CN106338460A - 一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置及其使用方法。所述的试验装置包括锥形瓶、回旋振荡器、激光粒度仪、蠕动泵、宽口吸管、塑料管、计算机。所述的锥形瓶作为使软弱结构颗粒混匀的样品室固定于回旋振荡器上，通过回旋振荡器的振荡搅拌使锥形瓶内的样品混合均匀，所述的蠕动泵用以提供泵送力使锥形瓶内的样品进入激光粒度仪进行颗粒性质监测，宽口吸管作为取样及加样工具，计算机用来分析监测的软弱结构颗粒数据。本发明弥补了常规测量方法的缺陷，可以在基本不破坏软弱颗粒结构的情况下获得其物理性质，如颗粒的粒径分布、分形维数等，尤其适用于测量已脱离原有絮凝条件下的团粒(絮体)性质以及测量无法直接进行激光粒度仪在线絮凝监测的团粒(絮体)。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量颗粒物理性质的试验装置及其使用方法，特别适用于测量软弱结构颗粒物理性质。
背景技术
在固液分离领域，颗粒的物理性质如粒径分布、分形维数会影响固液分离的效果。对于一些较难脱水的泥浆如污水厂污水、疏浚泥浆等，一般通过添加絮凝剂的方法使细粒形成团粒(絮体)促进泥水的分离。测定絮凝形成团粒的尺寸对于研究泥水分离的过程、预测泥水分离的效果、以及优化絮凝剂、絮凝过程中的工艺参数等有着重要的意义。
由于絮凝产生的团粒(絮体)属于软弱结构的颗粒，需要采用特殊的方法进行物理性质分析。目前对于团粒的测量方法常用的有图像分析法、光透射法(PDA)、激光粒度仪法等。图像分析法与其他方法相比是最直观而且相对准确的方法，它是通过对絮凝的团粒在显微镜下或直接进行拍照，经过图像分析软件处理得到团粒(絮体)的分布曲线及分形。但测定需要大量样本的图像才能够得到反映整体分布的数据，因此较为费时、费力，同时对于小于50μm的小颗粒测定误差较大。光透射的原理是利用透射光的波动程度与溶液浓度、颗粒尺寸之间存在的关系，通过测定透射光束的变化反应团粒大小的相对变化，但不能够获得确切的团粒大小及分形特性。激光粒度仪是利用不同尺寸的颗粒光的散射角度不同的原理，通过测定激光的散射可以获取颗粒的粒径分布，同时可以通过Rayleigh-Gans-Debye散射理论计算分形维数。一般来说，由低浓度溶液絮凝产生的团粒(絮体)是可以通过在线连续的絮凝，同时进行常规的激光粒度仪监测粒径分布及分形，然而对于一些已经完成絮凝，即脱离原有絮凝条件或者一些高浓度溶液(如泥浆)是无法进行常规的激光粒度仪监测，脱离原有絮凝环境的监测会导致软弱团粒(絮体)在机械搅拌下发生破坏，高浓度溶液的絮凝检测会导致测量过程中发生多重散射，使测量结果失准。因此在这种条件下，如何在团粒(絮体)不发生破坏的情况使用激光粒度仪对其物理性质是值得研究的问题。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明的目的是提供一种在常规方法无法完成测量情况下，能够测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置，其包括锥形瓶、回旋振荡器、激光粒度仪、蠕动泵、宽口吸管、计算机等；其中，锥形瓶固定于回旋振荡器上，锥形瓶内部与激光粒度仪的进样口用管道相连，激光粒度仪出样口与外接的蠕动泵相连，蠕动泵的另一端与锥形瓶相连，计算机的数据接收口与激光粒度仪相连；锥形瓶作为样品室，用于混合所测软弱结构颗粒；回旋振荡器为锥形瓶提供回旋振荡力，使锥形瓶内部的样品液可以混合均匀；激光粒度仪作为测量装置，用于测量从锥形瓶内泵送的样品的物理性质；蠕动泵作为样品液的泵送装置，用于泵送锥形瓶内样品至激光粒度仪，随后返回锥形瓶完成循环；宽口吸管用于吸取所测软弱结构颗粒样品以及向锥形瓶内添加试样；计算机用于接收激光粒度仪的测量数据，并对其进行相应的处理分析。
所述的软弱结构颗粒是指颗粒强度较低，在常规的激光粒度仪测试中会因机械搅拌而发生结构性的破坏，如絮凝或混凝形成的颗粒聚集体、污泥的絮体、蓝藻群体等。
