zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用-工业工程专业毕业论文 52页

THERESEARCHONREAL．TIMEoNLINEMoNIToIUNGSYSTEMoFZETAPoTENTIALANDITSAPPLICATIoNINWASTEWATERTREATMENTABSTRACTWastewaterhasbecomeoneofthefactorsthatdamagetheenvironmentandhumanhealth，andthepapermillwastewaterisparticularlyserious．Atpresent，Flocculationprocessisgenerallyadoptedinthemiddlesectionofpapermaking．TheflocculantmostlyusesPACandPAM．TheadditionofPACandPAMreliesontheartificialexperience，whichisnotaccurateenough．Itislikelytocausetheadditioninsufficientorexcessive．鼢锄theadditionisinadequate，wastewatertreatmentwillbenotcomplete，increasingtheburdenonthesubsequentprocessingwastewater．Whentheadditionistoomuch，wastewaterwillbepollutedagainbytheflocculant，andthecostofprocessingwillbeincrease．Thispaperanalyzesthemechanismofflocculant，TheZetapotentialofthemiddle‘sectionofpapermakingwastewaterwasselectedasthebasisforguidingthecoagulantdosage，Inthispaper,theon—linedeterminationmethodandoptimaldosingcontrolofflocculantarestudied，inordertorealizetheautomaticoptimizationofflocculantdosing．Atpresent，ofallmeasuringinstrumentsofZetapotential，SZP04andNano—ZS90typeparticlesizeanalyzeraremostwildlyused，butbothareoff-linemeasuringinstruments，whichcannotbeusedfortheautomaticon—linecoagulantdosing．AccordingtotheclassicalHelmholtz—Smoluchowskiformulaandthestreamingpotentialmethod，thispaperhasdevelopedasetofzetapotentialreal-timeon—linedeterminationdevice．Thedeviceincludesviscosity,conductivitymeter,differentialpressuretransmitter,thecompositeceramicmembranetube，PLC，etc．Inaddition，fortheaccuracyofzetapotentialdetermination，thispaperalsostudiestheinfluenceofpressuredifferencetofindoutthebestoperatingⅡ万方数据ncondffions，whichmakestheaccuracyofZetapotentialdeterminationashighaspossible．