基于zeta电位检测的废水处理系统设计 5页

第30卷第2期钦州学院学报2015年02月Vo!．30NO．2JOURNALOFQINZHOUUNIVERSITYFeb．，2015基于zeta电位检测的废水处理系统设计方浚丞，张圆圆(钦州学院物理与电子工程学院，广西钦州535000)[摘要]目前大部分zeta电位仪测量废水时均采用离线方式，不利于实现金自动化。在实验室条件下自主研制了一种基于zeta电位的在线检测装置，先采用流动电位法来测量zeta电位，然后将测出的废水的zeta电位与Nano—ZS90型仪器所测的结果进行对比。实验表明自主研发装置测量精度达到IEC一1S级，可以用来指导絮凝剂的添加。[关键词]zeta电位；流动电位法；Nano-ZS90型仪器；絮凝剂[中图分类号]TP183[文献标识码]A[文章编号]1673—8314(2015)02—0012一O5制浆造纸工业是一个与国民经济息息相关的水处理中絮凝剂的投放是根据COD的含量作为行业，同时也是一个用水量大、对环境污染严重的标准，即是根据人工经验的方式采用粗放型投法，行业。这是由于造纸工业废水排放量大，废水中其投放量不够准确。添加絮凝剂过多，絮凝效果又含有大量的纤维素、木质素、无机碱以及单宁、不好，且导致二次污染，也造成经济上的浪费；添树脂、蛋白质等，致使废水色度深、碱度大，难降加过少，废水中仍有带电颗粒物存在，致使废水中解、耗氧量大，使整个水体和生态环境遭到严重破的悬浮物不能完全沉淀，不能达到废水净化处理坏¨。由于用来造纸的原料很丰富，有木材、麦的要求。因此，必须采取一种有效的方法控制絮草、蔗渣以及回收的废纸等，导致废水含有各种污凝剂的投放。染成分，处理起来非常困难。尤其是回收的废纸，1基本原理利用前要经过脱墨、筛选、洗涤等单元操作，产生了大量的细小纤维和其他细小固体颗粒。这些悬由于水中胶体的带电性，使得水中胶体具有所谓的双电层结构J。废液中悬浮的胶体颗粒浮物使废水的浊度和色度升高。同时，废水中因所带的负电荷能影响其表面附近水中离子的分含有大量的细纤维、树脂、色料及其他杂质，使布，水中正电荷的离子受胶体电荷吸引而趋向于COD、BOD、浊度及色度较大，很难直接采用生物胶体的表面，带负电荷的离子被胶体电荷排斥而降解法。但是化学法可以利用有效的絮凝剂处理远离胶体表面，使胶体附近的正、负离子产生相互废水，可以使其中的细小纤维和其他细小颗粒悬分离的趋势。此时，在热运动的趋势下正、负离子浮物凝聚沉淀出来。因此，造纸废水处理的关键又恢复到相互混合的状态。由这两种相反的之处是采用高效与经济合理的絮凝剂。絮凝剂的趋势共同作用，剩余的正离子以扩散状态游离在胶用量直接影响到化学混凝的效果，目前在造纸废[收稿日期]20t4—11—12[基金项目]钦州学院校级科研项目：基于物联网的虾塘水质检测(2014XJKY一57C)。[作者简介]方浚丞(1987一)，男，广西钦州人，钦州学院物理与电子工程学院助教。nn14钦州学院学报第30卷孔直径25mm，膜体孔径为50ram，切面图见图4。的橡胶塞应打开，电极内部液位必须高于被测液本装置中采用的管状膜的材料是陶瓷膜，也称为体的液位，电极外表如附有晶体时，应用蒸馏水洗CT膜，其主要由AlO。和TiO等无机材料组去，测试时也需定时清洗。成，与有机膜相比，具有的优点：化学稳定性好，能HG2840B台式四位半数字毫伏表，采用美国耐酸碱；机械强度大，可以承受kPa级压强；易冲进口高精度CMOSA／D转换器，通过增加控制转洗，不易引起堵塞；使用寿命长。该陶瓷膜表面具换、可变增益控制、精密仪器放大、高精度真有效有纳滤膜的特性，与胶体溶液接触时，膜表面中引值／直流电压(TRMS／DC)变换器等电路，实现交入了带电基团能够对胶体周围的离子吸附或排斥。直流毫伏、微伏级电压的精确多量程测量。显示因此测量池的设计选用多孔管状陶瓷膜。采用LED数码管，测量速率2．5次／秒，输入极性开始测量时，抽水泵将取样池的废水以一定自动判别，温度自动补偿，超量程闪烁报警。测量的压力抽人测量池，产生的流动电位由连接在陶过程中要注意三项：首先是热电势对测量精度的瓷管口处的电极上的毫伏万用表测出。检测过程影响。常规测量时，因测量值较大，仪表与被测温中测量池两端的压力差可以通过调节抽水泵的流度相差很小，两个接触的金属材料产生的热电势速来改变。废水的电导率、粘度分别由电导率仪很小，可以忽略不计，但是在对于分辨力在微伏级和粘度计在储废水槽中在线测得。的电压测量时，热电效应就影响明显，因为热电势1151DP7E型在线差压变送器是由测压元件有几微伏到几十微伏，它叠加在有用信号里。