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1、醛小、夕、小、,、诊小白、材料与设备勺?占、 、,、,、,、小小恋流动电流的原理、测定与 应用崔福义李圭白曲 久辉? 提要?本文论述了固液界面的重要电动现象之一流动 电流的原理及 墓本特性,回顾了其浏定 技术及发展?介绍了流动 电流在给水排水技 术 中的若干典型应用,指出流动 电流技术具有良好的开发前景和应 用价位。流动 电流是固液界面 的电动现象之一。在国外,随着 检测 方法的不断完善,对流 动电流基本理论及 应用的研究近年 来不 断增多。国内这方面 的报导极 少。本文对 流动 电流现象加 以论述并 介绍 其在给水 排水 工艺技术研究及生产方面 的若干应用,以期促进我国流动电流技术的研究与应
2、用工作的开展。一、流动电流原理?电动现象与流动电流根据胶体化 学理论,在 固唯相界面上 由于固体表面物质的离解或对溶 液中离子的吸附,会导致 固体表面某种电荷的过剩,并使附近液相中形成反电荷离一 子的不均 匀分布,从而 构成 固液界而 的双 电层结 构。当有外 力作用时,双 电层 结构受 到扰动,在其反离子层中的吸附层与扩 散层之间出现相对 位移。在 位移界面滑 动面上显现 出的 电位,即众 所熟 知的乙电位。由于 固液 两相 分别带 有电性相反的过剩电荷,在 外 力作用 下会产生一 系列的 电动现象。这些电动 现象或是 由于电场力作用而 导致 固液的 相对运动,如电泳和 电渗?或是 因机械力
3、作用下 固液的相对 运动 而产生 电场,如 流动 电位?流?和 沉降电位。其中流 动电位?流?即指在外 力 作用下,液体相对 于固体表面 流 动而产 生电场的现象,是 电渗的 反过程。?流 动 电流的基 本关 系式”典型的流动电流分析是依据图?所示的毛细管模型进 行的。当液体受压 力?作用通过毛 细管流动 时,管内任 一点液体的 流速外是该 点距离管中心的径向距离召的 函数。毛细管内以刀为半径,长为?毛细管的长度?的液柱 受到二种外力的 作用?忽略 重力影响?一 是压 力差尸产生的流动力?,钧钧钧卜? ? ? 刁刁刁八八 口口口? ? ? ? ? ? ? ?口口 ? ? ? ? ?州州 ? ?
4、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 】? ? 毛细管侧定装?句毛细甘放大田图?流动电流的毛细管模型?,?汀夕?另一是 该液 柱表面与相邻液层之间有速度梯度,因而产生 粘滞 阻 力?,?二夕?式中?剪 切应 力。若液体服 从牛顿粘滞定律,?。?一豁?,则有?一?二。豁?式中,液体粘度。在稳态流动时,?,二?,即二,?二一?二。,。华“?整理并在边界条件夕?时,。,二?下积分,可得 一希?一。? ?式中?毛细管半径。式?被称为? ? 台? ? ?方程,描述了液体在层 流条件下的管中流动规律。毛细管璧面双电层中扩散层的反离子随被体自管的一端向另一端流动,形成了流动电
5、流。若电荷密度为?,则流动电流?即单位时间输送的电荷最?为? 二 ?二。?。,?,?式中 ?汾动面处的半径值。引入将电荷密度?与电 位叻相联系的? ? ?方程?,价? 己 万?二一万介娜盆卿、琳却俘湘式中。液体介电常数,义二?一叭到汾动面很招近毛细管表面,有?,因素熟?内在关系。特别是指明 了流动电流同乙电位之问成正 比函数关系。也可以 说流动电流从一个侧面 代表?乙电位 的性质,反映了固液界面双电层的墓本特性。?电解质成分 对流动电流的影响水中电解质的种类和 浓度的不同,直接影响到界面双电层的特性,改变亡电位的大小,自然也就影响到流动电流的数位。理论分析可知,在,一定范围内,电解质浓度和离子