ThispaperalsomadeacomparativeexperimentwithMalvinparticlesizeanalyzer,basicallyreflectingthechangetrendofZetapotential，whichcanbeusedfortheautomaticdosingofflocculant．Basedontheon—linemeasuringdevice，Zetapotentialvaluesweremeasuredunderdifferentdosesofflocculant．LeastsquaremethodisusedforcurvefittingtoobtaintheZetapotentialwhentheflocculationeffectwasthebest，whichisthegoaloftheneuralnetworkPIDcontroller．ThecontrollerconsistsofBPnetworkandPIDcontrollers．ThethreeparametersofPIDareadjustedbymeBPnetworktocontrolthedosageofflocculant．KEYWORDS：thetreatmentofwastewater；Zetapotential；PLC；neuralnetwork；WinCCⅡI万方数据n目录摘要．IA日STIcACTII第一章绪论．11．1研究背景和意义．．．．．．l1．2国内外造纸废水处理的方法。。11．2．1造纸废水的常规处理方法l1．2．2造纸废水的处理的新方法31．2．3絮凝法处理废水．．41．3造纸废水处理工艺．5l。4Zeta电位在废水处理中的应用及测定方法．61．4．1Zeta电位在造纸工业中的应用．．71．4．2Zeta电位测定方法，．．71．5研究内容．．．9第二章实时在线测定Zeta电位装置的研发112．1Zeta电位测定原理．．112．2Zeta电位的在线测定．．．122．2．1粘度值的在线测定132．2．2电导率的在线测定152．2．3流动电位和压力差的在线测定．．．．．172．3絮凝剂PAC与PAM最佳配比的确定．192．4压力差对Zeta电位测定结果的影响202．5自制装置精确性的验证。．202．6本章小结．．．．．21第三章Zeta电位实时在线监浏系统开发233．1PLC和WinCC概述233．1．1PLC简介．．233．1．2WinCC简介．．．．．．243．2PLC端的程序设计与开发．．．253．3WinCC端的项目设计．293．4本章小结．．32第四章基于Zeta电位的絮凝剂投加量优化控制33Ⅳ万方数据n4．1神经网络PID控制器简介．．．．．．．，．．．334．2最优控制目标的确定．．．．，．．364．3神经网络PID控制器模型构建．．374．3．1网络结构的确定。374．3．2神经网络PID模块的设计．．384．3．3仿真及结果分析．394．4本章小结．．．．．40第五章总结与展望425，l全文总结．．425．2工作展望．．43参教献44致谢．47攻读学位期间发表的学术论文目录．．48V万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用第一章绪论弟一早殖记1．1研究背景和意义目前，各种废水的任意排放，不仅危害人体健康、破坏环境，而且造成水资源短缺。因此对废水进行处理，将其转化为无害或者可再利用的水，已成为保护环境的重要举措。目前废水处理，一般采用絮凝法，而絮凝法的投放量一般依靠人工经验或者PH、COD等指标。根据絮凝剂的作用机理，降低胶体颗粒的表面电荷，使其脱稳、絮凝，然后用过滤等物理方法除去。PH、COD并不能反映胶体表面的带电量以及之间的斥力，因此，不适合作为絮凝剂投放的指导依据。Zeta电位是指胶体颗粒滑移面的电位，当投入絮凝剂时，滑移面上电位降低，颗粒之间的斥力减小，容易发生聚沉，因此，用Zeta电位指导絮凝剂的投加有科学依据。目前，Zeta电位的测定仪器主要以离线为主，不仅增加了工人的劳动量而且有一定滞后性，因此研制一套Zeta电位的实时在线测定装置，并找到絮凝效果最好时絮凝剂投加量，用以指导絮凝剂的科学投加，对于废水处理及环境保护具有重大的意义。1．