颗粒分散和破碎过程在线检测研究

李 星 张正磊
（哈尔滨建筑大学） （山东省城市建设学校）
齐文明
（深圳市龙岗德兴房地产开发公司）

　　摘 要：对颗粒物质的分散和破碎过程很少进行研究。本研究利用一种全新的颗粒在线检测技术——透光脉动检测技术，对不同组成的颗粒物质在水中破碎的过程进行检测。结果表明该技术可详细地描述出颗粒物质的破碎情况，具有很大的实用价值，从而发展出一种用于颗粒物质破碎或分散过程的全新在线检测方法和手段。
　　关键词：透光脉动检测技术；颗粒破碎；在线检测

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. 简介

　　在水处理领域中，一般多考虑水中颗粒物质的凝聚或絮凝过程。在长期的研究和实际应用中，已发现和使用了多种测定方法和检测手段。其逆过程的散凝、分散或破碎过程，则研究的相对较少，检测手段和测定方法不多。分散或破碎现象普遍存在于各种实际过程中，在有剪切力的条件下，含有颗粒物质的液体中会同时存在聚集和分散的两种过程，只是由于控制了不同阶段的剪切力使得水处理过程中凝聚或絮凝过程等占主要地位。但在许多条件下，颗粒破碎、分解过程会产生巨大的影响。在某些应用中，要考虑颗粒在水中的溶解、分散过程，而用一般的检测方法对该过程进行快速、连续地检测分析有相当大的困难。透光脉动检测技术是一种全新的可以反映颗粒聚集状态的在线检测技术，利用该技术对不同组成成分的颗粒物质在水中破碎和分散情况进行检测，从而发展出一种用于颗粒物质破碎或溶解过程的全新在线检测技术^[1]。

1. 透光脉动检测原理

　　在有悬浮液流动的管状器皿两侧分别设置光源和检测器，如图1（a）所示，当一束光线透射过含有颗粒物质的悬浮液时，光束照射到体积中的颗粒数量是随机变化的，透射光强度也会随之发生变化，会观察到图1（b）所示的透射光强度的脉动现象^[2]。检测器输出的带有脉动现象的透射光强度信号可以看成由两部分组成，一部分为直流成分（V_dc值），相当于平均透射光强度（V值）；V_dc值值在相当程度上可以反映相对浊度值及变化程度。另一部分是非常小的脉动成分（V_ac值），相当于颗粒数随机变化程度（V_R值）。将信号的脉动成分分离，经过一定的数学运算就可以得到反映脉动程度的表达式。如假定光束在悬浮液中的长度为L，光束有效截面积为A，经过推导可得到如下比值形式的表达式：

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

　　R为检测仪的输出值，可表示颗粒相对粒径及变化趋势。从式（1）可看到，对于固定的检测仪器，L／A值不变，由于颗粒在破碎工程中的光散射特性基本不变，所以R值可以反映出相对颗粒数量，并与颗粒浓度的平方根成正比。在其他研究中通过显微照相结果的平行对比表明，R值的确与絮凝体颗粒浓度及其变化趋势呈良好的相关性，可直接用R值表示颗粒的相对大小和变化趋势。因此本研究中仅用R值来考察颗粒分散和破碎的变化情况。
　　为便于在实际中进行测定，对式（1）进行转换，使得根据测定的V_dc值和R值，就可得到颗粒浓度的相对数值及其变化情况^[3]。经过一定的数学推导，可以得到如下的表达式：

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

　　E=ln(V₀／V)为吸光度，取决于颗粒的散射表面积和数量浓度，可由DC值换算得到；其中V₀为洁净水的V_dc值。由于L／A是一个固定不变的值，则E／R值与颗粒浓度平方根成正比，如式（2）所示。尽管在公式推导时仅限于均相悬浮液，但对有颗粒粒径分布的实际悬浮液，R值仍是显示分散或破碎程度的有效指标。

　　由于存在各种不定因素，用此方法不易得到绝对的颗粒浓度，因而，采取一个“相对数目”值来表达，用1000×（E/R)²表示就可得到一个适宜的数值坐标，对不同样品的相对颗粒数目进行表示和对比，会更容易和直观。

2. 颗粒样品及试验过程

　　对两种固体颗粒在水中的分散过程和破碎特性进行检测。样品的基本组成参数如下：GN387样品：方解石（碳酸钙40）为86.2%；聚乙二醇1500为13.8%；其中碳酸钙40的平均颗粒粒径为18μm。PN244样品：沸石为68.6%，柠檬酸三钠为11.3%，水为20.4%；其中沸石的平均粒径为5μm。虽然颗粒样品的组成颗粒粒径均很小，但它们形成的固体颗粒粒径很大，可达1mm以上。
　　试验装置如图2所示，颗粒在线检测仪为英国生产的PDA2000型仪器^[4]。试验中用500mL的清洁自来水装入1.0L烧杯中，以270rpm（对应的G值为364s^－1）的速度搅拌，将1.0克的颗粒样品（固体浓度为2000mg/L）加入烧杯中。同时进行连续取样，使含有颗粒物质的水样不断流过传感器。检测结果在检测仪上显示，并连续输出到记录仪上。然后对结果进行分析和对比。

