實時在線測定Zeta電位的方法及其系統集成

王曉燕 艾矯燕 李修華 劉 剛

(廣西大學電氣工程學院,南寧 530004)

實時在線測定Zeta電位的方法及其系統集成

王曉燕 艾矯燕 李修華 劉 剛

(廣西大學電氣工程學院,南寧 530004)

為了實時在線測定Zeta電位用以指導絮凝劑的投放，對Zeta電位的在線測定原理及其系統集成進行研究。給出利用Step7實現粘度值、電導率、流動電位和壓力差在線測定的方法，然后利用經典Helmholtz-Smoluchowski方程在上位機上實時計算出Zeta電位。與馬爾文粒度分析儀的對比實驗結果表明：二者測量結果之間的R2高達0.971 3，表明本系統具有較高的Zeta電位測量精度，可以指導絮凝劑的科學投加。

Zeta電位 在線測定 系統集成 絮凝劑投加量 PLC

任何膠體顆粒都帶有電荷，由于異種電荷相吸引，因此在懸浮液中將有一部分反離子密密地排布在膠粒表面，與膠粒表面電荷形成吸附層，而分散在懸浮液中的另一部分反離子則形成擴散層。膠粒在外界機械力的作用下，吸附層與擴散層之間將產生電位差，即Zeta電位[1]。當Zeta電位絕對值較大時，由于斥力作用，膠粒會穩定地存在于懸浮液中；反之，膠粒間由于吸附作用而聚沉。絮凝劑的作用機理就是降低Zeta電位絕對值，使膠粒聚沉，然后用過濾的方法去除雜質[2]。目前，在大多造紙企業中，中段廢水一般用絮凝法去除雜質[3,4]，絮凝劑的投放量參考指標有pH值、COD等，但二者都不能較好地反映絮凝劑的作用機理，因此目前普遍選用Zeta電位來指導并優化絮凝劑的投加。

近年來，關于Zeta電位的研究主要集中在以成熟儀器(如基于流動電位法的SZP04和基于電泳法的Nano-ZS90型粒度分析儀)為基礎，對測定原理和影響Zeta電位的pH值、壓力差等因素的研究上[5,6]，而對Zeta電位測定裝置的研究較少。由于目前的Zeta電位都為離線測定，不僅增加了工人的勞動量，而且廢水是不間斷流出的，用已測定的Zeta電位來指導并優化絮凝劑的投放量，具有一定的滯后性。針對上述缺點，筆者基于PLC和WinCC[7]，自主研制出一套實時在線測定Zeta電位的裝置，用于科學指導絮凝劑的投放。

1 Zeta電位的測定原理①

目前，Zeta電位的測量方法主要有電泳法[8]、流動電流法[9]及流動電位法[10]等。

電泳法是將待測液注入兩端加有電壓的電泳池中，然后用激光多普勒測速法測量膠體粒子遷移速度，再根據Zeta電位和移動速率的關系，計算出待測溶液的Zeta電位。

流動電流法的基本原理是：在機械外力的作用下，待測液沿毛細管壁流動，而擴散層的反離子隨待測液一起流動，并在管的一端聚集，通過測量該過程中形成的流動電流得到Zeta電位。該信號非常微弱，通常利用放大裝置對電流信號進行放大，然后經過同步整流器和靈敏度調整，測得流動電流信號。

電泳法具有難實施性，流動電流法的后續信號處理具有復雜性，而流動電位法則具有裝置相對簡單、信號容易處理等特點。因此，筆者采用流動電位法測量Zeta電位，Zeta電位在線監測系統組成框圖如圖1所示。

Zeta電位在線監測系統的核心是處于管道中的多孔陶瓷膜管，由它構造出毛細管道，再由加壓泵平行推動廢液流經毛細管道。如此，部分反離子在壓力的作用下，向同一方向移動，大量電荷在管道端口積累，這時測定該壓力差下所產生的電勢差，即流動電位。再通過粘度計、電導率儀等其他測量儀器，測出此時污水的其他必要量，代入如下Helmholtz-Smoluchowski方程，即可計算出廢水的Zeta電位ζ：

