高嶺土絮凝體粒徑變化實驗研究

海 希，邵宇陽，2* ，張健瑋，童朝鋒

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2.長江水利委員會長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

在自然環境中，粘性細顆粒泥沙的絮凝過程往往受到多種因素的影響，諸如鹽度、水流強度、懸沙濃度、溫度及有機物等，各種因素對絮凝過程的影響機理不盡相同[1-2]。目前，粘性泥沙絮凝實驗研究側重單因素的影響規律，如陳邦林[3]通過實驗得到長江口泥沙的最佳絮凝鹽度為10～13 ppt之間，而蔣國俊和張志忠[4-5]則認為鹽度在4～16 ppt之間時絮凝效果最好；有關水流對絮凝影響規律的研究，國外大都是利用攪拌等裝置進行室內實驗，所采用的紊動剪切率G較大，研究G較小(<27 s-1)時的絮凝情況的實驗數據較少，且實驗材料大多為納米級顆粒，較少使用粘性泥沙。如，T.Serra等[6]以聚苯乙烯顆粒研究了水流對絮凝的影響; P.T.Spicer 等[7]通過攪拌罐產生水流研究了水流剪切作用對絮凝的影響。他們得到相似的結論：低強度水流促進顆粒絮凝，高強度水流阻礙顆粒絮凝。W.P.He等[8]則以高嶺土為對象，研究了低剪切強度水流對絮團結構的影響規律，研究結果表明：低強度水流對絮團結構的影響較弱。國內對于紊動的研究較少，且側重利用天然泥沙進行實驗，武道吉等[9]指出，當水流紊動達到某個尺度時，粘性泥沙的絮凝最顯著，阮文杰[10]采用長江口天然水體的實驗研究結果表明: 當流速大于某值時，泥沙絮團沉速將變慢，并據此提出了動水臨界流速的概念。朱中凡等[11]的高嶺土動水絮凝實驗結果表明，泥沙絮團最大粒徑與水流紊動強度相關，且呈反比；懸沙濃度決定了絮凝過程中粘性泥沙的總量，室內實驗結果表明，懸沙濃度越大，泥沙絮凝作用越強，沉降越快[12]，但這種規律僅適用于低濃度。當懸沙濃度超過某一極限濃度時，懸沙濃度的促進作用會變得不明顯，甚至會出現阻礙作用[13]。

但是，天然環境下泥沙絮凝一般受到多因素綜合作用。因此，為了研究粘性細顆粒泥沙絮凝體粒徑變化，本文選擇室內實驗的方法，結合LISST及OBS等目前世界上先進的儀器探究鹽度、紊動剪切率及懸沙濃度三種因素耦合作用下對絮凝體有效粒徑分布的影響。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗裝置介紹

圖1 實驗裝置簡圖及其尺寸標注(單位：cm)Fig.1 Experimental device sketch and dimensioning

為了便于LISST及ADV(Acoustic Doppler Velocity簡稱ADV)等儀器的測量，在前人基礎上，本文設計的實驗裝置為高158 cm，直徑為77 cm的圓柱形水箱，如圖1所示。水箱外部由有機玻璃制成，水箱內水體的紊動由其軸心處放置的高130 cm，直徑41.25 cm的葉片轉動來完成，轉速由一個與其相連的馬達控制。

實驗時，首先利用SonTek公司生產的聲學多普勒流速儀(ADV，工作頻率為20 Hz)測量水箱內測量點位置附近的水流特性，并計算實驗水箱內紊動剪切率G，計算方法見下文公式(1)。當測量水體中懸沙濃度變化時，使用Campbell Scientific Inc.生產的光學后向散射濁度儀(Optical Backscatter Sensor 3+，簡稱OBS 3+)進行測量，水體中絮凝體的粒徑分布由美國SEQUOIA公司的現場激光粒度儀LISST-100(C型)進行測定。

1.2 實驗分析方法

Camp和Stein[14]提出紊動剪切率和湍流耗散率之間的關系為

(1)

式中：v為水的動力粘滯系數，在本文中取為1.516×10-6m2/s；ε為湍流耗散率。

對于充分發展的湍流邊界層，湍流在大尺度的能量輸入與在小尺度的粘性耗散處于平衡，可以得到一維的湍流能譜如下式

(2)

式中：Eii(k)為第i個流速分量在波數k的能譜密度(i=1,2,3)，ε為湍流動能耗散率,αi為一維Kolmogorov常數，i=1對應于主流方向，i=2,3對應于與主流垂直的另外兩個流速分量。根據實驗確定α1=0.53，α2=α3=(4/3)α1=0.71。

本文所用的觀測資料為單點流速的時間序列，需要將湍流頻率譜轉化為波數譜。當kEii(k)/U2<<1時，波數k的湍渦的時間尺度遠小于對流時間尺度，可以利用“Taylor冰凍湍流假設”將流速頻率譜轉化為波數譜

