CN107589043A - 一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法 - Google Patents
一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107589043A CN107589043A CN201710634443.XA CN201710634443A CN107589043A CN 107589043 A CN107589043 A CN 107589043A CN 201710634443 A CN201710634443 A CN 201710634443A CN 107589043 A CN107589043 A CN 107589043A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flocculating constituent
- sedimentation
- flocculating
- effective density
- density
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 title abstract description 5
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims abstract description 36
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 230000003311 flocculating effect Effects 0.000 claims description 72
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 71
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 19
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 12
- 239000008394 flocculating agent Substances 0.000 claims description 4
- 239000010902 straw Substances 0.000 claims 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract 1
- 238000005189 flocculation Methods 0.000 description 8
- 230000016615 flocculation Effects 0.000 description 7
- 244000144992 flock Species 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 241000755266 Kathetostoma giganteum Species 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 2
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Separation Of Suspended Particles By Flocculating Agents (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，所述方法是将预先配制的煤泥水样品注入沉降管，添加絮凝剂沉降；打开PIV系统的CCD相机及软件，设置相机曝光时间和每帧照片之间的时间间隔；在注满去离子水的沉降柱中放入标定板；将软件切换至采集模式，吸取沉降管底部的絮凝体将其移至用于测试的沉降柱中进行静水沉降；当絮凝体沉降至测定平面时，采集图像并保存；将不同时刻的絮凝体沉降图像导入软件中，统计图像中各个絮凝体的粒度和沉降速度；计算出絮凝体的有效密度，将各絮凝体的粒度与有效密度数据绘制散点图，拟合得到两者之间的数学模型。本方法操作简单，方便实用，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种定量分析絮凝体的方法，尤其是一种煤泥絮凝体粒度尺寸与有效密度之间关系的定量分析方法。
背景技术
沉降浓缩过程是固液分离的重要环节，被广泛应用于选矿、洗煤、化工以及废水处理等工业领域，沉降浓缩装置的性能高低取决于所处理的固体物料特性，大多数的沉降浓缩工艺以絮凝工艺为基础，为了保证溢流水的澄清度，在浆液进入沉降前，首先在浆液中加入化学絮凝剂进行絮凝。因此，絮凝体的粒度、有效密度以及絮凝体的沉降性能都会对沉降过程产生影响，絮凝反应的随机性以及复杂性受到很多因素的制约，因此絮凝体的粒度分布及密度难以用传统方法测定；而且细颗粒聚集后形成数目众多絮团，每个絮团都具有各自的特征，每个絮团对沉降效果影响也不一样，现有技术中针对每一个具体的絮凝体的尺寸和有效密度进行定量分析的报道非常罕见，因而难以分析它们之间的制约关系。目前为止，田枫等人在“伶仃洋河口泥沙絮凝特征及影响因素研究（《海洋学报》, 2017 , 39 (3):55-67）”中定性地指出河口泥沙絮凝沉速与有效密度、粒径呈正相关。郭超等人在“长江河口控制站泥沙絮凝特性研究（《泥沙研究》, 2016 (5) :60-65）”中统计了河口控制站徐六泾的悬沙絮凝特性，结果表明絮团平均粒径变化范围20~120μm，比分散颗粒中值粒径(平均5.3μm)大一到两个数量级。絮团的分形维数主要在1.8~2.4,有效密度变化范围70~600kg/m3,其随絮团增大呈减小趋势。Zahid和Ganczarczyk等人发现采用幂函数通常可以描述絮凝体尺寸与有效密度之间的关系，然而，幂函数的数学模型没有任何物理意义。因此有必要对整个体系中的每一个絮凝体参数进行测定，并建立一种符合实际物理意义的数学模型对两者进行定量分析和预测，本发明的目的即在于此。