一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，所述的试验装置包括锥形瓶、回旋振荡器、激光粒度仪、蠕动泵、宽口吸管、计算机等，其特征在于包含以下步骤：
第一步，向锥形瓶装入背景液，将锥形瓶固定在回旋振荡器上，将进样管道一端插入锥形瓶背景液底端，另一端与激光粒度仪的测量室的进样口相连接；激光粒度仪测量室的出样口用管道与蠕动泵相连，蠕动泵的另一端用管道(如塑料管)与锥形瓶相连，计算机的数据接收口与激光粒度仪相连；
第二步，启动蠕动泵、回旋振荡器、激光粒度仪对背景液的背景值进行监测，得到；
第三步，背景值监测完成后，使用宽口吸管吸取所测量得样品，一次性添加至锥形瓶，添加量需要使激光粒度仪的遮光度达到10～20％之间；
第四步，样品添加完毕，启动激光粒度仪进行测量，得到，同时根据试验所测软弱结构颗粒性质选择是否采用蠕动泵的回流系统，如不采用，经过激光粒度仪测量室的样品液可直接丢弃；
第五步，试样测试完毕对锥形瓶进行清洗，以便进行下一次试验。
所述的锥形瓶容量为0.5L～2L，测量时内部背景液初始应保证在锥形瓶容量体积比的1/2～4/5，优选地，锥形瓶的容量选用1L，体积比选用7/10，即700ml。背景液过，如＞4/5体积比，搅拌效果变差；背景液过少，如＜1/2体积比，使搅拌中混入大量干扰性气泡。
所述的回旋振荡器在测量过程中振荡速度在220～280rpm。振荡速度过快，如＞280rpm，一方面会引入大量的气泡，另一方面，也会导致一定的结构破坏；振荡速度过慢，如＜220rpm，则混合不均匀。
所述的激光粒度仪为原理为米氏散射原理的激光仪器，优选地，所述的激光粒度仪为英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000，设定的参数根据所测的样品确定。
所述的蠕动泵在测量过程中泵速在3～6ml/s，优选地，采用5ml/s。泵速过慢，如低于3ml/s，一些颗粒在测量管道中易于沉降，将会导致颗粒测量困难；泵速过快，如高于6ml/s，水流的剪切力可能会对颗粒发生破坏。
采用宽口吸管直径，防止细口吸管吸取过程对软弱结构颗粒破坏。所述的宽口吸管直径可根据所测颗粒直径选取，一般不小于2mm。由于本发明是改进的激光粒度仪，利用了原来激光粒度仪的装置，原激光粒度仪颗粒的测试范围为0.002微米～2000微米，故此，宽口吸管的直径不大于2mm。
有益效果：
本发明采用了传统化学生物领域的锥形瓶及回旋振荡器。锥形瓶一般用于生物化学领域的滴定试验，回旋振荡器一般用于生物领域中培育制备生物样品，二者配合使用一般用于培育生物样品。而本发明将创新性地这两种仪器配合使用用于替代原激光粒度仪的混匀颗粒的装置，在测量软弱颗粒物理性质时取得了意想不到的效果。
首先，本发明试验装置，省时省力，弥补了常规测量方法不能准备测量测量软弱结构颗粒的物理性质的缺陷，可以在基本不破坏软弱颗粒结构的情况下获得其物理性质，如颗粒的粒径分布、分形维数等，尤其适用于测量已脱离原有絮凝条件下的团粒(絮体)性质以及测量无法直接进行激光粒度仪在线絮凝监测的团粒(絮体)，拓展了激光粒度仪的应用范围。
其次，回旋振荡器对比其他的搅匀方式，如磁力搅拌器，具有搅拌效果好，不会带来大量气泡和破坏，不会因引入搅拌棒等带入杂质。而锥形瓶对比其他容器，如烧杯，在搅拌混合过程中，不易溅出，对比圆底烧瓶，更宜固定。
附图说明
图1本发明软弱结构颗粒物理性质的试验装置；
图2本发明与常规激光粒度仪对两种刚性颗粒粒径分布的对比试验的结果；
图3本发明与常规激光粒度仪对两种絮凝团粒粒径分布的对比试验的结果；
图4本发明与磁力搅拌方式对絮凝团粒粒径分布的对比试验的结果。
具体实施方式
结合附图对本发明具体实施方式作出简要说明。下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置，其包括锥形瓶、回旋振荡器、激光粒度仪、蠕动泵、宽口吸管、计算机等；其中，锥形瓶固定于回旋振荡器上，锥形瓶内部与激光粒度仪的进样口用管道相连，激光粒度仪出样口与外接的蠕动泵相连，蠕动泵的另一端与锥形瓶相连，计算机的数据接收口与激光粒度仪相连；锥形瓶作为样品室，用于混合所测软弱结构颗粒；回旋振荡器为锥形瓶提供回旋振荡力，使锥形瓶内部的样品液可以混合均匀；激光粒度仪作为测量装置，用于测量从锥形瓶内泵送的样品的物理性质；蠕动泵作为样品液的泵送装置，用于泵送锥形瓶内样品至激光粒度仪，随后返回锥形瓶完成循环；宽口吸管用于吸取所测软弱结构颗粒样品以及向锥形瓶内添加试样；计算机用于接收激光粒度仪的测量数据，并对其进行相应的处理分析。
