李 星 張正磊
（哈爾濱建筑大學） （山東省城市建設學校）
齊文明
（深圳市龍崗德興房地產開發公司）

　　摘 要：對顆粒物質的分散和破碎過程很少進行研究。本研究利用一種全新的顆粒在線檢測技術——透光脈動檢測技術，對不同組成的顆粒物質在水中破碎的過程進行檢測。結果表明該技術可詳細地描述出顆粒物質的破碎情況，具有很大的實用價值，從而發展出一種用于顆粒物質破碎或分散過程的全新在線檢測方法和手段。
　　關鍵詞：透光脈動檢測技術；顆粒破碎；在線檢測

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. 簡介

　　在水處理領域中，一般多考慮水中顆粒物質的凝聚或絮凝過程。在長期的研究和實際應用中，已發現和使用了多種測定方法和檢測手段。其逆過程的散凝、分散或破碎過程，則研究的相對較少，檢測手段和測定方法不多。分散或破碎現象普遍存在于各種實際過程中，在有剪切力的條件下，含有顆粒物質的液體中會同時存在聚集和分散的兩種過程，只是由于控制了不同階段的剪切力使得水處理過程中凝聚或絮凝過程等占主要地位。但在許多條件下，顆粒破碎、分解過程會產生巨大的影響。在某些應用中，要考慮顆粒在水中的溶解、分散過程，而用一般的檢測方法對該過程進行快速、連續地檢測分析有相當大的困難。透光脈動檢測技術是一種全新的可以反映顆粒聚集狀態的在線檢測技術，利用該技術對不同組成成分的顆粒物質在水中破碎和分散情況進行檢測，從而發展出一種用于顆粒物質破碎或溶解過程的全新在線檢測技術^[1]。

1. 透光脈動檢測原理

　　在有懸浮液流動的管狀器皿兩側分別設置光源和檢測器，如圖1（a）所示，當一束光線透射過含有顆粒物質的懸浮液時，光束照射到體積中的顆粒數量是隨機變化的，透射光強度也會隨之發生變化，會觀察到圖1（b）所示的透射光強度的脈動現象^[2]。檢測器輸出的帶有脈動現象的透射光強度信號可以看成由兩部分組成，一部分為直流成分（V_dc值），相當于平均透射光強度（V值）；V_dc值值在相當程度上可以反映相對濁度值及變化程度。另一部分是非常小的脈動成分（V_ac值），相當于顆粒數隨機變化程度（V_R值）。將信號的脈動成分分離，經過一定的數學運算就可以得到反映脈動程度的表達式。如假定光束在懸浮液中的長度為L，光束有效截面積為A，經過推導可得到如下比值形式的表達式：

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

　　R為檢測儀的輸出值，可表示顆粒相對粒徑及變化趨勢。從式（1）可看到，對于固定的檢測儀器，L／A值不變，由于顆粒在破碎工程中的光散射特性基本不變，所以R值可以反映出相對顆粒數量，并與顆粒濃度的平方根成正比。在其他研究中通過顯微照相結果的平行對比表明，R值的確與絮凝體顆粒濃度及其變化趨勢呈良好的相關性，可直接用R值表示顆粒的相對大小和變化趨勢。因此本研究中僅用R值來考察顆粒分散和破碎的變化情況。
　　為便于在實際中進行測定，對式（1）進行轉換，使得根據測定的V_dc值和R值，就可得到顆粒濃度的相對數值及其變化情況^[3]。經過一定的數學推導，可以得到如下的表達式：

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

　　E=ln(V₀／V)為吸光度，取決于顆粒的散射表面積和數量濃度，可由DC值換算得到；其中V₀為潔凈水的V_dc值。由于L／A是一個固定不變的值，則E／R值與顆粒濃度平方根成正比，如式（2）所示。盡管在公式推導時僅限于均相懸浮液，但對有顆粒粒徑分布的實際懸浮液，R值仍是顯示分散或破碎程度的有效指標。

　　由于存在各種不定因素，用此方法不易得到絕對的顆粒濃度，因而，采取一個“相對數目”值來表達，用1000×（E/R)²表示就可得到一個適宜的數值坐標，對不同樣品的相對顆粒數目進行表示和對比，會更容易和直觀。

2. 顆粒樣品及試驗過程

　　對兩種固體顆粒在水中的分散過程和破碎特性進行檢測。樣品的基本組成參數如下：GN387樣品：方解石（碳酸鈣40）為86.2%；聚乙二醇1500為13.8%；其中碳酸鈣40的平均顆粒粒徑為18μm。PN244樣品：沸石為68.6%，檸檬酸三鈉為11.3%，水為20.4%；其中沸石的平均粒徑為5μm。雖然顆粒樣品的組成顆粒粒徑均很小，但它們形成的固體顆粒粒徑很大，可達1mm以上。
　　試驗裝置如圖2所示，顆粒在線檢測儀為英國生產的PDA2000型儀器^[4]。試驗中用500mL的清潔自來水裝入1.0L燒杯中，以270rpm（對應的G值為364s^－1）的速度攪拌，將1.0克的顆粒樣品（固體濃度為2000mg/L）加入燒杯中。同時進行連續取樣，使含有顆粒物質的水樣不斷流過傳感器。檢測結果在檢測儀上顯示，并連續輸出到記錄儀上。然后對結果進行分析和對比。

