造紙廢水zeta電位的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

0 引言

目前，普遍使用的zeta電位測定方法是電泳法和流動電位法。英國馬爾文公司的Nano-ZS9型粒度分析儀即利用電泳法測定廢水的zeta電位[1]。德國制造的SZP04型zeta電位測定儀即根據(jù)流動電位法測量紙漿的zeta電位[2]。這些儀器基本上都是在實驗室中進行的離線測量[3]。而在工業(yè)生產(chǎn)中，這種測量方法往往存在一定的弊端。由于工業(yè)生產(chǎn)中每天產(chǎn)出的廢水水質(zhì)的各項指標都有一定的差異，其zeta電位值往往不同，絮凝工段需要的最優(yōu)絮凝劑投放量也不相同，即該批廢水的最優(yōu)絮凝劑投加量不一定適合于另外一批廢水。這會造成絮凝劑投加量不夠精確，使絮凝工段處理不夠徹底，為后續(xù)工段處理增加了壓力。

針對上述缺點，自主研發(fā)了一套基于流動電位的zeta電位在線測定系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心在于構造一個流動的“滑移面”來測量zeta電位，采用管狀多孔陶瓷復合膜管作為液體的接觸面。每個流道就是一個毛細管，在毛細管內(nèi)部形成雙電層結構。該系統(tǒng)能夠在線檢測絮凝工段的zeta電位，優(yōu)化了絮凝劑的添加量，降低了廢水處理成本，具有很大的現(xiàn)實意義。

1 zeta電位在線測定裝置

1.1 zeta電位

在膠體化學理論中，zeta電位可用來作為衡量膠體體系穩(wěn)定性的指標。如果膠體顆粒帶有很多正的或負的電荷[4]，即zeta電位的絕對值很大，顆粒間會相互排斥，從而實現(xiàn)整個膠體體系的穩(wěn)定性，此時廢水中的膠體顆粒很難除去。如果往水中加入某種電解質(zhì)[5]，使膠體的擴散層變薄，膠體顆粒間的靜電斥力隨之減弱或消失，zeta電位的絕對值降低甚至趨于零。此時，膠體顆粒相互接觸時就很容易通過吸附作用而聚結成大顆粒，膠體雜質(zhì)就比較容易去除。往廢水中加入的電解質(zhì)叫絮凝劑。因此,選用zeta電位來直觀表示膠體廢水中帶電顆粒的處理情況。

當固液兩相物質(zhì)相接觸時，接觸界面上由于固體表面物質(zhì)的離解或?qū)θ芤褐须x子的吸附, 會導致固體表面某種電荷的過剩, 并使附近液相中形成反電荷離子的不均勻分布，從而構成固液界面的雙電層結構[6]。當有外力作用時, 雙電層結構受到擾動,吸附層與擴散層之間出現(xiàn)相對移位。這個相對移位的界面叫滑移面，滑移面上的電位就是zeta電位。粒子雙電層結構和zeta電位如圖1所示。

圖1 粒子雙電層結構和zeta電位

1.2 zeta電位測定原理

由于固液兩相分別帶有電性相反的過剩電荷, 因此在外力作用下會產(chǎn)生一系列的電動現(xiàn)象。流動電位就是其中之一，它是指在外力作用下, 液體相對于固體表面流動而產(chǎn)生電場的現(xiàn)象。

實驗室自主研制裝置采用流動電位法[7]，裝置結構如圖2所示。

污水在單相高壓自吸泵的驅(qū)動下進入管狀的多孔陶瓷復合膜管，擴散層中的反離子被帶走，產(chǎn)生流動電流IC。此時溶液內(nèi)由于電荷的積累形成電場，該電場形成反向傳導電流Is。當IC=Is時，體系達到平衡。管兩端的電位差即流動電位。在管的兩端接一毫伏表，即可測出在該壓力下的流動電位。壓力差的大小通過單相高壓自吸泵閥門開度來調(diào)節(jié)。

根據(jù)經(jīng)典的Helmholtz-Smoluchowski方程，可以得到該液體的zeta電位，即：

(1)

式中：ζ為zeta電位，mV；K0為設備的修正因子；k為溶液電導率， ms/cm；η為溶液黏度， mPa·s；εr為水的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；E為流動電位，mV；ΔP為壓力差， kPa。

1.3 在線測定zeta電位的實現(xiàn)