所述试验装置的工作过程如下：首先向锥形瓶装入背景液，随后将锥形瓶固定在回旋振荡器上，将进样管道一端插入锥形瓶背景液底端，另一端与激光粒度仪的测量室的进样口相连接；激光粒度仪测量室的出样口用管道与蠕动泵相连，蠕动泵的另一端用管道与锥形瓶相连，计算机启动测量软件准备进行监测。随后启动蠕动泵、回旋振荡器、激光粒度仪对背景液的背景值进行监测，背景值监测完成后，使用宽口吸管吸取所测量得样品(防止细口吸管吸取过程对软弱结构颗粒破坏)，一次性添加至锥形瓶，添加量需要使激光粒度仪的遮光度达到10～20％之间。样品添加完毕，启动激光粒度仪进行测量，可以根据试验所测软弱结构颗粒性质选择是否采用蠕动泵的回流系统，如不采用，经过激光粒度仪测量室的样品液可直接丢弃。试样测试完毕需对锥形瓶进行清洗，以便进行下一次试验。
实施例1
使用本发明对常规的刚性颗粒进行测量，以验证本发明能否首先适用于常规颗粒的测量。所采用的刚性颗粒为：一种太湖疏浚淤泥颗粒，淤泥颗粒较小，用来对比验证在测量过程中是否会产生干扰性气泡；一种标准砂土，砂土比重较大，用来对比验证在测量过程中是否会沉降导致测量失准。本实施例中，试验装置的参数设定为：选用1.5L锥形瓶，内装750ml的蒸馏水，回旋振荡器的速度设定为280rpm，激光粒度仪颗粒折射指数设定为1.555，吸收指数设定为0.1，分散剂折射指数设定为1.330，蠕动泵设定为5ml/s，宽口吸管口径为5mm。首先装置调试完毕连接好后，先测定分散液的背景值，随后用宽口吸管向锥形瓶加样开始测量，每次测量进行3次，取平均值作为试验结果。同时采用常规的激光粒度仪HydroMu测量室对两种颗粒进行测量，与本发明的试验结果进行对比，结果如图2所示。
由图2可知，两种刚性颗粒在两种测量方法的结果近似相等，只有淤泥颗粒在d90附近有些许不同，但并不影响整体的粒径分布。说明本发明同样可以用于测量常规颗粒的粒径性质，干扰性气泡影响不大，并且可以混合均匀。
实施例2
使用本发明对两种絮凝团粒进行测量，以说明本发明对软弱结构物理性质测量的效果。所采用的絮凝团粒为：太湖疏浚淤泥颗粒添加0.5％阳离子聚丙烯酰胺絮凝240s形成的团粒；南京江宁污水厂初沉池污水添加1％阴离子聚丙烯酰胺180s形成的团粒。本实施例中，试验装置的参数设定为：选用1L锥形瓶，内装800ml的蒸馏水，回旋振荡器的速度设定为220rpm，激光粒度仪颗粒折射指数设定为1.555，吸收指数设定为0.1，分散剂折射指数设定为1.330，蠕动泵设定为5ml/s，宽口吸管口径为5mm。首先装置调试完毕连接好后，先测定分散液的背景值，随后用宽口吸管向锥形瓶加样开始测量，每次测量进行3次，取平均值作为试验结果。为了说明测量效果，采用常规的激光粒度仪对这两种团粒进行测量对比。同时采用一种图像分析方法，对两种激光粒度仪测量前后的团粒进行图像分析，量化团粒在测量中的破坏程度。结果如图3所示。
由图3可知，本发明在测量絮凝团粒的过程中基本不破坏团粒的结构，可以实现准确的测量，而常规的激光粒度仪对絮凝团粒结构破坏显著。
实施例3
将本发明与用磁力搅拌器代替回旋振荡器的搅拌方式进行对比试验，测量材料为太湖疏浚淤泥颗粒，本发明使用2L锥形瓶，磁力搅拌器搅拌速度设定为250rpm，回旋振荡器振荡速度设定为250rpm，其余测量参数均相同，测量结果如图4所示。
由图4可以看出，使用磁力搅拌方式粒径分布会产生较大的偏差，这是由于磁力搅拌过程中产生的大量气泡造成的。
实施例4
将本发明的锥形瓶替换为烧杯、圆底烧瓶进行试验。在所采用的烧杯试验过程中发现，在回旋振荡器的混合过程中，烧杯内样品液大量溅出，影响了测量过程；在所采用的圆底烧瓶试验过程中发现，在回旋振荡器的混合过程中，圆底烧瓶倾倒，影响了测量过程。