2国内外造纸废水处理的方法国内外一直致力于造纸废水的防治研究[1】，发达国家通过自己的的努力以及政府的大力协助及投资，造纸废水的污染已得到了有效的控制，然而在国内，由于前期一直贯彻先发展后治理的方针，虽然近几年政府及企业也投入了巨大的人力财力，进行造纸废水的处理，但是效果跟发达国家相比还有一段差距。在造纸过程中，主要产生三类废水，蒸煮废液，洗浆的中段水，纸机白水【21。对于蒸煮废液，其主要成分为木素和碳水化合物、残碱、色素、戊糖以及溶出物等，目前大多数企业都已经建立碱回收系统，用碱法制浆来进行处理。中段废水[3】，成分相对比较复杂，主要含有纤维素、木素、糖类及溶出物等，是造纸废水中有毒物质的主要来源，如果任意排放，会严重破坏环境，属于造纸废水中比较难处理的阶段【4】。纸机自水，污染程度较小，较容易治理，而且部分还可以循环利用，因此不是造纸废水处理的关键阶段。1．2．1造纸废水的常规处理方法万方数据n广西大虚工程硕士掌位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其·在废水处理中的应用物理法【51，顾名思义，就是利用物理作用处理水中的污染物，主要用于除去水中颗粒较大的杂质，常用的物理方法有沉淀、吸附、气浮、砂滤等，回收的物质还可以生产纸板等普通物质。目前，振动筛和微滤技术也逐步运用到中段废水的处理之中，可以将固体悬浮颗粒分离出来一部分，大大降低了后面工序处理的负担。但是单独使用此方法，虽然运行简单，价格低廉，但是处理效果较差，可以与其他方法一起使用。化学法【6】是利用化学药品的氧化还原作用，将废水中的污染物从水中分离出来。目前比较常用的有臭氧氧化法、Fenton氧化法、光催化氧化法。臭氧氧化法是指臭氧在不同的催化剂作用下，产生羟基自由基的一种高级氧化工艺，具有氧化能力强、使用方便、去除污染物效果明显、不产生二次污染、剩余臭氧易分解的优点。但同时，臭氧氧化法也存在着耗电大、投资大、设备复杂等不利因素，因此研究高浓度的臭氧产生器，与其他新技术联合使用是目前的研究方法。Fenton氧化法是一种高级的氧化技术，具有处理效率高，设备简单等优点，它是利用H202和Fe2+反应产生自由基，从而破坏废液中有机物的链式结构，改变其发色的官能团，生成小分子结构，相对来言，较易处理，甚至部分有机物被氧化。达到除去污染物降低色度的作用。但是Fenton氧化法也有其自身不容忽视的缺点，在氧化反应中会产生很多亚铁离子，因此也需要与其他技术结合，并加强对铁离子的回收。光催化氧化法是指在不同波长的光照条件下，光氧化剂发生氧化反应。其中氧化剂目前多采用光敏半导材料，这种材料在光的作用下，产生羟基自由基，这种自由基具有较强的氧化能力，其再与废水中的有机污染物发生反应，最终生成C02等物质。由于这种方法具有适用范围广、反应条件简单等有利因素，对其的报道研究较多。这种方法主要的缺点就是降解率较低、光源利用不够，目前对这种技术的研究热点集中在新型的光催化材料上。生物法[7,81是利用微生物降解，将有机物变为无机物来处理废水。生物法主要是用于去除废水中溶解的胶体悬浮物的。厌氧法是利用厌氧微生物降解代谢来处理废水，这种微生物不需氧气。厌氧法的优点主要有：需少量或不需营养物，不需曝气，产生较少的污泥，易于脱水，占地少，操作简便，但厌氧微生物增值率较缓慢，设备启动时间较长，因此，对于处理要求较严格的废水，不适于此方法，一般情况下，会与好氧处理法联合使用，可以达到事半功倍的效果。活性污泥法是应用最为普遍的好氧微生物处理技术，它是利用微生物将废水转化为’万方数据n厂’西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监狈g系统的研究及其在废水处理中的应用无害的物质，从而达到净化的作用。生物酶处理技术与其好氧、厌氧处理方法相比，此法具有反应条件温和、催化效能高、对设备情况要求和废水质量要求较低，反应速度迅速，对污染物适应范围广，并且可以重复使用等优点。但是其技术成本高，而且处理条件相对苛刻，耐冲击能力较差，易失去活性。1．2．2造纸废水的处理的新方法目前造纸废水处理的新方法【9,10,11]主要有膜分离法、复合仿酶处理新技术、超临界水氧化技术。膜分离法【12】是使液体中的某些成分通过特殊的薄膜，从而能被过滤的方法。常用的膜分离方法有超膜、反渗透膜、微膜等。