发明内容
本发明所要解决的具体问题是首先对整个絮凝体系中的每一个絮凝体的尺寸和有效密度进行精确测定，其次是建立一种符合实际物理意义的数学模型对两者进行定量分析和预测。本发明的目的是提供一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，对絮体特性进行深入研究，从而进一步认清混凝机理，得到致密絮体，从而产生较好混凝沉降效果。
为实现上述技术目的，本发明的技术解决方案如下。
一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，所述方法是按下列步骤进行的：
（1）将预先配制的煤泥水样品中添加絮凝剂使其絮凝沉降1h；
（2）打开PIV系统中的CCD相机和操作软件，设置相机曝光时间和每帧照片之间的时间间隔；
（3）注满去离子水的沉降柱中放入标定板，调整光源，进行尺寸标定；
（4）将软件切换至采集模式，利用虹吸法吸取沉降管底部的絮凝体，并将其移至用于测试的沉降柱中进行静水沉降；
（5）当絮凝体沉降至测定平面时，采集图像并保存；
（6）将六帧不同时刻的絮凝体沉降图像导入ImageJ软件中，统计图像中各个絮凝体的粒度和沉降速度；
（7）根据所测的絮凝体粒度和沉降速度数据，使用斯托克斯公式计算出絮凝体的有效密度，将各絮凝体的粒度与有效密度数据绘制散点图，拟合得到两者之间的数学模型。
进一步地附加技术特征如下。
所述曝光时间是10000μs。
所述每帧照片之间的时间间隔是0.05s。
所述采集模式的对焦是使标定板能够被CCD相机清晰地采集到并保存图像，取出标定板。
所述标定板的图像像素是与自然空间的比例进行标定，使后续测量的颗粒空间坐标尺寸由像素变为mm。
所述沉降管是平头吸管，直径是8mm。
所述图像是进行灰度处理和阀值设定，使得絮凝体清晰可见。
所述六帧不同时刻的絮凝体沉降图像是计算出五组絮凝体沉降速度并将其进行比对，排除跟踪错误的絮凝体，最终将其平均值作为各个絮凝体的沉降速度。
所述絮凝体有效密度，即絮凝体密度与水体密度之差；絮凝体的有效密度由斯托克斯定律计算，公式为 。
所述所述拟合得到两者之间的数学模型是将三次平行试验的所有数据进行统计。
本发明上述所提供的一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，与现有技术相比，一是本方法进行微观测试，能够有效地避开宏观沉降特性的干扰，直接观察絮团特性；二是本方法进行动态测试，避免了絮团重叠，对各个絮团颗粒进行精确识别跟踪，方便实用，测量精度高；三是本方法清晰准确地统计出体系中絮凝体尺寸和有效密度的分布情况；四是本方法便于分析和预测具体絮凝体尺寸所对应的有效密度。
附图说明
图1是本发明不同时刻各絮团的位移图。
图2是本发明絮团跟踪情况图。
图3是本发明絮团粒度与沉降速度统计结果图。
图4是本发明絮凝体尺寸与有效密度的拟合结果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，该方法是按下列步骤进行的：
步骤一、首先将预先配制好的煤泥水样品中，添加絮凝剂使其絮凝沉降1h以上；其中，煤泥水的配置、絮凝剂的添加均是按现有技术进行。
步骤二、使用相机，并打开PIV系统中的CCD相机和操作软件，设置相机曝光时间为10000μs，每帧照片之间的时间间隔=0.05s。
步骤三、在注满去离子水的沉降柱中，放入标定板，并调整光源，进行尺寸标定；其中，标定板的图像像素是与自然空间的比例进行标定，使后续测量的颗粒空间坐标尺寸由像素变为mm。
步骤四、将相机操作软件切换至采集模式，利用虹吸法吸取沉降管底部的絮凝体，并将其移至用于测试的沉降柱中进行静水沉降；其中，采集模式的对焦是使标定板能够被CCD相机清晰地采集到并保存图像，取出标定板；采用的沉降管是平头吸管，直径是8mm。
步骤五、絮凝体沉降，当絮凝体沉降至测定平面时，进行采集图像，并保存采集到的图像。
步骤六、将六帧不同时刻的絮凝体沉降图像导入ImageJ软件中，统计图像中各个絮凝体的粒度和沉降速度；其中的图像是首先进行灰度处理和阀值设定，使得絮凝体清晰可见；其中，六帧不同时刻的絮凝体沉降图像是计算出五组絮凝体沉降速度并将其进行比对，排除跟踪错误的絮凝体，最终将其平均值作为各个絮凝体的沉降速度。
步骤七、根据所测的絮凝体粒度和沉降速度数据，使用斯托克斯公式计算出絮凝体的有效密度，将各絮凝体的粒度与有效密度数据绘制散点图，拟合得到两者之间的数学模型；其中，絮凝体有效密度，即絮凝体密度与水体密度之差；絮凝体的有效密度由斯托克斯定律计算，公式为 ；其中所拟合得到两者之间的数学模型是将三次平行试验的所有数据进行统计。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施例1
实施一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，该方法的具体实施步骤如下：
取-0.074mm王家岭气煤20g与50L去离子水配制浓度为2.5g/L的煤泥水，将其注入沉降管中，加入1mL质量分数为0.1%（分子量1200万）的非离子型聚丙烯酰胺使其絮凝沉降1h，用玻璃棒顺时针，逆时针分别搅拌10圈，使煤泥水和药剂混合均匀，之后静置1h；
利用平头吸管吸取沉降管底部的絮凝体将其移至用于测试的沉降柱中进行静水沉降，当絮凝体沉降至测定平面时，采集图像并保存，将照片导入ImageJ软件统计各絮凝体的粒度，沉降速度。
使用斯托克斯公式计算出絮凝体的有效密度，将各絮凝体的粒度与有效密度数据绘制散点图，拟合得到两者之间的数学模型。
本领域技术人员应该注意的是，由于絮凝体自身比较松散易碎，因此在吸取和释放絮凝体的过程中应该轻拿轻放，避免人为因素使其结构破坏。
本领域技术人员应该注意的是，由于絮凝体沉降过程中受到重力和浮力的作用，在沉降的初始阶段絮凝体沉降速度会持续增大，增大到一定程度时两者受力平衡，此后絮凝体会匀速下降，因此应当使絮凝体发生稳定的沉降后方可采集图像，从而避免由于沉降速度不稳定而导致的测量误差。
