基本介紹
- 中文名：自由沉澱
- 外文名：free sedimentation
- 現象：由上自下逐漸變清
- 適用條件：懸浮顆粒濃度較低的體系
- 特點：不具有凝聚的性能
- 沉澱軌跡：直線
簡介,顆粒沉速公式,自由沉澱實驗,實驗目的,實驗步驟,注意事項,
簡介
自由沉澱發生在水中懸浮固體濃度不高的體系中，在沉澱過程中懸浮固體之間互不干擾，也不受器壁的影響，顆粒能夠各自單獨進行沉澱，顆粒的沉澱軌跡呈直線。自由沉澱過程中，由於泥沙顆粒的不斷下沉，沉降水柱從下往上不斷變清，除了在水柱底部有積泥外，清水與渾水之間沒有明顯的界面。
在實際水體中，影響顆粒沉澱的因素很多，為了簡化討論，常假定：(1)顆粒外形為球形，不可壓縮，也無凝聚性，沉澱過程中其大小、形狀和重量等均不變；(2)水處於靜止狀態；(3)顆粒沉澱僅受重力和水的阻力作用。
顆粒沉速公式
顆粒在沉澱過程中，受到重力Fg，浮力Fb和流體阻力Fd的作用。在開始沉澱時，顆粒在重力作用下產生加速運動，但同時水的阻力也逐漸增大。經過很短的時間後，作用於水中顆粒的重力、浮力和阻力達到平衡。此後，顆粒開始以勻速下沉，此時，顆粒的沉速公式為：
u2=4g（ρp-ρ）dp/3CDρ
式中：u—顆粒與流體之間的相對運行速度，m/s；dp—顆粒直徑，m；ρp—顆粒密度，kg/m3；ρ—水的密度，kg/m3；CD一阻力係數；g—重力加速度，m/s2。
其中CD由實驗確定，與雷諾數Re有關，如右圖所示。
當Re<1時，為層流區，u=（ρp-ρ）gdp2/18μ （Stokes公式）；
1<Re<103，為過渡流區，u=[4（ρp-ρ）2g2/225μρ]1/3dp（Fair公式）；
103<Re<105，為紊流區，u2=3.0276（ρp-ρ）dpg/ρ（Newton公式）；
式中：μ—水的粘度，Pa·s。
Stokes公式表明：(1) 顆粒與水的密度差(ρp-ρ)愈大，沉速愈快，成正比關係。(2)顆粒直徑愈大，沉速愈快，與顆粒直徑成平方關係。一般地，沉澱只能去除d>20μm的顆粒，通過混凝處理可以增大顆粒粒徑；(3) 沉速與水的粘度，成反比關係。因粘度與水溫成反比，故提高水溫有利於加速沉澱。
自由沉澱實驗
實驗目的
(1)通過實驗加深對自由沉澱的概念、特點和規律的理解；
(2) 掌握顆粒自由沉澱實驗方法，並能對實驗數據進行分析、整理、計算，能繪製顆粒自由沉澱曲線。
實驗步驟
實驗裝置如右圖所示：
(1) 將一定量的高嶺土投入配水箱中，開動攪拌機，充分攪拌。(2) 待水箱中水質均勻後，取水樣約200 mL，測定懸浮物(SS)質量濃度C0。(3) 啟動水泵將混合液注入沉澱管至一定高度，當水開始從溢流口流出時，關閉閥門，停泵，停止攪拌，並且記錄高度值。打開秒表，開始記錄沉澱時間。(4) 沉澱實驗開始。在5，10，20，30，60 min時，在取樣口分別取水200～300 mL。測定懸浮物質量濃度(Ct)。(5) 每次取樣應先排出取樣口中的積水，減少誤差，然後測量沉澱柱中液面至取樣口的高度。(6) 測定每一沉澱時間的水樣的懸浮物質量濃度固體量。首先調節烘箱溫度至(105士1)℃，疊好濾紙放人稱量瓶中，打開蓋子，將稱量瓶放入105℃烘箱中烘至恆重，稱取質量；然後將恆重的濾紙取出放在玻璃漏斗中，用移液管準確移取100 mL水樣至漏斗中，過濾水樣，並用蒸餾水沖淨，使懸浮性固體全都黏附於濾紙；最後將帶有濾渣的濾紙移入稱量瓶中，稱量懸浮物的質量(重複烘乾至恆重的過程，烘乾2 h以上)。(7) 懸浮物質量濃度c按照如下公式計算：
c=
式中：w1—稱量瓶質量+濾紙質量，g；w2—稱量瓶質量+濾紙質量+懸浮物質量，g；V—水樣體積(100 mL)；c—懸浮物質量濃度，mg/L。
注意事項
(1) 向沉澱柱內注水時，速度要適中，既要較快完成進水，以防進水中一些較重顆粒沉澱，又要防止速度過快造成柱內水體紊動，影響靜沉實驗效果。
(2) 取樣前，一定要記錄柱中水面至取樣口的距離H (以cm計)。
(3) 取樣時，應先排出取樣管中積水。每次取樣體積為200—300 mL。
(4) 測定懸浮物時，因顆粒較重，從燒杯取樣時要邊攪邊吸，以保證兩平行水樣的均勻度。附於移液管壁上的細小顆粒一定要用蒸餾水洗淨。
