粉煤灰提取液合成聚硅铁混凝剂及铅絮体分形研究

论文摘要

论文主要包括聚硅铁混凝剂的制备, DLA和DLCA模型中生长变量对其结构影响的探讨,铅絮体分形维数的测定与模型的模拟,铅絮体分形维数与絮体内部结构的关系,以及分形维数在能耗分配中的应用等五部分内容。（1）实验通过测定发现在60℃温度下,用1.8mol/L的氢氧化钠溶液浸取10g粉煤灰水浴加热38h,是粉煤灰液提取的最佳条件,然后将提取液冷却后,调节pH值至1.4左右,活化2.5h,添加铁化钾使Si/Fe摩尔比值为3.5,在45℃下聚合反应后,可制得无机高分子聚硅铁混凝剂,其密度为1.55kg/m3。（2）为了明确絮体生长变量（粒子数、凝结半径、运动步长等）对DLA和DLCA模型结构影响,实验通过改变单一生长变量的方法,经研究发现在DLA模型中,增加粒子数会使其结构变得疏松,分形维数降低,而增加凝结半径和运动步长,则会使其结构密实,分形维数增大;在DLCA模型中,其主要影响因素是粒子密度,发现增加粒子密度则会降低絮体分形维数,絮体变得疏松。（3）实验利用粉煤灰合成的聚硅铁混凝剂处理含铅的工业废水,混凝效果明显,铅离子去除率可达到95%以上。为了确定不同混凝条件对混凝机理的影响,首先根据影像分析法,测得絮体分形维数,然后以此为基本参数,进行了不同投加量和不同pH值下实拍铅絮体图片与MATLAB软件生成DLA的模型和OpenGL软件生成DLCA的模型对比,得出模拟的絮体模型与实测絮体具有一定的相似度,且当分形维数达到最大值时,絮体会从DLA模型转变成DLCA模型,并结合模型的生成过程得出混凝机理由多核羟基络合物的水解进行电中和及粘结架桥作用促使絮体生长变成网捕作用聚集絮体。（4）实验为了明确铅絮体分形维数与絮体表面结构特征的关系,在絮体干燥后进行了扫描电镜图片的拍摄以及XRD衍射仪的测定,发现在最佳混凝条件下絮体结构最密实,分形维数最大,同时通过分析铅离子去除率与分形维数之间的关系,发现两者有良好的相关性,因此通过分形维数与絮体表面微观结构的测定,可以实现对混凝效果进行在线监测,从而直接反应混凝程度与处理效果。（5）为了确定新型聚硅铁混凝剂处理含铅工业废水的最佳水力条件,实验将絮凝阶段的搅拌强度（G）和搅拌时间（t）分为不同的三个阶段,并利用正交试验得出每个阶段最优的水力条件为(G1=67.7s-1,t=3min),(G2=57.8 s-1,t=5min),(G3=23.9s-1,t=7min),同时结合分形理论在水处理中的应用,利用分形维数对最佳分配方案进行分析,得出每个阶段絮体适宜的分形维数分别是1.48,1.66和1.80,此时絮体结构密实而易沉降,能耗最低,因此将分形维数与能耗分配相结合,不仅可以有效的说明能耗分配方案的合理性,而且为絮凝池的设计提供科学的参数,使混凝阶段经济高效。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高分子混凝剂的研制与应用
• 1.2.1 聚铁高分子絮凝剂的研制与应用
• 1.2.2 利用废渣制备聚铁盐絮凝剂
• 1.2.3 Fe（Ⅲ）的水解反应
• 1.3 分形理论
• 1.4 分形理论在水处理中的应用
• 1.4.1 絮体模型模拟
• 1.4.2 絮凝体分形结构动力学生长模型
• 1.4.3 分形维数
• 1.4.4 利用分形维数研究混凝机理
• 1.4.5 分形理论在混凝中的展望
• 1.5 课题研究的意义、内容及创新点
• 1.5.1 课题提出的意义
• 1.5.2 课题的研究内容
• 1.5.3 课题创新点
• 第二章 聚硅铁混凝剂的制备及其应用
• 2.1 概述
• 2.2 实验仪器与材料
• 2.2.1 仪器与设备
• 2.2.2 材料
• 2.3 粉煤灰化学成分的分析
• 2.4 聚硅铁混凝剂的制备
• 2.5 混凝剂水力参数的确定
• 2.6 本章小结
• 第三章 絮体生长模型的模拟
• 3.1 概述
• 3.2 模拟絮凝体分形维数计算方法
• 3.3 絮体模型的模拟
• 3.3.1 DLA（Diffusion Cluster Aggregation）模型
• 3.3.2 DLCA（Diffusion—Limited Cluster Aggregation）模型的模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 铅絮体的分形维数测定与仿真模拟
• 4.1 概述
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验设备与仪器
• 4.2.2 实验材料
• 4.3 分形维数的测定
• 4.3.1 不同投加量下絮体分形维数的测定
• 4.3.2 不同pH 值下分形维数的测定
• 4.4 实测絮凝体与模拟结果对比
• 4.4.1 不同投加量下实测絮凝体与模拟结果对比
• 4.4.2 不同pH 值下实测絮凝体与模拟结果对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 聚硅铁混凝机理探讨
• 5.1 概述
• 5.2 聚硅铁混凝剂结构外貌特征
• 5.2.1 聚硅铁混凝剂扫描电镜结构特征
• 5.2.2 聚硅铁混凝剂粒径分布
• 5.2.3 聚硅铁混凝剂红外（IR）结构特征
• 5.3 利用分形絮体模型研究混凝机理
• 5.3.1 DLA 模型的形成过程
• 5.3.2 DLCA 模型的形成过程
• 5.3.3 不同投加量对混凝机理的影响
• 5.3.4 不同pH 值对混凝机理的影响
• 5.4 聚硅铁混凝剂混凝机理
• 5.5 本章小结
• 第六章 分形维数在混凝中的应用
• 6.1 概述
• 6.2 实验
• 6.3 分形维数与去除率、絮体表面微观形貌的关系
• 6.3.1 不同投加量下分形维数与去除率之间的关系
• 6.3.2 不同投加量下分形维数与絮体表面微观形貌的关系
• 6.3.3 不同pH 值下分形维数与铅离子去除率的关系
• 6.3.4 不同 pH 值下分形维数与絮体表面形貌的关系
• 6.4 分形维数对混凝中能耗分配优化的分析
• 6.4.1 实验水力参数
• 6.4.2 能耗分配实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录