以上对本发明的四个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置，其特征在于：所述试验装置包括锥形瓶、回旋振荡器、激光粒度仪、蠕动泵、宽口吸管、塑料管、计算机；
其中，锥形瓶固定于回旋振荡器上，锥形瓶内部与激光粒度仪的进样口用管道相连，激光粒度仪出样口与外接的蠕动泵相连，蠕动泵的另一端与锥形瓶相连，计算机的数据接收口与激光粒度仪相连；
锥形瓶作为样品室，用于混合所测软弱结构颗粒；
回旋振荡器为锥形瓶提供回旋振荡力，使锥形瓶内部的样品液可以混合均匀；
激光粒度仪作为测量装置，用于测量从锥形瓶内泵送的样品的物理性质；
蠕动泵作为样品液的泵送装置，用于泵送锥形瓶内样品至激光粒度仪，随后返回锥形瓶完成循环；
宽口吸管用于吸取所测软弱结构颗粒样品以及向锥形瓶内添加试样；
计算机用于接收激光粒度仪的测量数据，并对其进行相应的处理分析。
2.根据权利要求1所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置，其特征在于：所述的软弱结构颗粒是指颗粒强度较低，在常规的激光粒度仪测试中会因机械搅拌而发生结构性的破坏。
3.根据权利要求1所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置，其特征在于：所述软弱结构颗粒是絮凝或混凝形成的颗粒聚集体、污泥的絮体、蓝藻群体。
4.一种测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，所述的试验装置包括锥形瓶、回旋振荡器、激光粒度仪、蠕动泵、宽口吸管、计算机，其特征在于包含以下步骤：
第一步，向锥形瓶装入背景液，将锥形瓶固定在回旋振荡器上，将进样管道一端插入锥形瓶背景液底端，另一端与激光粒度仪的测量室的进样口相连接；激光粒度仪测量室的出样口用管道与蠕动泵相连，蠕动泵的另一端用管道与锥形瓶相连，计算机的数据接收口与激光粒度仪相连；
第二步，启动蠕动泵、回旋振荡器、激光粒度仪对背景液的背景值进行监测，得到初始背景值；
第三步，背景值监测完成后，使用宽口吸管吸取所测量得样品，一次性添加至锥形瓶，添加量需要使激光粒度仪的遮光度达到10～20％之间；
第四步，样品添加完毕，启动激光粒度仪进行测量，得到所测颗粒的粒径分布，同时根据试验所测软弱结构颗粒性质选择是否采用蠕动泵的回流系统，如不采用，经过激光粒度仪测量室的样品液可直接丢弃；
第五步，试样测试完毕对锥形瓶、激光粒度仪测量室及塑料管进行清洗，以便进行下一次试验。
5.根据权利要求4所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，其特征在于：测量时内部背景液初始在锥形瓶容量体积比的1/2～4/5。
6.根据权利要求4所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，其特征在于：所述的回旋振荡器在测量过程中振荡速度在220～280rpm。
7.根据权利要求4所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，其特征在于：所述的激光粒度仪为原理为米氏散射原理的激光仪器。
8.根据权利要求4所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，其特征在于：所述的蠕动泵在测量过程中泵速在3～6ml/s。
9.根据权利要求4所述的测量软弱结构颗粒物理性质的试验装置的使用方法，其特征在于：所述的宽口吸管直径根据所测颗粒直径选取，不小于2mm。
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- 2016-09-23 CN CN201610850806.9A patent/CN106338460A/zh active Pending
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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