(3)

kEii(k)=fEii(f)

(4)

式中：f為頻率，U為平均對流速度(即平均流速)。

由此，可以得到湍流耗散率的表達式為

(5)

其中，上橫線表示在慣性副區內取平均值[15-16]。

本文采用有效粒徑法對高嶺土絮凝體粒徑進行分析，計算公式如下

DM=(D16+D50+D84)/3

(6)

式中：DM為絮凝體有效粒徑，D16、D50、D84分別為累計體積百分比中小于16%、50%、84%的粒徑。

1.3 實驗組次設計

本文的實驗組次設計如表1所示，表2為轉速與紊動剪切率G對應關系

圖2 OBS電壓輸出值與水樣泥沙 濃度率定圖Fig.2 OBS voltage output value and sample sediment concentration

影響因子參數單位懸沙濃度0.080.100.130.19g/L鹽度00.512ppt轉速510152025303540rpm

表2 轉速與紊動剪切率對應關系Tab.2 Correspondence between rotational speed and turbulent shear rate

2 實驗結果與討論

實驗開始前，利用與OBS 3+測量位置同一高度水箱側面取水樣對OBS 3+進行率定，結果如圖2所示，相關系數R2的值為0.984 6，相關度高，因而OBS 3+儀器可以準確測量水體中泥沙濃度。

實驗中，采用中值粒徑D50=2.54 μm的高嶺土，步驟如下：(1)按G-鹽度-濃度的調整順序(懸沙濃度調整前，水箱清空，重新開始)，根據組次設計，配置實驗，開始攪拌；(2)等待45 min，即粘性細顆粒泥沙絮凝穩定后，開始測量工作。(3)將實驗用到的測量設備LISST及OBS 3+放置于實驗水箱內(如圖1所示)；(4)測量工作進行5 min，期間， LISST記錄絮凝體的粒徑分布情況及絮凝體的總體積濃度(TVC)，OBS 3+記錄水體中絮凝體濃度；(5)測量工作結束后，將LISST取出，OBS 3+則一直放置于水箱內；(6)根據下一實驗組次，調節水流流速梯度，配制水箱中的鹽度、懸沙濃度，重復(2)～(5)步驟，開展下一組實驗。

2.1 各因子對高嶺土絮凝體粒徑的影響

根據圖3中所示粒徑分布，可以觀察到以下現象：圖左“翹起”現象，表明未絮凝高嶺土顆粒占較大比重；低濃度(SSC1=0.08 g/L，SSC2=0.10 g/L)時(Suspended Sediment Concentrations簡稱SSC)，各流速梯度下，高鹽度(1、2 ppt)對絮凝體粒徑增大效果比低鹽度(0、0.5 ppt)好；SSC3=0.13 g/L時，各流速梯度下，鹽度對絮凝促進效果明顯，隨著鹽度的進一步增大，促進放緩；SSC4=0.19 g/L時，轉速低于20 rpm(即G<34.72 s-1)時，2 ppt鹽度對絮凝體有效粒徑增大作用較為明顯，其它情況下對絮凝體有效粒徑的增大作用不顯著。

3-a SSC1=0.08 g/L、5 rpm 3-b SSC2=0.10 g/L、40 rpm

3-c SSC3=0.13 g/L、35 rpm 3-d SSC4=0.19 g/L、20 rpm圖3 絮凝體粒徑與其所占體積百分比關系圖Fig.3 Floc size and volume percentage

如圖4所示，在濃度為SSC1=0.08 g/L ，SSC2=0.10 g/L、SSC3=0.13 g/L，高鹽度(1、2 ppt)下，紊動剪切率對絮凝體有效粒徑影響表現為：G越小，有效粒徑越大；低鹽度(0、0.5 ppt)下，臨界值在15～20 rpm(G為23.09～34.72 s-1)之間，此時，紊動對絮凝體有效粒徑增大效果最明顯；濃度為SSC4=0.19 g/L時，各鹽度下，紊動剪切率對絮凝體有效粒徑變化產生的影響不明顯。

4-a SSC1=0.08 g/L、0.5 ppt 4-b SSC1=0.08 g/L、1 ppt

4-c SSC3=0.13 g/L、1 ppt 4-d SSC4=0.19 g/L、2 ppt圖4 絮凝體粒徑與其所占體積百分比關系圖Fig.4 Floc size and volume percentage

在圖5中，低鹽度(0、0.5 ppt)時，紊動剪切率相同的情況下，各濃度梯度下的絮凝體有效粒徑并無太大變化；高鹽度(1、2 ppt)時，各流速梯度下，各懸沙濃度下的絮凝體有效粒徑開始產生變化，濃度0.08 g/L時有效粒徑最大，其它3種濃度下差別不大。

5-a 15 rpm、0.5 ppt 5-b 40 rpm、2 ppt圖5 絮凝體粒徑與其所占體積百分比關系圖Fig.5 Floc size and volume percentage