膜分离方法可以将过滤的水重复用于生产，且其装置简单、易维修、操作简便等优点，将膜分离技术用于造纸中段废水的处理是现在研究的热点问题。目前有研究人员将聚丙烯睛作为基膜，壳聚糖作为改性剂采用紫外辐射方法制备了一种新型纳滤膜来处理废水，其对钠的截流率非常高，且浓缩液中的固形物的含量、燃烧热比原废液都有了大幅度提高，因此可满足碱回收工段的要求。膜分离技术的缺点，如膜将容易被污染、分离效果降低、膜组件价格偏高等。但是随着更深入的研究膜分离技术，其在造纸中段废水处理等方面将具有更大的应用前景，实现造纸废水的零污染、零排放。复合仿酶处理[13】新技术就是模仿天然酶的分子结构设计的非蛋白质的分子或是分子结合体，这种分子体比天然酶更简单稳定，但是其功能优异。仿酶技术的反应机理，主要有以下几点：首先在酸性条件下，含铁络合物或者铁离子的催化作用将H202分解为氢氧根。其次，由于反应体系中同时存在Fe2+和各种有机羧酸，必然会有新的各种带有Fe2+的新的化合物生成，这使体系使得催化剂的数量大幅度增加，可以加快高反应速度，同时加大pH的范围。仿酶处理作为新兴技术，较传统的酶处理技术有许多显著的优点，不仅可以弥补酶处理的不足，而且工艺简单，运行较稳定，成本低廉，即使是高浓度的COD废水也能达要求的排放标准。超临界水氧化技术[14,,51是指在超临界状态下，水成为有机物和氧的良好溶剂。这样有机物可以在富氧中进行氧化还原反应，从而被分解为水、二氧化碳等化合物。在目前1万方数据n广西大虚工程硕士掌位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的压【用有些较难降解的有机废物面前，超临界水氧化技术提供了一个新的思路。Model等研究人员做了超临界水氧化处理，实验对象为有机炭含量达27．339／L的废水，在实验条件下，1分钟之内就使有机氯、有机炭的去除率分别达到99％之上。因此此技术具有良好的工业应用前景，但是它的反应条件要求高温、高压，一般设备难以满足，因此目前有些技术仍需要亟待解决。虽然超临界水氧化技术有较好应用前景，但也存在不足，造纸废水的胶体悬浮物容易腐蚀容器、盐沉积易堵塞等，需进一研究。1．2．3絮凝法处理废水上述所说的各种方法，代表了废水处理的研究方向，但是由于其处理效果差强人意或者技术的不成熟以及引进的成本太大，许多中小型企业无力承担等原因，并没有真正的大规模投入使用，目前造纸中段废水处理中，最常用的是絮凝法，它具有引进成本低、操作方便、对设备要求低、处理效果可以满足要求等优点。在絮凝法处理废水中，常用到的絮凝剂是聚合氯化铝(PAC)和助凝剂聚合氯化铝(PAC)[16,17】，其中PAM是一种无机混凝剂，化学式较复杂为∥t(OH)。C酝。k。其中三价爿，不够稳定与水分子发生反应形h-鼢t(H20)，+，它在不同的PH下发生沉淀，沉淀物一般为AI(OH)3(HeO)3和朋t(OH)j(HeO)dj。Al(I丁：D)}寸[么z(0日)，∞：o)，】冉+日+[AI(OH)30tD)5]2+—}[彳，旧)20r彳2D)4]++H+tAl(O／7)2∞：D)。】+--+[[a60n),(HzO)3]+H+PAM是一种高分子的助凝剂，分子式为(C3HsNO)。。11为聚合度，一般与PAC一起使用，很少单独使用助凝剂。实验表明，在配比中，搅拌速度和投入时间及先后顺序对于絮凝的好坏是至关重要的，当废液浊度较低时，一般先加入PAC，让其水中的颗粒脱稳、絮凝，然后再加入PAM搅拌，当废液浊度较高时，先加入PAM吸附一定量的悬浮胶体颗粒，降低浊度，然后再加入PAC，继续使胶体脱稳，最后再一次加入PAC，这样可以节约PAC的用量。絮凝剂的作用【18】是使悬浮液中的胶体颗粒脱稳，从而用过滤的方法除去。目前主要的脱稳机理有电性中和、吸附架桥、压缩双电层、卷扫或者网捕。电性中和，比较好理解，就是在待处理的废液中加入絮凝剂，絮凝剂本身带的电荷中和了溶液中胶体颗粒的电荷，从而使胶体颗粒脱稳、聚沉。吸附架桥；吸附架桥，就是聚合离子或者带有电荷的高分子物质，它们的活性部位在静电力、配位键、范德华力等作用下与微粒架桥连4万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用接起来，从而形成较大的絮凝体；压缩双电层，在废液中加入絮凝剂，絮凝剂中多余的电荷会进入双电层，双电层中多余的反粒子，会使扩散层变薄，静电斥力减小，从而悬浮胶体颗粒脱稳、聚沉。