由式(1)可知，為實現(xiàn)廢水中zeta電位的在線測定，廢水的黏度η、壓力差ΔP、流動電位E和電導率k都必須在線測定。

1.3.1 在線測定黏度

綜上，游客對長江三峽地域文化認知過程可總結為圖3。旅游認知是游客基于已有感知印象，根據(jù)旅游經(jīng)驗或?qū)嵉伢w驗對旅游目的地信息進行主動選擇、反饋、加工和處理的心理過程[37]25。旅游目的地的原真文化在文化營銷和傳播的影響下對游客產(chǎn)生信息刺激，然后游客對這些信息進行選擇性加工或體驗，形成對旅游目的地文化的知覺印象。游客認知的建構會對信息的選擇性加工產(chǎn)生影響。認知在游客人腦中的存儲是概念網(wǎng)絡的狀態(tài)，當游客回憶經(jīng)歷的旅游體驗時，核心的概念節(jié)點被激活，然后擴散到相鄰概念。這些概念之間的關系網(wǎng)絡作為一種認知的存儲模式，部分地反映了目的地的原真文化。

系統(tǒng)采用NDJ-5S型黏度計測定廢水的黏度值。該儀器由高細分驅(qū)動步進電機、16位微處理器和帶夜視功能的液晶屏組成。步進電機經(jīng)變速帶動轉(zhuǎn)子做恒速旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子在液體中旋轉(zhuǎn)時，液體會產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子上的黏度力矩。液體的黏度值越大，黏度力矩也越大；反之，液體的黏度越小，黏度力矩也越小。作用在轉(zhuǎn)子上的黏度力矩由光電傳感器檢測，經(jīng)計算機處理后得出被測液體的黏度值[8]。

該黏度計不具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌冢ざ戎禑o法傳送給數(shù)據(jù)處理設備，不能實現(xiàn)黏度值的在線測定。光電傳感器測定的黏度力矩與黏度值之間存在一定的關系，為實現(xiàn)黏度的在線測定，可以把光電傳感器的輸出用外接引線接到PLC的模擬量輸入模塊SM331中，再在Step7中編程,從而實現(xiàn)黏度的在線采集。黏度值與黏度力矩的關系為：

(2)

式中：η為黏度，mPa·s，M為黏度力矩，N·m；Ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;l為轉(zhuǎn)筒的高度，m；R1為內(nèi)轉(zhuǎn)筒的半徑，m；R2為外轉(zhuǎn)筒的半徑，m。

光電傳感器的輸出信號為光電流或光電壓。在該黏度計中，其輸出信號為0～20 mA的光電流。光電流與黏度力矩的轉(zhuǎn)換通過在Step7中添加功能FC1完成，黏度力矩與黏度的轉(zhuǎn)換則用功能FC2完成。主程序OB1調(diào)用功能FC1、FC2，完成黏度值的實時在線檢測。

1.3.2 在線測定壓力差

系統(tǒng)采用壓力變送器測量多孔陶瓷復合膜管兩端的壓力差，其工作原理如下。通過壓力傳感器檢測到的工業(yè)現(xiàn)場壓力信號，經(jīng)差分放大和輸出放大器放大后，經(jīng)V/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成與被測介質(zhì)(液體)的壓力呈線性對應關系的4～20 mA標準電流輸出信號，以供給二次儀表進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。

壓力變送器轉(zhuǎn)換的電流信號為模擬信號，而計算機只能處理數(shù)字信號，直接將4～20 mA的電流信號傳送給計算機的CPU，CPU是無法識別和處理的。為此，將電流信號傳送到PLC的模擬信號輸入模塊SM331，實現(xiàn)數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中采用的SM331在采集電流信號時是四線制的，而壓力變送器一般是二線制的。系統(tǒng)為壓力變送器提供24 V的外接電源，將二線制變?yōu)樗木€制，再接入到SM331中。

壓力變送器的量程為0～1 000 kPa，電流信號與壓力差的轉(zhuǎn)換公式為：

(3)

式中：x為光電流，mA；y為壓力差，kPa。

光電流與壓力差的轉(zhuǎn)換通過在Step7中添加功能FC3完成，OB1調(diào)用FC3完成壓力差的實時在線檢測。

2 系統(tǒng)人機界面

為能夠?qū)崿F(xiàn)快速、連續(xù)監(jiān)測廢水的zeta電位，以系統(tǒng)實時測得的zeta電位值為基礎，采用西門子的S7-300 系列PLC和組態(tài)軟件WinCC，搭建一個zeta電位值的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的人機交互界面[9]，以實時采集廢水處理中各種信息并顯示廢水的zeta電位，為zeta電位值提供一個可視化的處理界面。

在WinCC項目管理器中，在變量管理下添加驅(qū)動程序“simatic S7 protocol suite”。由于系統(tǒng)使用PC/MPI通信電纜進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，因此選用MPI通信協(xié)議。建立新的驅(qū)動程序的連接New Connection。在該連接下，添加過程變量(如zeta電位值、毫伏表示數(shù)、黏度值、壓力差等)，并對其進行設置。設置包括變量名、變量數(shù)據(jù)類型、變量地址(為保證通信的成功，必須與PLC中相應變量的地址相同)等項[10]。

