高分子絮凝剂投加量对絮体分形结构的影响研究应用.doc

高分子絮凝剂投加量对絮体分形构造影响研究

内容摘要：在给水和废水解决工程中,絮凝体大小、性状、构造,对调节颗粒污染物传播与去除有着重要作用,依照实验及研究表白，废水中絮凝体表面和内部均有高度不规则性、自相似性和标度不变性等分形特性。絮体分形构造研究着重研究废水解决中絮体分形构造形态随絮凝条件而变化特性趋势，从而更好地调节废水解决工程中运营工况、最后出水和成本费用等，最后对废水解决工程或工业生产工程提出更积极更合理建议。本文通过向印染废水投入不同浓度高分子絮凝剂，然后借助图像分析、实验分析等实验技术手段以便更好研究不同絮体分形构造，从而得出高分子絮凝剂最佳投加量。
核心词：絮体 分形构造 高分子絮凝剂质量浓度 分维数 核心字

Study on effects of the concentration of a high molecular weight palmer on Fractal structure

student:Lin Dao Fen supervisor:Zhu Ming
Abstract：In the water supply and wasting disposal project，the flocculation’s size，character and structure play an important part in transferring and getting rid of granular contamination. According to the experiments and studies show，the flocculation’s surface and interior have a height irregular，self-similarity and invariance and other feature. Study in Effect of the flocculation’s fractal structure focuses on flocculation fractal structure of wasting-water，which is altered by flocculation condition，so as to be better regular operating condition，untimely disposal water and the cost. Then people can some more active and reasonably advice to Investors. This paper describes that the results in throwing different concentration of height molecular weight polymer to printing and dying water. And then research different flocculation fractal structure，with the help of image analysis，laboratory analysis，so as to conclude the best polymer flocculants dosage.
Key words：Flocculation；fractal structure；concentration of a high molecular weight polymer；fractal dimension

目 录

1前言： 3
2分形讨论---絮体与分形理论阐述 3
2.1混凝形态学与分形理论 3
2.2分形理论概述 3
2.2.1分形理论产生 3
2.2.2 絮凝体分形特性 4
2.3分形维数 4
3实验与办法 5
3.1实验办法 5
3.2分析办法与指标 5
3.2.1絮体形态和外观分析 5
3.2.2浊度 5
3.2.3 COD 5
3.2.4分形维数 6
3.3材料与实验装置 6
3.3.1废水来源 6
3.3.2 高分子絮凝剂(PDMC—AMPS—DMAEMA)配制 6
3.3.3 实验装置及试剂 6
4成果与讨论 7
4.1絮体形态和外观 7
4.2浊度比较 7
4.3 COD成果分析比较： 8
4.4分形维数成果分析比较 8
5结论 11
6参照文献： 11
道谢 13

高分子絮凝剂质量浓度对絮体分形构造影响研究

1前言
在废水解决工艺（1）中，有着不少废水解决技术，例如：膜分离法、电化学法、混凝法、生物法、光催化氧化法等，通过生产实践研究表白，混凝法是当前使染料废水脱色最经济、最有效办法之一。惯用混凝剂有无机、无机高分子混凝剂、有机高分子。近年来，大量实验研究（2）表白，无机高分子混凝剂混凝效果普通要优于老式铁盐和铝盐混凝剂，广泛地应用于印染废水解决中。同步，有机混凝剂特别是人工合成高分子混凝剂应用也日益广泛，絮凝体大小、性状、构造,对调节颗粒污染物传播与去除有着重要作用,因而研究能否在工程废水解决中与否能形成构造良好絮体，在很大限度上对水解决流程运营工况、最后出水和成本费用均有较好实际意义。
依照诸多实验现象及研究表白，絮凝体表面和内部均有高度不规则性、自相似性和标度不变性等特性，这些种种特性表白废水中絮凝体具备分形特性。本文通过向印染废水投入不同浓度高分子絮凝剂，然后借助图像分析、实验分析等实验技术手段以便更好研究不同絮体分形构造，从而得出最佳高浓度絮凝剂质量投加量。