卷扫或者网捕是指当加入较多絮凝剂，会产生大量的氢氧化物等沉淀，在此过程中，悬浮胶体颗粒会被沉淀物网捕或者卷扫，从而除去t191。1．3造纸废水处理工艺随着造纸工业近些年的飞速发展，造纸废水的治理已成为人类关注的重大问题。造纸工业是能耗高、环境破坏大、投资大的行业，其特点之一就是废水排放量大，化学需氧量高，废液中悬浮胶体颗粒多。据统计资料显示，近年制浆造纸废水排放总量接近32亿吨，占全国工业废水排放量的17％，位于第2位，其中污水的排放中，COD排放量接近164万吨，约占全国cOD排放总量的35％，位于第1位。造纸废水对保护水资源、保护环境、维持生态平衡、促进经济发展起着举足轻重的作用，如何快速有效的治理造纸废水已成为进来研究的热点之一。在制浆造纸的生产过程中，各个工段、车间都有排放废液排放出来，根据废水来源的不同，我国一般将造纸制浆废水分为黑红夜、中段废水、白水三大类。这些废水含有的污染物主要分为以下三类，第一类：以COD为指标的还原物质，如无机盐、木质素等；第二类：以BOD(生化需氧量)为指标的可生物降解的物质，如半纤维素、低分子糖、有机酸、树脂酸、醇等；第三类：以COLOR为指标的色素类，如染料等。用絮凝方法[20]对造纸中段废水的处理，既能有效去除SS，还能降低COD和BOD，还可以去除纤维素、木质素、有机物等这些难以降解的大分子物质。絮凝法[21]的作用原理就是利用絮凝剂将污染物的电荷中和、吸附架桥、从而使微粒絮凝，再过滤去除。絮凝方法还有很好的脱色能力，可以对无机物有机物都起到净化作用。因此它可以用于污染物含量较高的废液。但絮凝法不可去除可以溶解的物质、难以实现将废水处理达标，因此一般联合使用其他方法来进行废水的处理。例如，混凝沉淀．好氧生物处理方法、混凝沉淀一化学氧化处理方法，但是一般选择混凝沉淀一活性污泥工艺的较多。造纸废水进入捞浆池，初步调节水质和水量，从而降低须后生物化学处理对装置的破坏。废液用物理法去除颗粒性杂质，然后进入集水井，通过均调池，进一步沉淀去除较细的悬浮物和泥沙。在反应池内，投入聚合氯化物PAC，搅拌使PAC与废水混合均匀，再加入丙烯酰胺PAM作为助凝剂，废液中的细小颗粒凝结成较大颗粒，过滤去除。而且絮凝法还可以去除一部分色素，然后进入污泥浓缩池，进行泥水分离。具体流程如图气万方数据n广。酉大虚工程硕士掌位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用1．I所示。废浆A外卖<一一一一一一一一甲——不一由中段废水图卜1中段废水一级处理工艺图Fig．1一ITheprimarytreatmentofpapermakingmidcoursewastewater在进行完一级处理后，废水进入二级处理的中间水池，中间水池调节、控制氧化塔的进水速度，用以降低对曝气池的负荷冲击。泥水在曝气的作用下，可以得到足够的溶解氧，此时，废水与活性泥充分接触，其中的有机废物被活性污泥吸附，然后被微生物分解。在沉淀池内，已净化的废水与污泥分开，此时，废水就可以排放了。污泥在污泥浓缩池进行浓缩，一部分送回曝气池，由于活性污泥内的微生物不断增长，一部分经过带压式滤机脱水后往外运出进行处理。为了防止沉淀池排出的水有太多微生物，一般选择加入一些消毒剂。具体流程见图1—2。咖n试剂}___生等圳污泥外运+Fenton氧化塔碱}-一．I匦囊产中段废水。●。。。-'-_●●_●-。'_一中和脱气池PAM|-一一一一一一一'一砸麴沉淀池达标排放图1．2中段废水二级处理工艺图Fig．1-2Thesecondarytreatmentofpapermakingmidcoursewastewater1．4Zeta电位在废水处理中的应用及测定方法溶液中一般存在悬浮胶体颗粒，这些颗粒表面带有的电荷会影响溶液内离子分布的变化，进而引起电势的变化。目前。描述溶液中微粒带电性质的理论主要有Helmholtz提6万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用出的平板电容式双电层、Stem提出的扩散双电层、Chapman和Gouy提出的扩散双电层，其qbStem提出的扩散双电层应用最为广泛。