自由沉澱

顆粒在水中沉澱且沉澱速度不受干擾時，叫做自由沉澱（free sedimentation）。它屬於沉澱類型中的一種，除此之外，還包括絮凝沉澱、擁擠沉澱和壓縮沉澱。典型自由沉澱的例子包括：砂粒在沉砂池中的沉澱以及懸浮物濃度較低的污水在初次沉澱池中的沉澱。

基本介紹

• 中文名：自由沉澱
• 外文名：free sedimentation
• 現象：由上自下逐漸變清
• 適用條件：懸浮顆粒濃度較低的體系
• 特點：不具有凝聚的性能
• 沉澱軌跡：直線

簡介

自由沉澱發生在水中懸浮固體濃度不高的體系中，在沉澱過程中懸浮固體之間互不干擾，也不受器壁的影響，顆粒能夠各自單獨進行沉澱，顆粒的沉澱軌跡呈直線。自由沉澱過程中，由於泥沙顆粒的不斷下沉，沉降水柱從下往上不斷變清，除了在水柱底部有積泥外，清水與渾水之間沒有明顯的界面。

在實際水體中，影響顆粒沉澱的因素很多，為了簡化討論，常假定：(1)顆粒外形為球形，不可壓縮，也無凝聚性，沉澱過程中其大小、形狀和重量等均不變；(2)水處於靜止狀態；(3)顆粒沉澱僅受重力和水的阻力作用。

顆粒沉速公式

顆粒在沉澱過程中，受到重力F_g，浮力F_b和流體阻力F_d的作用。在開始沉澱時，顆粒在重力作用下產生加速運動，但同時水的阻力也逐漸增大。經過很短的時間後，作用於水中顆粒的重力、浮力和阻力達到平衡。此後，顆粒開始以勻速下沉，此時，顆粒的沉速公式為：

u²=4g（ρ_p-ρ）d_p/3C_Dρ

式中：u—顆粒與流體之間的相對運行速度，m/s；d_p—顆粒直徑，m；ρ_p—顆粒密度，kg/m³；ρ—水的密度，kg/m³；C_D一阻力係數；g—重力加速度，m/s²。

其中C_D由實驗確定，與雷諾數R_e有關，如右圖所示。

當R_e<1時，為層流區，u=（ρ_p-ρ）gd_p²/18μ （Stokes公式）；

1<R_e<10³，為過渡流區，u=[4（ρ_p-ρ）²g²/225μρ]^1/3d_p（Fair公式）；

10³<R_e<10⁵，為紊流區，u²=3.0276（ρ_p-ρ）d_pg/ρ（Newton公式）；

式中：μ—水的粘度，Pa·s。

Stokes公式表明：(1) 顆粒與水的密度差(ρ_p-ρ)愈大，沉速愈快，成正比關係。(2)顆粒直徑愈大，沉速愈快，與顆粒直徑成平方關係。一般地，沉澱只能去除d>20μm的顆粒，通過混凝處理可以增大顆粒粒徑；(3) 沉速與水的粘度，成反比關係。因粘度與水溫成反比，故提高水溫有利於加速沉澱。

自由沉澱實驗

實驗目的

(1)通過實驗加深對自由沉澱的概念、特點和規律的理解；

(2) 掌握顆粒自由沉澱實驗方法，並能對實驗數據進行分析、整理、計算，能繪製顆粒自由沉澱曲線。

實驗步驟

實驗裝置如右圖所示：

(1) 將一定量的高嶺土投入配水箱中，開動攪拌機，充分攪拌。(2) 待水箱中水質均勻後，取水樣約200 mL，測定懸浮物(SS)質量濃度C₀。(3) 啟動水泵將混合液注入沉澱管至一定高度，當水開始從溢流口流出時，關閉閥門，停泵，停止攪拌，並且記錄高度值。打開秒表，開始記錄沉澱時間。(4) 沉澱實驗開始。在5，10，20，30，60 min時，在取樣口分別取水200～300 mL。測定懸浮物質量濃度(C_t)。(5) 每次取樣應先排出取樣口中的積水，減少誤差，然後測量沉澱柱中液面至取樣口的高度。(6) 測定每一沉澱時間的水樣的懸浮物質量濃度固體量。首先調節烘箱溫度至(105士1)℃，疊好濾紙放人稱量瓶中，打開蓋子，將稱量瓶放入105℃烘箱中烘至恆重，稱取質量；然後將恆重的濾紙取出放在玻璃漏斗中，用移液管準確移取100 mL水樣至漏斗中，過濾水樣，並用蒸餾水沖淨，使懸浮性固體全都黏附於濾紙；最後將帶有濾渣的濾紙移入稱量瓶中，稱量懸浮物的質量(重複烘乾至恆重的過程，烘乾2 h以上)。(7) 懸浮物質量濃度c按照如下公式計算：

c=

式中：w₁—稱量瓶質量+濾紙質量，g；w₂—稱量瓶質量+濾紙質量+懸浮物質量，g；V—水樣體積(100 mL)；c—懸浮物質量濃度，mg/L。

注意事項

(1) 向沉澱柱內注水時，速度要適中，既要較快完成進水，以防進水中一些較重顆粒沉澱，又要防止速度過快造成柱內水體紊動，影響靜沉實驗效果。

(2) 取樣前，一定要記錄柱中水面至取樣口的距離H (以cm計)。

(3) 取樣時，應先排出取樣管中積水。每次取樣體積為200—300 mL。

(4) 測定懸浮物時，因顆粒較重，從燒杯取樣時要邊攪邊吸，以保證兩平行水樣的均勻度。附於移液管壁上的細小顆粒一定要用蒸餾水洗淨。