最后，將部分實驗組次所得有效粒徑DM列于表3，表中數據與上述圖中分析所得結論互為參照，以供參考。

表3 部分試驗組次下高嶺土絮凝體有效粒徑表Tab.3 Effective particle sizeTable of kaolin flocs under some test groups μm

2.2 分析與討論

絮凝體粒徑變化與鹽度、紊流及懸沙濃度三者是耦合關系，3種因素相互影響，使得絮凝體的粒徑變化表現出較為復雜的現象。

鹽度會對高嶺土絮凝體的粒徑變化產生促進作用。在1 ppt鹽度時，絮凝體的粒徑開始發生明顯變化，且在SSC1=0.08 g/L濃度下，2 ppt與1 ppt相比，對絮凝體的絮凝效果并未產生太大影響，對此，本文認為1 ppt左右即達到了SSC1=0.08 g/L濃度下的絮凝飽和鹽度。根據DLVO理論，由于鹽度的增加，雙電子層受到壓縮，靜電力減小，勢壘減小，顆粒開始絮凝。低濃度(SSC1=0.08 g/L，SSC2=0.10 g/L)下，低鹽度(0、0.5 ppt)對高嶺土顆粒表面電位的減小效果較小，雙電子層所受壓縮程度小，絮凝效果不明顯；隨著鹽度增大到1 ppt，高嶺土顆粒表面電位減小效果明顯，雙電子層受到壓縮，將有一部分動能較大的顆粒越過勢壘，絮凝效果得到明顯增加；高濃度(SSC3=0.13 g/L，SSC4=0.19 g/L)時，隨著懸沙濃度的增加，需要更高的鹽度才能使得高嶺土顆粒表面電位產生較明顯的減小，并使得勢壘產生明顯減小。本次實驗設置的鹽度梯度暫未達到其它3種懸沙濃度下的絮凝飽和鹽度。

紊動剪切率對絮凝體粒徑的影響規律與前人基本相同，即存在一個臨界G值在23.09～34.72 s-1之間，此時，對絮凝促進效果最好，低于這個值時，對絮團粒徑影響不大，高于這個值時，隨著G的增大，解絮作用在高嶺土絮凝過程中占主導作用，對絮凝促進效果逐漸減弱。與喬光全[17]的高嶺土實驗對比，臨界G(喬為20.8 s-1)的取值稍大，可能與本次實驗所選土樣粒徑偏小(喬d50=3.93 μm，本文d50=2.54 μm)，以及受其它2種因子耦合作用有關。

懸沙濃度對高嶺土絮凝體的影響表現為：低鹽度(0、0.5 ppt)時，懸沙濃度對絮凝體粒徑變化影響不大；高鹽度(1、2 ppt)時，濃度0.08 g/L時絮凝體有效粒徑最大，其它3種濃度下變化不大。而根據碰撞理論，懸沙濃度高，其中的絮凝體顆粒較多，碰撞幾率更大，則絮凝體粒徑也更大。對于該實驗結果，低鹽度時，文章設置的懸沙濃度梯度內并未能明顯改變絮凝體粒徑；而當處在高鹽度時，低懸沙濃度的實驗組次得到的絮凝體粒徑較高濃度下的組次要大。結合DLVO理論，相較于高懸沙濃度，濃度低時，絮凝體顆粒較少，鹽度的增加使得低懸沙濃度下的絮凝體顆粒表面的雙電子層壓縮得更小，更加容易發生絮凝作用，絮凝體的粒徑也更大。

3 結論與展望

本文選取中值粒徑為2.54 μm的高嶺土為研究對象，開展了不同水流紊動環境下動水實驗，利用現場激光粒度分析儀對不改變泥沙所處環境下形成的絮凝體進行觀測，研究了懸沙濃度、鹽度、紊動剪切率3個影響因子耦合作用下對絮凝體粒徑分布的影響。根據實驗結果得到以下結論：

(1)鹽度的增加會使絮凝體的有效粒徑DM增大，存在一個飽和鹽度(濃度0.08 g/L時為1 ppt)，且隨著懸沙濃度的增大而增大，超過這個值時，絮凝體有效粒徑變化趨于平緩；

(2)紊動剪切率小時，對絮團粒徑影響不大，達到臨界值(23.09～34.72 s-1)時，紊動會促進絮凝，且隨著G的增大，解絮作用逐漸占據主導地位。當泥沙增大濃度時，會抑制這種促進效果；并且，懸沙濃度超過0.08 g/L時，濃度的增大使得絮凝體的有效粒徑DM減小。

本次實驗選取懸沙濃度及鹽度變化范圍內低懸沙濃度對絮團粒徑的促進作用不明顯，且對臨界G的探討還不夠完善。未來需要加入更多的影響因子，更加細致完善的研究多因子耦合作用下對絮凝體粒徑分布的影響。