2分形讨论---絮体与分形理论阐述
2.1混凝形态学与分形理论
混凝形态学（3）（Flocculation Morphology）是以溶液中胶粒和混凝剂真实形状以及由它们所形成絮体真实构造为出发点，着重胶体颗粒、混凝剂及絮体形态特性，研究整个混凝过程影响元素，它通过了当代分析仪器如电子显微镜、SEM等，结合例有关学科研究水中胶体形态、大小与级配对絮体构造及絮凝过程影响规律。
普通在宏观上可将分形看作为大小碎片汇集状态，是没有特性长度图形、构造和现象总称。自相似性和标度不变性是判断所研究对象与否属分形重要根据。
絮体构造和性能是混凝研究中十分重要特性（4），它形成往往具备分形特性。通过度形构造分析，可用一非整数维来描述不规则体无规限度，为这些看起来形状复杂而又不规则絮体形态提供了一种数学框架，从而得以做出定量描述。普通以为分维不同反映了絮凝体构造所具备开放限度不同，在混凝研究中，应用分维可以对不同条件下形成絮体构造进行更为精确数学描述。
2.2分形理论概述
2.2.1分形理论产生
分形理论（5）是美籍犹裔科学家曼德伯罗特(Benoit B.Mandelbrot)在1973年提出，可以这样简易理解，分形（6）是指一类无规则、混乱而复杂，但其局部与整体有相似性体系，自相似性和标度不变性是其重要特性。体系形成过程具备随机性,体系维数可以不是整数而是分数。它外表特性普通是极易破碎、无规则和复杂,而其内部特性则是具备自相似性和自仿射性。自相似性是分形理论核心，指局部形态和整体形态相似，即把考察对象某些沿各个方向以相似比例放大后,其形态与整体相似或相似。自仿射性是指分形局部与整体虽然不同，但通过拉伸、压缩等操作后，两者不但相似，并且可以重叠。废水中絮凝体分形构造特性形成过程具备随机性，由此可见，分形理论给某些与整体、无序与有序、有限与无限、简朴与复杂、拟定性与随机性等概念注入了新知识,这些新知识源泉能使人们可以以新观念和手段摸索水中絮凝体分形构造与水体解决效果最本质联系，由此可见分形论应用在废水解决过程中重要性。
2.2.2 絮凝体分形特性
废水中絮凝体成长是一种随机过程，具备非线性特性（7）。若不考虑絮凝体破碎，常规絮凝过程是由初始颗粒通过线形随机运动叠加形成小集团，小集团又碰撞汇集成较大集团，再进一步汇集，一步一步成长为大絮凝体。 这一过程决定了絮凝体在一定范畴内具备自相似性和标度不变性，这正是分形两个重要特性，即絮凝体形成具备分形特点。
2.3分形维数
在研究絮体构造过程中，分形维数是一种不可或缺特性数值，分形维数即指是是描述颗粒与小絮体在不规则絮体构造内部填充限度常数，记为Df,它能较好地描述和分析絮体构造形成和“生长”，普通来说，絮体构造越密实，絮凝效果越好,分形维数值越高（8）。本文即是以“分形维数”作为重要根据，并以COD、浊度等指标为对比，借助沉淀与图像分析技术对不同絮凝剂浓度下印染废水絮体构造进行分析，由此得出絮凝条件对废水中絮体分形构造影响，并得出达到最佳絮凝效果絮凝条件（9）。
分形维数(Fractal Dimension)是表征分形体系特性参数（10）,是一种相应于分形体不规则性和复杂性或空间填充度量限度。由于研究对象不同，存在各种不同维数定义。惯用颗粒形态分形维数有4种：D、D 1、D 2和D k。D、D 1、D 2和D k 分别是从面积与周长、长度和周长、长度和面积、面积和阶数(rank)关系得到。数学关系式如下:
P ∝ AD/2；P ∝ LD 1；A ∝ LD 2 ；N r (a > A ) ∝ A –Dk/2。
其中P 为周长，A 为面积，L 是颗粒最大长度，Nr 是具备面积a (a > A )絮体数量或阶数。D、D k 和D 2 瞬时变化与观测到颗粒形态变化相一致，并可量化，D 1 则不具备这一特点。
当前分形维数计算办法普通有两种途径:计算机模仿絮凝体成长过程和实验直接测定。 计算机模仿计算（11）是基于絮凝体形成机制,在20 世纪70 —80 年代运用较多； 随着科学技术发展,通过先进仪器直接测定分形维数已成为也许,当前采用较多有图像法、粒径分布法、光散射法、沉降法等。本次实验采用是图像法，即是通过显微照相技术,对水中絮凝体进行放大拍摄,运用计算机图像解决软件分析拍摄絮凝体图像,更简朴说就是分形维数计算（12）以盒子计数法（Sandbox）来计算絮体分维值（），详细环节如下：在SEM分形图上设立方形网格，即方阵，逐渐减小方阵边长，依次记录不同边长方阵中像元数N，因,以InN～In作图，由图中直线可得到分维。其计算如下：
(i=1，2，3，…….)
式中：
：分维数；
：i次时盒子数
：i次时网格次码。
以InN～In作图，由图中直线斜率可得到分维
因此本文是运用非线性分形理论中分维概念对印染废水中絮体SEM进行解释，定量阐明了废水解决效果与高分子絮凝剂加入量关系。

