算可知： fD1.fD图 1-2 CP
28、DMCAMPSDMAEMA=280mg/L 下 SEMT 图（2）由图 1-1 ：C PDMCAMPSDMAEMA=280mg/LS 下 SEMT 图（ 1）的 Df分析与图 1-2 CPDMCAMPSDMAEMA=280mg/L 下 SEMT 图（2）絮体形态分析可以看出，投加絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 浓度为 280mg/L 的处理废水形成的絮体结构不够密实，所形成的絮体细小，且粒径小，悬浊液中絮体粒度分布不均，混液面沉速高，上清液余浊度较高，分维常数偏低，可见絮凝效果不够理想。（2）絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 浓度为 350mg/L图 2-1 CPDMCAMPSDMA
29、EMA=350mg/L 下 SEMT 图（1）10由图 2-1 CPDMCAMPSDMAEMA=350mg/L 下 SEMT 图（1）设置方形网格 ，求其分维 ，可得到如下：絮凝剂浓度=280mg/L 下 LN(N)-LN( )关系曲线fD i絮 凝 剂 浓 度 =350mg/L下 LN(N)-LN( )关 系 曲 线y = -0.192x + 3.77933.544.555.566.57-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6LN( )LN(N）由 3.2.4 分形维数 的计算可知： fD.9fD图 2-2CPDMCAMPSDMAEMA=350mg/L 下 SEMT 图（2）由图
30、2-1 ：C PDMCAMPSDMAEMA=350mg/LS 下 SEMT 图（1）的 Df分析与 2-2 ：C PDMCAMPSDMAEMA=350mg/LS 下 SEMT 图（2）的絮体形态分析可以看出，投加絮凝剂 DMCAMPSDMAEMA 浓度从 280350mg/L 的处理污水的分维常数 Df从 1.1101.192，并且从以上图像中可以看出投加絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA浓度为 350mg/L 的处理废水所形成的絮体的结构比较密实，所形成的絮体比较粗，粒径比较大，悬浊液中絮体粒度分布比较均匀，偏差最小，混液面沉速高，上清液余浊度低，分维数值越来越高，综合实验成果可得，在印染
31、废水的处理过程中投加絮凝剂 DMCAMPSDMAEMA 浓度为 350mg/L 的处理污水的效果最佳，与 COD、浊度结果相比较，效果一致。5 结论从以上对印染废水中的絮凝体的结构分形特性研究，可得到如下结论：（1）投加絮凝剂 PDMCAMPSDMAEMA 处理印染废水的效果11皆具佳，经处理的废水，色度大大降低，特别是投加浓度为 350mg/L 的废水 COD 去除率高达 83%，所形成的絮体的结构絮体比较粗大，粒径比较大，悬浊液中絮体粒度分布比较均匀，偏差最小，混液面沉速高，上清液余浊度低，处理效果令人满意。（2）印染废水的絮体结构具有分形特性，当有加不同浓度的有机高分子絮凝剂如 DMCA
32、MPSDMAEMA 时，处理的废水的色度，水体中COD 值都与原水有着很明显的差异，其中“分维数值”可以作为定量控制参数以确定最佳絮凝效果时絮凝条件的控制指标。（3）絮凝体的分形研究解释可影响絮凝效果的各种絮凝条件如：有机高分子絮凝剂的浓度与分维数值的关系，从而更接近于真实的角度来刻画絮凝体及其形成过程，真实地反映絮凝体的结构与形态，有助与加深对混凝机理，絮凝过程的认识和理解。（4）研究絮凝体的分形行为，除了从微观的角度对絮凝体的生长机制进行研究之外，对已经形成絮凝体的分形特性做出定量的描述，从而能更有效的控制整个絮凝过程的各个变量，然后运用于实际的废水处理工艺之中，已达到以最少的资本达到最好
33、的处理效果的功效。（5）当絮体的分形结构达最佳状态时,絮体密实程度高,粒径较大；悬浊液中絮体粒度分布较均匀，偏差较小，浑液面沉速高，上清液余浊低，其相应的分维数值越高。（6）对于实际高浓度悬浊液处理工程，利用混凝学的絮体的分形理论来合理控制絮凝阶段的速度、沉淀效果是很有实际意义的，随着絮体分形结构的最佳密实的改变，这会影响着絮体沉降的效果与废水的处理。6 参考文献1 许保玖，给水处理理论M.北京：中国建筑工业出版社， 2000：201-2032 李冬梅，金同轨，李志生，谭万春高分子絮凝剂质量浓度对泥沙絮体分形结构的影响J中国给水排水，2003，20(11)：52543 井敏莉，李 敏，姚 敏分
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