圖1 Zeta電位在線監測系統組成框圖

(1)

式中E——流動電位；

k——電導率；

k0——修正系數；

ε0——真空介電常數；

εr——水的介電常數；

η——粘度值；

ζ——Zeta電位；

Δp——壓力差。

2 Zeta電位實時在線測定的實現

由式(1)可知，Zeta電位的在線測定需要同時實現電導率、粘度值、流動電位和壓力差的在線測定，因此筆者利用PLC的SM331模塊采集傳感器的電壓或電流信號，通過濾波等處理后，代入式(1)，從而實現Zeta電位的在線測定。

2.1電導率的在線測定

在此，筆者采用DDS-307電導率儀對電導率進行在線測定，其工作原理為：在電場作用下，廢水中的離子產生一定方向的移動(陰離子移向陽極，陽離子移向陰極)，使廢水溶液具有導電能力[11]。廢水導電能力的強弱程度，稱為電導度G(單位S)。

已知電導率K與電導度G的關系為：

G=K/Q

(2)

其中，Q為電極池常數，Q等于電極間距L與面積A的比值。由于筆者采用的電極池為雷茲DJS-1C，其電極池長、寬、高均為1cm，因此電極常數Q=1，此時G=K。

由于電導度是電阻的倒數，因此要想測得電導率，只需測出電極池中液體的電阻即可。筆者采用的DDS-307電導率儀的輸出信號為直接反映電導率的電流信號，將該電流信號接入PLC的SM331模擬量采集模塊中，通過后期的標定實驗，即可確定系統接收到的電流值與電導率儀本身測得的電導率值的關系模型，以便后期在Step7中使用。

2.2粘度值的在線測定

筆者采用NDJ-5S型旋轉粘度計測定廢水的粘度值[12]，其內部設有步進電機、光電傳感器及八位微處理器SM8952等。該粘度計為離線測定，若要實現在線測定，需要測得粘度力矩，然后根據粘度力矩與粘度的關系式，求得粘度值。具體的工作原理如圖2所示。

圖2 粘度計工作原理

調整好粘度計后，與步進電機相連的轉盤1的凹槽會正對光電傳感器的中央；同樣，與游絲相連的轉盤2的凹槽也會正對光電傳感器的中央，然后轉軸在步進電機的帶動下勻速轉動。由于待測液體的粘滯阻力，與游絲相連的轉盤2會滯后于與步進電機相連的轉盤1，滯后時間差Δt由兩轉盤的凹槽先后經過光電傳感器測量得到。然后根據時間差Δt與游絲扭矩T之間的關系得到游絲扭矩，而游絲扭矩T又等于粘度力矩M，因此將粘度力矩M代入粘度力矩與液體粘度的計算公式，即可得到粘度值：

(3)

式中l——轉軸浸入水中的長度，m；

M——粘度力矩，N·m；

R1、R2——內轉筒、外圓筒的半徑，m；

η——液體粘度，mPa·s；

Ω——轉軸轉動的角速度，rad/s。

實現粘度值在線測定的步驟如下：

a. 將光電傳感器的信號線接入微處理器的INT0和INT1兩個管腳，從而在微處理器上編寫程序采集出時間差Δt。由于要完成系統集成，用D/A轉換芯片將Δt轉換成模擬量，然后輸入到PLC的SM331中，經過濾波處理后，在上位機上編寫程序，采集Δt。

b. 對于式(3)，調整好粘度計后，除粘度力矩外其他都是已知量。由于粘度值只與粘度力矩有關，而粘度力矩等于與轉盤相連的游絲扭矩，反映游絲扭矩的為Δt，因此，取多組不同粘度值的溶液測定，記錄Δt和對應的扭矩T，建立數學模型，在上位機上編程。當采集到不同的Δt時，代入模型即可計算出所測溶液的粘度值。