3实验与办法
3.1实验办法
本实验以PDMC—AMPS—DMAEMA(甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯—2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸—甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯)高分子絮凝剂为添加剂，以、、、不同浓度投入印染废水中，先快搅30s，然后在慢搅至6min，接着沉淀1-2d，最后测其SEM图、上清液COD及浊度等指标。
3.2分析办法与指标
3.2.1絮体形态和外观分析
取约200ml污水入烧杯中，在絮凝剂投入后，快搅30秒后，再慢搅至6分钟，接着沉淀1-2天后观测溶液上清液颜色及絮体沉淀状况。
3.2.2浊度
取沉淀后上清液，用分光光度计分别测定在和下吸光度，然后与解决前废水比较。
3.2.3 COD
取沉淀后上清液，测其COD值，测定办法严格参照国标操作，详细操作如下：
A． 取5ml待测水样，然后用蒸馏水稀释至20ml，接着依次加入10ml重
铬酸钾原则、30ml硫酸-硫酸银溶液，轻摇混匀后，加热回流2h
B． 冷却后用90ml蒸馏水冲洗冷凝管管壁，使得溶液总体积不得少于
140ml
C． 再度冷却后，加入3d试亚铁灵批示剂，用硫酸亚铁铵原则溶液滴定，
使溶液颜色由黄色经蓝绿色至红褐色极为终点，记录硫酸亚铁铵原则溶液体积V1
D． 测定水样同步，以20ml蒸馏水，按同样操作环节做空白实验，
记录空白硫酸亚铁铵原则溶液体积V0

：空白硫酸亚铁铵原则溶液体积，ml
：硫酸亚铁铵原则溶液体积，ml
C：硫酸亚铁铵原则溶液浓度，
V：水样体积，ml
3.2.4分形维数
在SEM分形图上设立方形网格，即方阵，逐渐减小方阵边长，依次记录不同边长方阵中像元数N，因,以InN～In作图，由图中直线可得到分维(13)。
3.3材料与实验装置
3.3.1废水来源
废水来源于某印染厂废水，中华人民共和国是世界纺织大国，因染色工艺频繁变化染料，导致废水特性多变，特别是声值，色度和COD值，印染废水含大量有机污染物，排入水体将消耗溶解氧，破坏水生态平衡，危及鱼类和其他水生生物生存。沉于水底有机物，会因厌氧分解而产生硫化氢等有害气体，恶化环境，其特点如下：
(1)色度大、有机物含量高；
(2)水质变化大；
(3)pH值变化大；
(4)水温水量变化大；
(5)可生化性差。
因而，通过探讨絮体分型构造（14）讨论以解决废水达标排放研究(15)是具备积极现实意义重要课题。
3.3.2 高分子絮凝剂(PDMC—AMPS—DMAEMA)配制
取原质量浓度为22.39%高分子絮凝剂1.7865g，至100ml容量瓶中，然后家蒸馏水准拟定容至刻度线，由此可知所配得絮凝剂浓度为20mg/L。
若需要向200ml污水加入250、280、300、350mg/L絮凝剂，则向加有200ml废水烧杯中分别加入12.5、14.0、15.0、17.5ml上述所配溶液即可。
3.3.3实验装置及试剂
（1）实验装置：恒温搅拌器、烘箱、分光光度计、显微摄像仪、COD回流及加热装置
（2）试剂：重铬酸钾原则溶液溶液、试亚铁灵批示剂、硫酸亚铁铵原则溶液、硫酸-硫酸银溶液、浓硫酸溶液
4成果与讨论
4.1絮体形态和外观
（1）印染废水原水：溶液非常浑浊，水体可见度低，成深褐色
（2）投加250mg/L絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA解决废水：
印染废水和投加絮凝剂之前溶液比较，能见度有很大改进,明显有澄清迹象,上清液呈浅灰色，有较少絮体沉淀与玻璃杯底部，所形成絮体空隙度比较大。在加入絮凝剂后溶液还浑浊，一时间没有迅速见到絮体产生。在沉淀1~2d后，溶液底部有少量絮体产生，絮体呈灰色且松散。
（3）投加280mg/L絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA解决废水：
印染废水和投加絮凝剂之前溶液比较，能见度有很大改进,明显有澄清迹象,上清液比投加250mg/L絮凝剂解决废水，更加清澈，当加入絮凝剂后有少量絮体产生，絮体沉淀速度比较慢，在慢搅之后溶液还需要沉淀1d才完全沉淀究竟部。烧杯里絮体较250mg/L絮凝剂解决废水量，絮体呈灰色且较为松散。
（4）投加300mg/L絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA解决废水：
印染废水和投加絮凝剂之前溶液比较，能见度有很大改进,明显有澄清迹象,上清液比投加280mg/L絮凝剂解决废水，更加清澈，在加入絮凝剂后，溶液迅速有絮体产生，絮体粒径比较大，絮体孔隙度比较小，絮凝体沉淀速度大，絮体呈灰色且实密。
（5）投加350mg/L絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA解决废水：
印染废水和投加絮凝剂之前溶液比较，能见度有很大改进,明显有澄清迹象,上清液比投加絮凝剂300mg/L解决废水，更加清澈，在加入絮凝剂后，溶液迅速有絮体产生，在加入絮凝剂后溶液在20min内，溶液迅速变清澈，絮体粒径比较大，絮体孔隙度比较小，絮凝体沉淀速度大，絮体呈灰色且实密。
由以上实验成果表白，随着絮凝剂投入浓度增长，印染废水解决效果越好，废水色度越低，且形成絮凝体分形构造越密实，孔隙度越小。
4.2浊度比较
解决后水体能见度都明显好转，如下是解决后PDMC—AMPS—DMAEMA浓度与浊度关系表：
表1 PDMC—AMPS—DMAEMA浓度与浊度关系表