以负离子为例，由于电荷吸附，带有负离子的颗粒表面会密密的聚集许多正电荷，形成吸附层，随着电荷问引力的减少，这种吸附力会越来越小，而吸附层正电荷的排斥力会增大，带电颗粒周围的正电荷也会越来越少，从而成扩散层[22，231。当有外力作用于胶体颗粒时，扩散层中有一部分随颗粒一起做布朗运动，一部分分散在溶液中，不随颗粒运动，将扩散层中动与不动的界面成为滑移面，此处的电位即为Zeta电位[24,251《亏一电位)，Zeta电位可以通过电动现象直接测定。当Zeta电位的绝对值越大的时候，胶体体系越稳定，颗粒悬浮在溶液中，不容易沉降；当Zeta电位越小的时候，排斥力小于吸附力，颗粒会发生凝聚，从而可以用过滤的方法除去其中的杂质。胶体体系稳定主要有以下三个方面因素决定，其一，无规则的布朗运动，其二，静电斥力较大：最后，水化作用。1．4．1Zeta电位在造纸工业中的应用在造纸工业中Zeta电位有三方面的用途【261。首先，在造纸中段废水处理中，一般选用投加絮凝剂的方法进行处理。絮凝剂的作用机理就是压缩上电层，使悬浮在溶液中的胶体颗粒脱稳，然后用物理方法出去。由于Zeta电位是表征胶体体系稳定性的，因此可以作为指导絮凝剂投加的重要依据。其次，在纸张成型过程中，需要施胶、加入各种助剂，一方面需要保持一定的Zeta电位，使浓度较低的纸浆料、助剂、胶料等保持稳定，另一方面，又需要降低Zeta电位，使胶料、助剂等添加物最大限度的保持在纸纤维上，因此，在纸张成型前，需要加入一定的纸浆纤维等带有阳离子的助留剂，而助留剂既不是越多越好也不是越少越好，太少，中和反应不完全，太多助留剂，有使纸浆纤维带有过多的电荷，从而形成过大的斥力，过大的斥力影响纤维的附着。最后，造纸过程中的涂料，约百分之八十成分是颜料，因此颜料的稳定性是涂料制备成功的关键。比重为2．5~4．3的无机颜料和分散剂构成了颜料浆，要想保持其稳定，一方面要絮凝，一方面颜料颗粒要足够的小，这样颜料浆就不会沉降。因此，也需要测定Zeta电位[271。1．4。2Zeta电位测定方法万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用目前Zeta电位的测量方法【24‘,29,30l主要有电泳法、流动电流法、流动电位法、超声波法，其中电泳法、流动电位法较常用。(1)电泳法分散体系在电场力的作用下，带负电的颗粒向阳极移动，带正电的颗粒向阴极移动这样的电动现象称为电泳。其中，Zeta电位就是通过观测、测量在某一特定电场中颗粒的移动速度等来计算Zeta电位的131,32]。根据Helmholtz有公式1．1：f：—4k7r／u：K鲁(1-1)o一』、-一’1，‘￡EE式中(为Zeta电位，单位是mV；U为电泳速度，单位是um／s；Tl为分散介质粘度；单位是mPa-S，￡为分散体系介质的介电常数；E为电位梯度，单位为v／cm；u／E为电泳淌度；K为不同温度下‘电位与淌度的比值。在选定距离内，电泳所需的时间，即为电泳速度，单位为以微米／每秒：“=l／t(1．2)式中l为微粒所走的距离，单位为um：t为所需的时间，单位为秒s。E=U／L(1．3)式中，L为两极间的距离，单位为cm：U为外加电场直流电压，单位是V。测出必要的量，代入式子1．1，1．2，1-3UP可计算出Zeta电位，目前常用多普勒光效应来测定颗粒的移动距离和时间，它的工作原理为，电子束分解器将入射进来的激光分为入射光和参考光，参考光为多普勒效应做参考，从衰减器出来的入射光进入样品室。当光照在物体上，物体如果发生运动就会引起光频的变化，信号通过检测器、信号处理器输入计算机，即可得到代入公式计算出Zeta电位(2)流动电流法流动电流【33】也是常用的测定Zeta电位的方法，工作原理：电机带动活塞做往返运动，活塞表面与检测室内壁形成毛细管，待测液会在活塞的挤压下，向相反的方向运动，其中颗粒会附着在“毛细管”内，这样就构成了双电层结构，待测液带着颗粒的反粒子移动，从而就有流动电流形成。但是这时候的流动电流非常微弱，因此用电极测出以后，后续添加放大装置及同步整流器，经过灵敏度调整以后输出。具体工作原理如图卜3。万方数据nJ^’西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用出图I-3流动电流法工作原理图Fig．