因传感器(也称作压力传感器)、测量电路和过程连此，应尽可能都在室温下进行测量；其次是温度的接件三部分组成，输入压力为0～1000kPa。工作影响，元器件参数都受温度影响，一般选择优质元时，被测介质以压力形式通入高、低压力室，作用器件，使温度系数精良小。在使用前通电预热，就在敏感元件两边的隔离膜片上，通过隔离膜片和是为了使箱体内温度趋于恒定，提高测量精度；最敏感元件中的填充液体传递给测量膜片的两端，后是噪声的影响，元器件本身、电源、环境空间都测量膜片和两端绝缘体上的电极各自组成一个电是噪声来源，直流信号测量可增加滤波器来尽量容器，在没有压力通人或两端压力相同时测量膜减轻对测量精度的影响。片位于中间位置，两端有大小一样的电容量，当两对毫伏级、微伏级电压的测量，“信噪比”是个端压力相等时，测量膜片发生位移，其位移大小和很重要的参数，有用信号一定要比干扰信号强很压力差值成正相关，所以两侧电容就不等，通过放多，测量结果才接近真实值。由于实际测量得到的大转换成4～20mA的二线制电流信号。差压变流动电位信号是直流的毫伏级电压，该信号几乎淹送器测量的信号端连接了一个NHR-1100系列没在浮动变化的信号之中，其信号的性质除了考虑单回路的数字显示控制仪，经过转换可以直接显电极的影响外，还要从硬件电路的处理上着手来消示差压变送器两端的压力差。除干扰。本系统选用KB1-30-9-D型直流信号隔Zeta电位检测仪中电极的材料对测量结果有离变送器，这是单通道的隔离变送器，一路输入，一较大影响，在测量过程中流动电位信号本来就很路输出。KB1—30-9一D型表示的是将输入0～微弱，若电极发生极化就会使测到的信号发生很75mv的电压信号转换为0～10v的电压信号。该大的偏差，影响测试数据的正确性。如果电极隔离变送器采用独立的直流电源供电方式，供电电采用铂丝或钼丝电极，铂、钼电极属于不可逆电源与输入、输出之间隔离，如图5所示。极，即测定时不可改变电极的极性。除了需要采输入—∈)输出(≥+用可逆电极外，还要解决被测溶液中离子对电极的干扰。因此，从极化影响性、电极极性的可逆性、排除离子干扰性等来考虑，因此选用铂电极和甘汞参比电极。铂电极是以光亮的铂片熔封在玻璃管中，使用前必须在铬酸溶液中清洗，然后蒸馏图5直流信号隔离变送器的原理接线图水清洗干净。参比电极在使用时，电极上端小孔n第2期方浚丞，张圆圆：基于zeta电位检测的废水处理系统设计15DDS一307型电导率仪是实验室测量液体电3流动电位法zeta电位测定仪的导率必备的仪器，仪器采用大屏幕LCD液晶显计算示，可同时显示电导率／温度值，具有电导常数补偿功能及手动温度补偿功能，其测量范围是在测量池的一端施以一定压力差的流动废液，0．O0~S／cm～100．00mS／cm。为保证仪器的测量管状陶瓷膜的流道中扩散层的反离子会在该压力精度，定期进行相应范围内的电极常数的标定；在下发生定向移动，形成了流动电流i。流动电流的测量高纯水时应避免污染，正确选择电极常数并产生使电荷聚积，建立起一个反向电场，并对应产最好采用密封、流动的测量方式；电极使用前应用生与流动电流相反的电导电流i，当i时，即能去离子水冲洗两次；电极应防止受潮。够获得对应于此压力差下所产生的电势差，即为流数显粘度计由电机带动转子作恒速旋转，当动电位E。根据Helmholtz-Smoluchowski方程，可转子在液体中旋转时，液体会产生作用在转子上以计算得到该液体的zeta电位，即：的粘度力矩。液体的粘度越大，该粘性力矩也越E(1)大；反之，液体的粘度越小，该粘性力也越小。作其中zeta电位的大小用来表示，为设备用于转子上的粘性力矩由传感器检测出来，经计的修正因子，k为溶液电导率，为溶液粘度，算机处理后得出被测液体的粘度。本仪器采用微和分别是水的相对介电常数和真空介电常数，电脑技术能方便地设定量程，对传感器检测到的E为流动电位，△P为压力差。数据进行处理，并且在显示屏上清晰地显示出测量时设定的转子号、转速、被测液体的粘度值及其满量程百分比值等内容。表1一定差力压下的流动电位值实验水样取自广西南宁蒲庙造纸厂物化处理go=1．59×10～。zeta电位的计算公式可进一步阶段的中段气浮出水，对于这一个实验水样而言，简化为：溶液的电导率、粘度，水的相对介电常数和真空介=13．1334E(3)P电常数是固定值，因此公式(1)为：=o．826×106(2)4测量结果与分析通过测量记录P的比值即一系列压力差针对同一个废水实验，药剂取自生产线上用下的流动电位，求取平均值减小误差，然后与来处理该废水的絮凝剂。本实验中PAM和Nano—ZS90型电位仪测得的zeta电位值对比来整PAC的加药量比例为PAM：PAC=5：2。其中定实验设备的修正因数。