投加絮凝剂浓度
（mg/L） 吸光度A T% 吸光度A T%

250 0.076 83.8 0.058 87.8
280 0.063 86.4 0.054 88.6
300 0.038 91.5 0.024 94.6
320 0.045 90.2 0.032 92.8
350 0.043 90.5 0.033 94.5

由此可见由表1：PDMC-AMPS-DMAEMA浓度与浊度关系表中数据分析可知，印染废水通过解决后水体能见度有明显好转，特别是投加絮凝剂 PDMC—AMPS—DMAEMA350mg/L废水，吸光度最低，可见，投加此浓度絮凝剂废水，解决效果最佳。
4.3 COD成果分析比较
依照2.2分析办法与指标中COD计算办法可以得出下列印染废水解决效果表：
表2 PDMC—AMPS—DMAEMA浓度与COD关系表

编号 （ml） (ml) (ml)

原水 3.00 5.66 2.66 1099.41
空白 6.00 15.60 9.60 -
250 10.00 18.00 8.00 253.47
280 7.40 15.71 8.31 204.36
300 16.00 24.30 8.30 205.94
320 24.30 32.61 8.31 204.36
350 23.00 31.40 8.40 190.10

由此可见由表2：PDMC-AMPS-DMAEMA浓度与COD关系表中数据分析可知，在加入高分子絮凝剂DMC—AMPS—DMAEMA后，水体水质大大提高，从上表COD数值趋势变化可以看出，原印染废水COD含量高达到了1099.41mg/L，在加入絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA后，水体里中COD值明显减少，即絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA在废水中发生了化学反映，吸附了水体中杂质，从而大大减少了印染废水COD含量，去除效果可达到80%~83%,特别是投入浓度在350mg/L絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA解决废水解决效果最佳。
4.4分形维数成果分析比较
依照2.2分析办法与指标中分形维数测量办法可以得到如下成果：

（1） 絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA浓度为280mg/L：

图1-1 CPDMC—AMPS—DMAEMA=280mg/L下SEMT图（1）
由图1-1 ：CPDMC—AMPS—DMAEMA=280mg/LS下SEMT图（1）设立方形网格 ，求其分维，可得到如下：絮凝剂浓度=280mg/L下LN(N)-LN( )关系曲线