1-3Workingprinciplediagramofflowcurrentmethod(3)流动电位法流动电位法[34,35]是最常见的测定Zeta电位的方法。Zeta电位一般不能直接测量，需要间接测出其他物理量，进行计算得出。流动电位法是根据经典的Helmholtz-Smoluchowski方程，需要同时测出电导率、粘度计、压力差、流动电位才可以计算出Zeta电位。德国BTG公司制造的SZP04就是基于流动电位法测定的。SZP04主要有两大单元组成，分别是真空泵和测量单元构成。测量单元又有微型信息处理器、数字显示屏、控制板等组成。另一种比较常用的流动电位测量方法是纳米流动电位法。它的工作原理：将两片平板荷电膜叠在一起，构成毛细管道。当含有电解质的溶液进入毛细管道内，由于膜表面有不能移动的正电荷，这些正电荷会吸附溶液中的一部分负离子，形成吸附层，而溶液中另一部分负离子在压力作用下，在电荷板的后端聚集起来，同时不断进入的溶液又会使前段形成正电荷聚集，前后两端的电位差即为流动电位，在电荷板两端加一毫伏表，即可得出此时的流动电位，再测出其他物理量就可得出Zeta电位值。1．5研究内容在造纸中段废水处理工艺中，由于技术及引进成本等原因，目前大部分企业仍然选用絮凝法对造纸废水进行处理。但是絮凝剂的添加仍然依靠工人的经验，PH、COD等，难以反映絮凝剂的作用机理，根据前面所述，Zeta电位作为胶体颗粒滑移面上的电位，指导絮凝剂的投加具有科学依据。鉴于目前Zeta电位的测定仪器大部分都是离线测定，这样无疑增加了工人的劳动量，而且由于废水的不间断流出，用实验室测出的Zeta去指9万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用导絮凝剂的投加有一定的滞后性。根据上述，本文主要内容包括以下几点：1、首先介绍了课题研究的背景及意义，造纸废水处理的现状及工艺，絮凝剂作用机理及絮凝法处理造纸废水，然后重点介绍了Zeta电位的定义、测定方法，最后，总结了本文的主要工作。2、介绍了流动电位法测定Zeta电位的原理，并研发了实时在线测定Zeta电位装置一套，其中详细介绍了如何实现电导率仪、粘度计、压力差、流动电位的在线测定，并与马尔文粒度分析仪进行了对比试验，这一部分在最后还探讨了不同压力差、絮凝剂PAM与PAC的配比等条件对精确测定Zeta电位的影响。3、以PLC和WinCC为基础，设计了Zeta电位实时在线监控界面，在此界面上，可以实时读出Zeta电位值，为后续优化絮凝剂的投加奠定基础。4、用最小二乘法找出絮凝效果最好时的Zeta电位值，以此作为神经网络PID控制器的目标。设计了BP网络PID控制器，用有效指导絮凝剂的投加。仿真结果表明，该控制器可以在较短时间内使Zeta电位达到控制目标。5、对论文工作进行总结。10万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用第二章实时在线测定Zeta电位装置的研发在造纸企业中，中段废水一般采用絮凝法进行处理，根据前面所述，絮凝剂的投放量用Zeta电位作为指导反应了絮凝方法的作用机理，具有科学的依据。目前，Zeta电位的测量比较成熟的设备有马尔文粒度分析仪Nano．ZS90和德国BT公司制造的SZP04，两者都需要工人从废水池中取样，然后拿到实验室进行测量，这无疑会增加工人的劳动量，而且用此时测得的Zeta电位去指导絮凝剂的投加，有一定的滞后性，絮凝剂的投放量难免会有误差。因此，为了精确控制絮凝剂的投加，使废水处理的效果更好，不仅要研发Zeta电位的测定装置，而且，同时也要实现其实时在线测定的功能。2．1Zeta电位测定原理在常用的Zeta电位的测定方法[36,371中，电泳法是利用多普勒效应，测定胶体颗粒在一定距离下移动的时间，计算出其运行速度，从而计算出Zeta电位，测得的数据相对来说比较精确，但是装置要求复杂，一般较难实现。流动电流法主要是在活塞的作用下，管道壁与活塞内壁构成双电层结构，但是其测出的流动电流非常微弱，后续信号处理比较复杂，且容易被干扰，因此本文选流动电位法测定Zeta电位。在本套装置中，废水在高压自吸泵的作用下，流经复合陶瓷膜管。陶瓷膜管内壁吸附废水中的电子，构成双电层结构(如图2．