6、价数越高,服缩双电层的效应越显著,从而电位越低?绝对优?。例如若固体表面带有负电荷,则会因电解质的加入而使负电性降低,流动电流的绝对值 必 也 会相应降低。许多实脸证实了这一趋势。如图?,向自来水中加入? ?以改变电解质浓度,测定流动电流,在二者之问呈近似线性关系变化。才七意浓体内部电荷密度很小,且当夕二“时,吵二雪,对式?石?近似积分,有刀乙?君? 二一甸一一?流动电流的产生使电荷聚积,建立起一个电场,在毛细管两端产生电位差?,即为流动电位并导致液相中出现 反向电流,即电导 电流,?兀尸? ? 二一了一?式中?液体比电导。在稳态平衡条件下,有二?,则佩报含橄? ?图?电解质浓度对流动电流的影
7、响?乙?七?不一如果进一步考虑固液界面电导?同液相内部电导几的差别,则有 ?夕户,?、二厅二 巴二二一?一一言百一? ? ,火“?三冬?式?,?,?分别为流动 电流、流动电位的数李表达式,描述了其基本影响流动电流同亡电位一样,随 电解质浓度、?值等水质因素变? ? ,反 映 固液界面的荷电程度。这一流动电流特性在水处理生产实践中具有重 要的价值。?流动电流的流体力学特性从前述流动 电流墓本关系式的推 导中可以注意到,流动电流不仅仅 是一个热 力学现象,同时也具有流体力学特征。其数值大小 与外界施加 的流体力李条件及 流 动状态有关。式?,?,? ?即 是在层流条件下导出的。更进一步,若忽略 毛
8、细管有限 长度的影响,即假设在无限长的毛细瞥中,有怡?亡?式中?与测量装置几何构造有关的经验 系数,。毛细管内断 而 平均流速。式?不 仅适用 于层流,也适用 于紊流,但须满足 双 电层的 液相部 分厚 度不超过层 流边界层厚度的条件。式? ? ?表明在介质条件不变时,流动电流与毛细管内液体的平均流速成正 比。了?应之 卜岔在层流和紊流不 同条件下,式?中?的数俄是不同的。? ?。?等人对 式?做了实验验证,盆。在宜径为? ?的 毛自?管中,通过?二?的电解质浓液。改变水流速度,测得一系列 的流动?匕位俄,绘出流动电位对断面平均流速曲线?根据 欧 姆 定律,君“尸,?流体电阻?。如图?,通过试
9、验点可绘出两条斜率不同的直线?其交点恰在临界宙诺数附 近?。? ? ?。图?说明在紊流条件下,流动 电位值更高,对流速的变化更为敏感了线斜牢较大?。这一点对实际应 用很有指导意 义。例如可以通过提高流速的方式,增大流动电位数值,提高? ? 定装置的灵敏度。夕卫?创御份淇? ? ?口? ?口 ? ?州 ? ?名 ? ? 平均沈速?图?流动电位随流速的变化等因素,进行综合判断。所 以流动电流的绝对数值是没有意义的,将以 不同装置或在不同条件下测得的流动 电流值直接进行比较也是 没有意义的。在实际应用中,往往利用的?是流动 电流的相对变化,而不是其绝对数值的大小。二、流动电流的测定,按产生的电流信号
10、性质,可将流动电流的 侧定方法分为两 人类?汽流信号? ? ?定法与交流信号测定法。典型的直流信一号法是加压迫使液体通过毛细管或多孔寡等定向流动,从而产生宜流流动电流?流动电位?,再经过放大,检侧装置获得检? ? ?估号,如图?。以多孔塞代替毛细管的 ?的是扩人固液界面的面积,使输出信号增强,便 于测定屯这种方法可用于研究测量装置材料的表面特性及流动电流的签本性质。在研究某些颗粒物质?如水处理用滤料?的表面特性时,常以该物质填充于检侧柱内,在适 当的位置设置电极,将流动电流信号引至放大装置,上述方法只适合在实验室的观测,不便进行长期连续的测定。否贝? ?易于产生电极的极代等问题,干扰测量。这是