本领域技术人员应该注意的是，为了保证对每个絮凝体颗粒进行精确地跟踪，每次取样过程中絮凝体数量不宜过多，为了保证统计样本的容量和测试结果的精确性应该进行3次平行测试。
絮凝体的有效密度，即絮凝体密度与水体密度之差。随着絮凝物的尺寸增加，其密度越来越接近水的密度。相反，当絮凝物接近离散的单个颗粒的大小时，其密度接近沉积物的密度。通过数据拟合发现这种关系可以用公式1所示的指数函数的数学模型来表达。
（1）
其中，为絮团粒度，为絮团密度，为固体颗粒密度，为水的密度，和为常数。该数学模型具有明确的物理意义，即当时，，则，即；当时，，则，即。也就是说当絮团粒度趋向于无穷大时，絮团有效密度趋向于0，而絮团本身的密度趋向于介质的密度；当絮团粒度趋向于0时，絮团的有效密度趋向于颗粒自身密度与介质密度之差，即絮团密度趋向于颗粒自身的密度。因此该模型可以合理地解释絮凝物尺寸和有效密度之间的关系。
实施一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，具体效果如下：
附图1显示了本方法的絮团在沉降柱中的不同时刻各絮团的位移。
附图2显示了本方法的絮团跟踪情况。
附图3为本方法不同时刻絮团粒度和沉降速度的统计结果。
附图4为本方法的絮凝体尺寸和有效密度的拟合结果。
以上所述，只是本发明一个简单应用实例，并非对本发明的技术应用范围作任何限制，但凡依本发明的权利要求和权利说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。
Claims (10)
1.一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法，所述方法是按下列步骤进行的：
（1）将预先配制的煤泥水样品中添加絮凝剂使其絮凝沉降1h；
（2）打开PIV系统中的CCD相机和操作软件，设置相机曝光时间和每帧照片之间的时间
间隔z.jpg；
（3）在注满去离子水的沉降柱中放入标定板，调整光源，进行尺寸标定；
（4）将软件切换至采集模式，利用虹吸法吸取沉降管底部的絮凝体，并将其移至用于测试的沉降柱中进行静水沉降；
（5）当絮凝体沉降至测定平面时，采集图像并保存；
（6）将六帧不同时刻的絮凝体沉降图像导入ImageJ软件中，统计图像中各个絮凝体的粒度和沉降速度；
（7）根据所测的絮凝体粒度和沉降速度数据，使用斯托克斯公式计算出絮凝体的有效密度，将各絮凝体的粒度与有效密度数据绘制散点图，拟合得到两者之间的数学模型。
2.根据权利要求1所述的方法，所述曝光时间是10000μs。
3.根据权利要求1所述的方法， 所述每帧照片之间的时间间隔z.jpg是0.05s。
4.根据权利要求1所述的方法，所述采集模式的对焦是使标定板能够被CCD相机清晰地采集到并保存图像，取出标定板。
5.根据权利要求4所述的方法，所述标定板的图像像素是与自然空间的比例进行标定，使后续测量的颗粒空间坐标尺寸由像素变为mm。
6.根据权利要求1所述的方法，所述沉降管是平头吸管，直径是8mm。
7.根据权利要求1所述的方法，所述图像是进行灰度处理和阀值设定，使得絮凝体清晰可见。
8.根据权利要求1所述的方法，所述六帧不同时刻的絮凝体沉降图像是计算出五组絮凝体沉降速度并将其进行比对，排除跟踪错误的絮凝体，最终将其平均值作为各个絮凝体的沉降速度。
9.根据权利要求1所述的方法，所述絮凝体有效密度z.jpg，即絮凝体密度与水
体密度之差；絮凝体的有效密度由斯托克斯定律计算，公式为 z.jpg。
10.根据权利要求1所述的方法，所述拟合得到两者之间的数学模型是将三次平行试验的所有数据进行统计。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710634443.XA CN107589043A (zh) | 2017-07-29 | 2017-07-29 | 一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710634443.XA CN107589043A (zh) | 2017-07-29 | 2017-07-29 | 一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107589043A true CN107589043A (zh) | 2018-01-16 |
Family
ID=61042607
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710634443.XA Pending CN107589043A (zh) | 2017-07-29 | 2017-07-29 | 一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107589043A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111931429A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-11-13 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种絮团有效密度随粒径变化的模拟方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1538177A (zh) * | 2003-05-30 | 2004-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 基于图像处理技术的混凝过程絮体检测及优化控制系统 |
| CN106442526A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-02-22 | 青岛理工大学 | 一种基于matlab的活性污泥絮体分析方法 |