粘度值在線測定流程如圖3所示。

圖3 粘度值在線測定流程

2.3流動電位和壓力差的在線采集

流動電位的測量采用HG2840B毫伏表。由于現場輸出的流動電位信號是毫伏級的，PLC的SM331模塊無法識別，因此后續添加一個KB1-309D型直流信號隔離放大器，將0～75mV電壓轉換為0～10V電壓，并通過標定實驗得到其放大倍數，最終在Step7中還原真實的流動電位。

廢水在高壓自吸泵的作用下，流經陶瓷復合膜管，系統采用1151DP7E型差壓變送器測量膜管兩端的壓差，經放大、濾波處理后，轉換為4～20mA的電流信號，最后接入PLC的SM331模塊。

至此，電導率、粘度值、流動電位和壓力差的測量結果全部通過PLC的SM331模塊實時傳輸到上位機中，并通過Step7編程實現了Zeta電位的計算與顯示，最后在WinCC上建立人機監控界面，完成Zeta電位的連續實時在線測定。

3 實驗結果分析

由于PLC得到的是電導率儀中的電流值，因此需要經過參數標定實驗得到電導率與電流值的關系。筆者分別對15組具有不同電導率的液體樣本進行了電導率測試實驗，得到上位機的電流值與電導率儀的電導率的對應關系如圖4所示，所建模型為K=1.567A-5.9298，其中，A為采集的電流值。

圖4 電流值與電導率的對應關系

由圖4可以看出，電流值與電導率之間的R2達到了1，充分說明了集成系統對電導率儀的輸出電流信號進行了精確的采集、讀取，反映了系統對參數測量的高精度、高穩定性。

為了驗證整套集成系統的精度，進行了它與馬爾文粒度分析儀的對比實驗。具體做法如下：取10個廢水樣本，分別投加一定量的PAC絮凝劑(0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5mL/L)，攪拌均勻后靜置數分鐘，以便生成不同Zeta電位的樣本集；然后，分別用本系統與馬爾文粒度分析儀對各樣本進行測量，分別得出二者的測量結果。相關性分析如圖5所示，可以看出，兩種測量結果的R2高達0.971 3，表明本系統與馬爾文粒度分析儀的測量結果基本一致，精度較高，說明本系統可以作為指導絮凝劑投加的主要依據。

圖5 本系統與馬爾文粒度分析儀測得的Zeta電位的相關性

樣本的PAC絮凝劑投加量與Zeta電位之間的關系如圖6所示，可以看出，隨著PAC投加量的增多，Zeta電位不斷下降，這是由于絮凝劑中的電荷中和了廢水體系中的一部分離子從而壓縮了雙電層，與此同時離子間的斥力不斷減小，從而使廢水中的雜質絮凝；隨著絮凝劑的繼續投加，Zeta電位的絕對值不再下降，反而有所回升，這是由于絮凝劑投放量飽和甚至過量，絮凝劑釋放的電荷過多，反而污染了廢水。因此，絮凝劑的投加量并不是越多越好，PAC投放量為3.5mL/L左右時Zeta電位達到最低，此時絮凝效果最好。

圖6 PAC絮凝劑投加量與Zeta電位之間的關系

4 結束語

為了準確、實時地在線檢測廢水的Zeta電位并科學指導絮凝劑的投放，筆者研制了一套Zeta電位在線監測系統。該系統集成了電導率儀、粘度計、毫伏表、壓力傳感器、PLC及上位機等基礎模塊，通過對廢水的電導率、粘度值、流動電位和壓力差的測量，實時計算出廢水的Zeta電位，來科學指導廢水處理時絮凝劑的投放。該裝置結構簡單、集成穩定，可通過Step7和WinCC界面實現Zeta電位的實時監測。通過與馬爾文粒度分析儀的對比實驗得出，該系統具有較高的精度和可靠性，能有效降低工人的勞動強度，提高自動化作業水平，同時獲得良好的經濟效益，擁有巨大的應用前景。

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2015-08-07

廣西科學研究與技術開發計劃自治區主席基金資助項目(1517-08)；廣西科學研究與技術開發計劃基金資助項目(桂科攻11107021-6-4)

TH862

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1000-3932(2016)04-0431-04