1所示)，而另一部分电子在压力泵的作用下，在管的一端积累，形成电流厶，由于斥力作用，相反的电荷在管的另一端堆积，形成电流厶，当装置稳定运行时厶=厶，此时将银电极接入陶瓷膜管两端，测出此时得电位值，即为流动电位。吸附层if≮H一"4-干f￥’干I+’葺·耸一蔓二三；三；二纠蓬▲一十一一一一T'一+=-．p+_一+三二1【’’，‘f+f羊千+干’F千1‘千‘二，‘。图2-1陶瓷膜管内构造的双电层结构Fig．2-1Structureofthedoubleelectriclayerstructureintheceramicmembranetube然后继续测出电导率、粘度值、压力差，带入经典的H．S方程(如式2-1所示)，即可得到Zeta电位。万方数据n广西大虚工程司陆掌位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用f=甄去=EAF弦，，占，岛其中：f是Zeta电位；％是设备修正因子；k是溶液电导率：7-／是溶液粘度，；E是流动电位；s，为水的相对介电常数；占。是真空介电常数；△P是压力差。具体结构如图2．2所示。图2-2Zeta电位测定装置Fig．2-2Zetapotentialmeasuringdevice2．2Zeta电位的在线测定用前面所述的装置测定出的Zeta电位，仍然是离线测定，要完成在线测定，需要同时实现电导率、粘度值、压力差、流动电位的在线测定，本装置用PLC的数模转换模块和WinCC来完成。具体装置框图和实物图如图2．3和2—4所示。图2_3Zeta电位的在线测定Fig．2-3On-linedeterminationofZetapotential12万方数据n厂。西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用图2-4Zeta电位在线测定的实物图Fig．2-4Thephysicaldiagramoftheon—linedeterminationofZetapotential2．2．1粘度值的在线测定本装置采用数显粘度计NDJ．5S来测定液体的粘度值【381。其内部具有光电传感器、steppingmotor、SM8952八位微处理器等。由于该粘度计为离线测定，需要先测出粘度力矩，然后根据粘度值与粘度力矩的关系，得出粘度值。NDJ．5S的工作原理【38】如图2．5所示。厂＼～—／厂、、一—／匿E=三鱼辖简●IIl—焉rJ图2-5NDJ一5S粘度计工作原理图Fig．2-5WorkingprinciplediagramofNDJ一5Sviscometer万方数据n广西大虚工程硕士学位论文Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用当调整好NDJ一5S后，光电传感器l的中央正对与步进电机相连的装盘1的凹槽，同样的，光电传感器2的中央正对与游丝相连的转盘2凹槽的中央，步进电机带动转轴，按设定的转速进行匀速转动，但是由于液体的粘性阻力，与步进电机相连的转盘1较快于与游丝相连的转盘2而转动，当运行稳定时，两者先后经过光电传感器的时间差为4t，根据游丝转矩与时间差的关系，计算出游丝的扭矩T，而粘度力矩M正好等于扭矩T，带入粘度值与粘度力矩的关系式：M，11、772丽‘可一列(2—2)其中，R-：内转桶半径，R2：外转筒半径，n：液体粘度，M：粘度力矩，L：转轴浸入水中的长度；Q：转轴转动的角速度。为实现其在线测定，首先将其光电传感器1、2的输出线号接入微处理器的INT0、INTl两个管脚，写出程序，用微处理器采集出时间差At，并将其转化为模拟量输入PLC的数模装换模块SM331中，滤波后，在STEP7上写出程序，实时计算出时间差。对于式2-2，粘度值与粘度力矩有关，粘度力矩与游丝的扭矩有关，而游丝的扭矩与时间差有关，因此要想实时测出粘度值，主要在于时间差的精确采集。取多组不同粘度值的溶液进行测定。记录时间差与扭矩T之间的关系，建立数学模型，在STEP7上编程实现，当后续采集到不同的时问差信号时，即可实时计算出rl。具体流程图如图2．6所示，具体实物图如图2．7所示。掣④土＼、竺竺兰／／启甜f中断t华否琴001S输入上位机模型中输入SM331模块相邻时间差是＼Y否