11、一种初级的流动电流检测技术。?等人提出一种实验室用测级交变流动电流的毛细管装置“,如图?。在该装置中,一个连杆由同步电机驱动作往复式正 弦运 动,周期性地 改变毛细管两端的压力差 符 号,促使液体在毛细管内做往复式 流动,从而 在毛细管内产生相应的交变流动电流。该 电流不仅 方向随时间变化,而且根据式?,其 大小亦随流速的余弦变化而做? ?脚止于打?。?切?,一一化一? ?变的应曰日?年太上述齐式也表明,流动电流的大小 不仅与固液界而双 电层本身的特性有 关,还与流体的流动速 度,测耽装 置的几何构 造等因素有关,这点与亡电位有很大差别。雪电位可以直接反映固体表面的荷电特征,而考察流动电流数据
12、时,则要注意测定装置、测定条件式巾? ?连杆最大行程,?电机转速,?,连杆断面积,?。毛细管断面积?日寸? ? ?。毓动装蓝图?毛细管交变流动电流测 定装置式? ?表明可以通过 改变 测定装 置几何尺寸及 驱动 电机转 速的方式改变流动 电流信 号的大小。该装置只适合 于实验空 水样的批量测量,不 能 进行连续测定。? ? 。于? ? ?年发明了一 种用于连续测定水中胶体粒子表 面匕 荷 的流动 电流 检测仪?,也 是基于交流信 号测定法。其构造原理示于图?。被测水样以一定流速进人检测室,在园 型检测 室 内有一活塞,作垂 直往复运 动。活 塞和检 测室 内壁之? ? ? 的狭 小缝隙构成一个
13、环形毛细管空向。当活塞 在 电机带 动 下作往复运 动时?就象一个柱 塞泵,促使水样在毛 细管内作 相应的 往复运动。水样?,的微粒会附着于活塞 与检 测室 内壁的 表而,形成一个微粒“膜”。环形毛细管中的水 流带动微粒“膜”的扩 散层?,反离子运动,从而产生流动电流,经检测室 两端 的环形电极收集送给后续信号处理装挽。的 双 电层特性,而是吸附于该壁面上的水中的微粒 , ? ?莫”,是对 水中胶体粒子表面特性的 连续测定。为使检 测信号对水中胶体粒子有代表性,并随水样的变化而迅速 作出响应,就要 求能实现 检 测室表面微粒“膜”的连续更换,造成微粒“膜”吸附与脱落的动态平衡。这一问题 于?
14、?年被美国 的? ? ? ?公司成功解决“。该公 司首 次将超声 波技术应用于流动电流侧定装 置,实现 了微粒“膜”的连 续吏 换,并保持 检测室壁面的 清洁。这一进步为 该流动电流检测仪的实际? ?业应用铺平一? 道 路。在该仪 器中,犷 舌塞 由电机带 动作往复运动,其运动速度 呈正弦变 化。是电机转速和时 间的函数,同样 流动 电流也将有相应的变化。尽管在很短的?时段内,水样 性质 不变,流动 电流数值却发 生了变化。为了消除这一影响,使流 动 电流值与水样性质一一对应,该 仪器采用 了同步整 流?放 大 技术,又经滤波 处理,得到了平 稳 直流信 号,作为 该仪器的输出值。上 述 信一
15、号变化 及处理 过程 示于图?。活塞速度实,电。厂立屯夕么丈。,、放大丫二二二匕二丫?愉山电批 一流动电派? 一图?交变下 言号处理示意图图?流动 电流检测 仁迈小哉?飞?此检测 装 笠的检 测原理已不 同 于前述毛细管装置。此时 测定的对象不 是检 测室壁面该流动 电流检测 仪的成功为水中胶体表面特性的研究,特 别是为水 处理 混凝工 艺控制技术的 发展,提供 了关键性的技术手段,起到了重要的推动作用。三、流动电流的应用流动 电流在给水排水技术领域的应用有多方面的成果。用 于水与废水处理及 污泥脱水工艺中控制混凝剂的 投量,是近年来流动电流的应用技术获得的最重要最有意义的进展。? 其控制机理 在于水处理混凝和污泥脱水时投加的 电解质物质的首 要作用就是改变 胶体固液界面 的 电荷特性,即压缩双 电层 使固体颗 粒脱稳或降 低 固液之间的亲合力。检测这一过程 中流 动 电流 的变 化,据 此调 节混凝剂 投加 量,就可控 制胶体固液 界面 的 电荷特性。从 而既 可满 足处理工艺的质量要求,又最 大限度地节约药剂 消耗,取得质量经 济的综 合效益。在 给水 处理混凝工艺 中的应用近年有较大进展,美、英 等国已有数百家水厂应用流动 电流 法控 制 混 凝,本 文仅举 一具 体 实例“。某城市水 处理厂日