3. 試驗結果的一般形式

　　樣品GN387的結果如圖3所示。在投加樣品的初始階段，R值由很低值迅速增加，并出現一個峰值，之后很快趨于平衡。DC值也在初始階段迅速下降，之后很快達到平衡狀態。R值和DC值都在約100s后基本達到穩定狀態，表明該種顆粒在水中可迅速破碎并分散成小顆粒，其水的濕潤滲透性良好。

　　

　　圖4為樣品PN244的結果，初始階段R值和DC值的變化趨勢與圖3相似，但變化速度較慢且幅度較小。在隨后的階段中R值和DC值呈進一步緩慢下降趨勢，表明顆粒在水中仍在逐步破碎。該破碎過程持續到整個試驗結束時仍在繼續。這種現象表明該種顆粒物質的水濕潤滲透性較差。

4. 數據的換算和分析

　　圖5、6所示為圖3、4的結果根據式（2）換算得到的，這里均采用相對顆粒數量來表示。圖5的結果表明在水中投加顆粒樣品后，顆粒數目都迅速增加，隨后增加變緩。在此攪拌條件下，僅經過600～800s相對顆粒數就基本不再變化。

　　PN244樣品的結果相差很大，如圖6所示。顆粒破碎速度很慢，顆粒數目的增長與攪拌時間基本上呈直線關系。經過30min的攪拌后，顆粒數目仍持續增加。
　　從這兩種樣品在水中的破碎和分散速度及變化情況看，GN387顆粒很易為水濕潤，投加到水中后，大顆粒結構迅速受水浸入的影響而不斷破碎和分散，形成的微小顆粒很快散布于水中。PN244的顆粒在水中的破碎速度相對慢得多，一方面可能由于在此攪拌條件下，不足以提供足夠的剪切力，另一方面可能由于水向顆粒內部滲透的速度較慢，使顆粒的破碎速度大大降低。
　　在試驗過程的不同階段，通過顯微鏡對含有顆粒的水樣進行觀察的結果表明，顆粒的分散和破碎程度與檢測儀R值的變化趨勢很相似。

5. 攪拌條件的影響

　　考察顆粒樣品破碎及分散可能的最終情況，用高速攪拌機對樣品進行破碎，轉速約3000rpm，攪拌時間1.0min。在此條件下，顆粒會有很大程度的破碎。用檢測儀測定破碎后的樣品，再換算成相對顆粒數目。將高速攪拌的結果與常規攪拌的結果進行定量對比，如表1所示。

表1 相對顆粒數目對比

樣品名稱

慢速攪拌顆粒數

快速攪拌顆粒數

GN387

5

17

PN244

100

900

　　可見高速攪拌后的顆粒相對數目遠遠高于其它攪拌條件下的結果。如果假設高速攪拌可使絕大多數顆粒得到完全的破碎和分散，則其它攪拌條件下顆粒分散和破碎程度很顯然不能滿足要求。從表1中可清楚地看到，樣品GN387在270rpm攪速30min后，所達到的破碎和分散程度為其最終分散程度的約三分之一，而PN244僅達到完全分散的約10%。從方解石和沸石樣品中顆粒粒徑的不同及配制的差別中可以看出，沸石樣品的數目濃度要高出約40倍。
　　從以上的結果可以看到，利用這種全新在線顆粒檢測技術，可對顆粒物質在有剪切力作用下的分散和破碎程度及過程的細節進行全面的記錄，并可通過半定量的數據分析顆粒物質的某些特性，提供非常有價值的數據。這為該方面的研究和實際應用提供了一種嶄新的連續在線檢測方法和手段。

6. 結論

　　用透光脈動檢測技術對固體顆粒的分散與破碎過程進行檢測和研究，使得有可能了解該過程的全部細節，從而提供了一種研究顆粒分散和破碎特性以及類似分散過程的新的檢測方法和手段。研究結果表明，該類固體顆粒的組成成分和構造可能是影響其分散和破碎過程的重要因素，增加剪切力有助于該過程的進行。

參考文獻

　　[1] 李星．懸浮液透光率脈動檢測技術與應用研究．[博士論文]：哈爾濱：哈爾濱建筑大學，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

李星簡歷
　　李星，男，1963年2月生人。1985年畢業于哈爾濱建筑工程學院，1988年獲碩士學位；1990～1993年赴英國留學；1995年獲得博士學位，1996年進入博士后流動站。現為哈爾濱工業大學市政環境工程學院教授，從事環境工程和水處理工程的科研和教學工作。參加了建設部及國家“七五”、“八五”“及九五”重點攻關項目，主持了國家教委優秀青年教師基金和國家自然科學基金等項目，獲得國家發明三等獎，建設部科技進步一等獎，省科技進步二等獎等數項科技成果和科技獎項。在國內外發表科技論文近二十篇。指導碩士研究生多名。

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　　注：原刊于《哈爾濱建筑大學學報》，1999第，第6期。