表1为自制装置测得的PAC是质量比为10％的水溶液，PAM是质量比一系列差力压下的流动电位值，代入式(2)中求为0．1％的水溶液，单位均为mL，本实验取了6取平均值得：=1．33×10gomv。个废水试样，分别为20L。并与Nano-ZS90型ze．由Nano—ZS90型zeta电位测定仪测得的zetata电位测定仪测定的结果进行对比，见表2。值为一21．2mv，对比整合出合适的设备修正因子n16钦州学院学报第30卷注：误差是指自制仪器相对于Nano-ZS90型仪器所测zeta电位值的相对误差。从表中可以看出，该设备的测量误差达到方法的可行性。IEC-1S级别，能够用于生产中指导絮凝剂的添参考文献加。该实验废水样本的最佳絮凝条件即zeta电位最接近于零时，PAM和PAC的投加量分别为[1]万金泉，马邕文．造纸工业废水处理技术及工程实例[M]．北京：化学工业出版社．2008：1-26．5mL／L、2．4mL／L。Nano-ZS90型zeta电位测定『2]W．RichardBowen，Li—ChunPanandAdelO．ShariClloids仪需要在实验室的环境下人工取样，有很大的滞andSurfacesA[J]．PhysicochemicalandEngineeringAspects，后性，不能实时地检测出废水的zeta值变化。该1998，(143)：l17—131．装置的优势在于结构比较简单，完成了自动取样，[3]杨艳玲，李星，李圭白．水中颗粒的监测及应用[M]．北容易实现测量。京：化学工业出版社，2007：96-102．[4]R．J．Hunter．ZetaPotentialincolloidscienceprincipleand印一5总结plications[M]．SanDiego：AcademicPressInc，1981．[5]周正立，张悦，鲁战明．污水处理剂与污水检测技术[M]，本系统着力研究一种能实现zeta电位检测的北京：中国建材工业出版社，2007：1—6．装置。首先，通过理论推导和公式推理证明zeta[6]李霭华．废水处理中的动电现象及zeta电位的应用[J]．上电位检测的可行性；其次，在实验室的环境下搭建海造纸，1981，(z1)：111—117．了zeta电位检测系统并测定了一批处理中废水的[7]JingLiu，BoMattiasson．，MicrobialBODSensorsforWastewaterAnalysis[J]．WaterResearch，2002，(36)：3786—3802．zeta电位值，并与Nano-ZS90型仪器所测得的结[8]彭党聪．水污染控制工程[M]．北京：冶金工业出版社，果进行对比，通过实验证明本系统所检测的zeta2OlO：48—54．电位精度达到IEC一1S级，整体zeta电位的变化[9]朱命楠．zeta电位仪研制应用中几个问题的认识[J]．上海趋势可以用来指导絮凝剂的添加，进而验证了该造纸，1981，(z1)：lo6—110．OntheWasteWaterTreatmentSystemDesignBasedontheZetaPotentialDetectionFANGJun．cheng．ZHANGYuan—yuan(Physics&ElectronicEngineeringCollegeofQinzhouUniversity，Qinzhou530000，China)Abstract：Currently，mostofthezetapotentialinstrumentsadoptoff-linedetectiontodetectwastewater，whichisnotcon。ducivetoachievingfullautomation．Inthelaboratory，thestudyindependentlycreatesanon—linedetectiondevicebasedonthezetapotentia1．ItadoptsthestreamingpotentialmethodtOdetectzetapotential，andthencomparestheresultwiththeNano。ZS90typeinstrument．TheresultsshowthattheindependentlyR&DdevicehasameasurementaccuracyatIEC一1SlevelandCanbeusedtoguidetheadditionofflocculant．Keywords：zetapotential；streamingpotentialmethod；Nano—ZS90instrument；flocculant[责任编辑江元杪]