在zeta電位值實時在線監(jiān)測的組態(tài)界面中，壓力指示儀、數(shù)字毫伏表、黏度計等采集試驗水樣的相關指標。各指標信息傳送到PLC的模擬量輸入模塊SM331，并在Step7中編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和運算。PC/MPI編程電纜(PC適配器)將PLC處理后的數(shù)據(jù)信息傳送到計算機的COM口。由于PLC與WinCC已經(jīng)成功通信，因此數(shù)據(jù)欄的檢測數(shù)據(jù)中實時顯示了流動電位、壓力差、黏度值等指標。在計算數(shù)據(jù)中，水的相對介電常數(shù)和真空介電常數(shù)在一定條件下是常數(shù)。設備修正因子是根據(jù)試驗水樣實際的zeta電位值利用式(1)得出的，因此對于同一批廢水，設備修正因子也為常數(shù)。

zeta電位的實時顯示窗口是一個動態(tài)I/O域，連接的變量是zeta電位，其屬性設置必須和PLC中設置的變量zeta電位的地址、數(shù)據(jù)類型完全一致，才能實時顯示zeta電位值。

3 試驗結果與分析

3.1 zeta電位的在線測定

為驗證系統(tǒng)的準確性，取同一批廢水放入8個容器內(nèi)，每個15 L，分別標號a～h。向每個水樣內(nèi)加入不同劑量的絮凝劑PAC和PAM，經(jīng)絮凝工段沉淀處理后取上清液,分別用自主研發(fā)的zeta電位在線測定系統(tǒng)和馬爾文Nano-ZS9型粒度分析儀測定zeta電位。為了使試驗數(shù)據(jù)更具有可比性，PAM為定量，PAC為不同劑量，即a～h容器中PAM為定量2 mL/L，PAC的用量分別為0 mL/L、0.5 mL/L、1 mL/L、1.5 mL/L、2 mL/L、2.5 mL/L、3 mL/L、3.5 mL/L。

根據(jù)實測zeta電位值的絕對值與絮凝劑PAC的添加量,擬合得到的zeta電位與絮凝劑用量的關系曲線如圖3所示。

圖3 zeta電位與絮凝劑用量的關系曲線

從圖3可以看出，隨著絮凝劑PAC用量的不斷增加，兩個裝置測得的zeta電位的絕對值均不斷減小。雖然自制系統(tǒng)相比于馬爾文Nano-ZS9型粒度分析儀存在一定的誤差，但是在允許的誤差范圍內(nèi)。該裝置可應用到污水處理領域中指導絮凝劑的添加。

3.2 壓力差ΔP和zeta電位的關系

多孔管狀陶瓷膜在不同壓力差ΔP與流動電位和zeta電位的擬合曲線如圖4所示。從圖4(a)可以看出，隨著壓力差的增加，流動電位絕對值的變化趨勢越來越小。圖4(b)中3條曲線是絮凝劑PAC的添加量分別為0 mL/L、0.5 mL/L、1.0 mL/L的上清液在不同壓力差下的zeta電位。從圖4(b)可以看出，隨著壓力差的增加，zeta電位的絕對值均呈下降趨勢。

圖4 壓力差和zeta電位關系曲線

分析可知，隨著壓力差ΔP的增加，多孔管狀陶瓷膜流道內(nèi)溶液的流速增加，滑移面處受到的剪切應力增加。該處的反離子還未來得及被吸附就被沖走，使得吸附層與溶液之間的相對運動產(chǎn)生的吸附層電位減小。zeta電位就是吸附層與擴散層之間相對移動產(chǎn)生的滑移面處的電位差。zeta電位的絕對值略小于吸附層電位，而吸附層電位不能被直接測出，可以用zeta電位來間接表征吸附層電位。隨著操作壓力的增加，廢水的zeta電位的絕對值減小。因此，在試驗中，當壓力差在8～28 kPa時，zeta電位值的誤差相對較小。

4 結束語

造紙廢水的zeta電位實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了污水處理過程中zeta電位的實時在線檢測，優(yōu)化了絮凝工段絮凝劑的投放量，降低了運行成本，提高了造紙中段廢水的處理效果，減輕了后續(xù)工段的處理壓力。系統(tǒng)的優(yōu)點在于自動取樣、反應靈敏、實時在線監(jiān)測絮凝工段的zeta電位值，具有友好的人機界面。試驗表明，造紙廢水中zeta電位的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)在指導廢水處理的絮凝工段具有很好的指導意義，并有良好的經(jīng)濟效益。

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