3. 试验结果的一般形式

　　样品GN387的结果如图3所示。在投加样品的初始阶段，R值由很低值迅速增加，并出现一个峰值，之后很快趋于平衡。DC值也在初始阶段迅速下降，之后很快达到平衡状态。R值和DC值都在约100s后基本达到稳定状态，表明该种颗粒在水中可迅速破碎并分散成小颗粒，其水的湿润渗透性良好。

　　

　　图4为样品PN244的结果，初始阶段R值和DC值的变化趋势与图3相似，但变化速度较慢且幅度较小。在随后的阶段中R值和DC值呈进一步缓慢下降趋势，表明颗粒在水中仍在逐步破碎。该破碎过程持续到整个试验结束时仍在继续。这种现象表明该种颗粒物质的水湿润渗透性较差。

4. 数据的换算和分析

　　图5、6所示为图3、4的结果根据式（2）换算得到的，这里均采用相对颗粒数量来表示。图5的结果表明在水中投加颗粒样品后，颗粒数目都迅速增加，随后增加变缓。在此搅拌条件下，仅经过600～800s相对颗粒数就基本不再变化。

　　PN244样品的结果相差很大，如图6所示。颗粒破碎速度很慢，颗粒数目的增长与搅拌时间基本上呈直线关系。经过30min的搅拌后，颗粒数目仍持续增加。
　　从这两种样品在水中的破碎和分散速度及变化情况看，GN387颗粒很易为水湿润，投加到水中后，大颗粒结构迅速受水浸入的影响而不断破碎和分散，形成的微小颗粒很快散布于水中。PN244的颗粒在水中的破碎速度相对慢得多，一方面可能由于在此搅拌条件下，不足以提供足够的剪切力，另一方面可能由于水向颗粒内部渗透的速度较慢，使颗粒的破碎速度大大降低。
　　在试验过程的不同阶段，通过显微镜对含有颗粒的水样进行观察的结果表明，颗粒的分散和破碎程度与检测仪R值的变化趋势很相似。

5. 搅拌条件的影响

　　考察颗粒样品破碎及分散可能的最终情况，用高速搅拌机对样品进行破碎，转速约3000rpm，搅拌时间1.0min。在此条件下，颗粒会有很大程度的破碎。用检测仪测定破碎后的样品，再换算成相对颗粒数目。将高速搅拌的结果与常规搅拌的结果进行定量对比，如表1所示。

表1 相对颗粒数目对比

样品名称

慢速搅拌颗粒数

快速搅拌颗粒数

GN387

5

17

PN244

100

900

　　可见高速搅拌后的颗粒相对数目远远高于其它搅拌条件下的结果。如果假设高速搅拌可使绝大多数颗粒得到完全的破碎和分散，则其它搅拌条件下颗粒分散和破碎程度很显然不能满足要求。从表1中可清楚地看到，样品GN387在270rpm搅速30min后，所达到的破碎和分散程度为其最终分散程度的约三分之一，而PN244仅达到完全分散的约10%。从方解石和沸石样品中颗粒粒径的不同及配制的差别中可以看出，沸石样品的数目浓度要高出约40倍。
　　从以上的结果可以看到，利用这种全新在线颗粒检测技术，可对颗粒物质在有剪切力作用下的分散和破碎程度及过程的细节进行全面的记录，并可通过半定量的数据分析颗粒物质的某些特性，提供非常有价值的数据。这为该方面的研究和实际应用提供了一种崭新的连续在线检测方法和手段。

6. 结论

　　用透光脉动检测技术对固体颗粒的分散与破碎过程进行检测和研究，使得有可能了解该过程的全部细节，从而提供了一种研究颗粒分散和破碎特性以及类似分散过程的新的检测方法和手段。研究结果表明，该类固体颗粒的组成成分和构造可能是影响其分散和破碎过程的重要因素，增加剪切力有助于该过程的进行。

参考文献

　　[1] 李星．悬浮液透光率脉动检测技术与应用研究．[博士论文]：哈尔滨：哈尔滨建筑大学，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

李星简历
　　李星，男，1963年2月生人。1985年毕业于哈尔滨建筑工程学院，1988年获硕士学位；1990～1993年赴英国留学；1995年获得博士学位，1996年进入博士后流动站。现为哈尔滨工业大学市政环境工程学院教授，从事环境工程和水处理工程的科研和教学工作。参加了建设部及国家“七五”、“八五”“及九五”重点攻关项目，主持了国家教委优秀青年教师基金和国家自然科学基金等项目，获得国家发明三等奖，建设部科技进步一等奖，省科技进步二等奖等数项科技成果和科技奖项。在国内外发表科技论文近二十篇。指导硕士研究生多名。

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　　注：原刊于《哈尔滨建筑大学学报》，1999第，第6期。