显然由3.2.4分形维数计算可知：

图1-2 CPDMC—AMPS—DMAEMA=280mg/L下SEMT图（2）
由图1-1 ：CPDMC—AMPS—DMAEMA=280mg/LS下SEMT图（1）Df分析与图1-2 CPDMC—AMPS—DMAEMA=280mg/L下SEMT图（2）絮体形态分析可以看出，投加絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA浓度为280mg/L解决废水形成絮体构造不够密实，所形成絮体细小，且粒径小，悬浊液中絮体粒度分布不均，混液面沉速高，上清液余浊度较高，分维常数偏低，可见絮凝效果不够抱负。
（2）絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA浓度为350mg/L

图2-1 CPDMC—AMPS—DMAEMA=350mg/L下SEMT图（1）
由图2-1 CPDMC—AMPS—DMAEMA=350mg/L下SEMT图（1）设立方形网格 ，求其分维，可得到如下：絮凝剂浓度=280mg/L下LN(N)-LN( )关系曲线

由3.2.4分形维数计算可知：

图2-2CPDMC—AMPS—DMAEMA=350mg/L下SEMT图（2）

由图2-1 ：CPDMC—AMPS—DMAEMA=350mg/LS下SEMT图（1）Df分析与2-2 ：CPDMC—AMPS—DMAEMA=350mg/LS下SEMT图（2）絮体形态分析可以看出，投加絮凝剂DMC—AMPS—DMAEMA浓度从280~350mg/L解决污水分维常数Df从1.110~1.192，并且从以上图像中可以看出投加絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA浓度为350mg/L解决废水所形成絮体构造比较密实，所形成絮体比较粗，粒径比较大，悬浊液中絮体粒度分布比较均匀，偏差最小，混液面沉速高，上清液余浊度低，分维数值越来越高，综合实验成果可得，在印染废水解决过程中投加絮凝剂DMC—AMPS—DMAEMA浓度为350mg/L解决污水效果最佳，与COD、浊度成果相比较，效果一致。

5结论
从以上对印染废水中絮凝体构造分形特性研究，可得到如下结论：
（1）投加絮凝剂PDMC—AMPS—DMAEMA解决印染废水效果
皆具佳，经解决废水，色度大大减少，特别是投加浓度为350mg/L废水COD去除率高达83%，所形成絮体构造絮体比较粗大，粒径比较大，悬浊液中絮体粒度分布比较均匀，偏差最小，混液面沉速高，上清液余浊度低，解决效果令人满意。
（2）印染废水絮体构造具备分形特性，当有加不同浓度有机高
分子絮凝剂如DMC—AMPS—DMAEMA时，解决废水色度，水体中COD值都与原水有着很明显差别，其中“分维数值”可以作为定量控制参数以拟定最佳絮凝效果时絮凝条件控制指标。
（3）絮凝体分形研究解释可影响絮凝效果各种絮凝条件如：有
机高分子絮凝剂浓度与分维数值关系，从而更接近于真实角度来刻画絮凝体及其形成过程，真实地反映絮凝体构造与形态，有助与加深对混凝机理，絮凝过程结识和理解。
（4）研究絮凝体分形行为，除了从微观角度对絮凝体生长机
制进行研究之外，对已经形成絮凝体分形特性做出定量描述，从而能更有效控制整个絮凝过程各个变量，然后运用于实际废水解决工艺之中，已达到以至少资本达到最佳解决效果功能。
（5）当絮体分形构造达最佳状态时,絮体密实限度高,粒径较大；悬
浊液中絮体粒度分布较均匀，偏差较小，浑液面沉速高，上清液余浊低，其相应分维数值越高。
（6）对于实际高浓度悬浊液解决工程，运用混凝学絮体分形理论来合理控制絮凝阶段速度、沉淀效果是很有实际意义，随着絮体分形构造最佳密实变化，这会影响着絮体沉降效果与废水解决。

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致　　谢

毕业设计是大学学业总结一种重要篇章，通过本次毕业设计设计和编写，我从中学到了诸多，自身实验动手及资料检索等各方面综合能力都得了锻炼。本文能如期顺利完毕，都得益于朱明教师细心指引及协助，正是她渊博知识指明了本次设计方向，正是她孜孜不倦科研精神一次次勉励我更加投入实验，再次请容许我向朱明教师表达由衷感谢！除此之外，我还想要感谢张春晓师姐，感谢她对本次实验提出了许多宝贵建议和协助。