| CN106769717A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-31 | 重庆市环境科学研究院 | 一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置 |
-
2017
- 2017-07-29 CN CN201710634443.XA patent/CN107589043A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1538177A (zh) * | 2003-05-30 | 2004-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 基于图像处理技术的混凝过程絮体检测及优化控制系统 |
| CN106442526A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-02-22 | 青岛理工大学 | 一种基于matlab的活性污泥絮体分析方法 |
| CN106769717A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-31 | 重庆市环境科学研究院 | 一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李亚红等: "利用PIV测量铜尾矿絮团密度", 《太原科技大学学报》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111931429A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-11-13 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种絮团有效密度随粒径变化的模拟方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1696654A (zh) | 一种颗粒粒径分布的测量方法 | |
| CN104502245B (zh) | 一种利用图像分析技术测定砂子细度模数的方法 | |
| Keyvani et al. | A fully-automated image processing technique to improve measurement of suspended particles and flocs by removing out-of-focus objects | |
| CN107179265A (zh) | 煤泥水混凝过程中絮体动态特征参数提取系统及方法 | |
| CN101576467B (zh) | 水中絮体分形成长过程原位测定方法 | |
| Tang et al. | A mesocosm experiment of suspended particulate matter dynamics in nutrient-and biomass-affected waters | |
| CN107462500A (zh) | 基于piv系统煤泥絮团粒度和沉降速度的同步测定方法 | |
| CN112857471A (zh) | 基于工业物联网的化工废水处理排放在线监测预警管理云平台 | |
| CN112919605A (zh) | 基于图像采集的污水处理系统及方法 | |
| JP2017026527A (ja) | 凝集沈殿制御装置、凝集沈殿制御方法、コンピュータプログラム及び凝集沈殿システム | |
| CN107589043A (zh) | 一种定量分析絮凝体尺寸与有效密度关系的方法 | |
| Xiao et al. | Investigation and visualization of internal flow through particle aggregates and microbial flocs using particle image velocimetry | |
| JP2016191679A (ja) | 凝集状態検出方法、薬剤注入制御方法及び薬剤注入制御装置 | |
| CN111912752A (zh) | 絮凝检测装置、方法及污水处理系统 | |
| Ye et al. | The role of suspended extracellular polymeric substance (EPS) on equilibrium flocculation of clay minerals in high salinity water | |
| CN213875349U (zh) | 絮凝检测装置及污水处理系统 | |
| Yu et al. | Simultaneously monitoring the particle size distribution, morphology and suspended solids concentration in wastewater applying digital image analysis (DIA) | |
| CN113192050B (zh) | 一种煤泥水在线监测装置、方法及电子设备 | |
| TWI426256B (zh) | 雷射光學影像水中懸浮顆粒濃度量測裝置及其量測方法 | |
| CN107607534A (zh) | 利用光学显微镜获取煤泥絮团分形维数的方法 | |
| Cheng et al. | Monitoring floc formation to achieve optimal flocculation in water treatment plants | |
| CN118334025B (zh) | 一种适用于细颗粒泥沙絮团絮凝和沉降观测图像处理系统及方法 | |
| CN216669658U (zh) | 一种基于双相机的机制砂空隙率在线测量系统 | |
| CN117036250B (zh) | 一种基于视觉算法的絮体沉降性能判断方法及装置 | |
| CN114272653B (zh) | 一种用于沉淀池水的控制系统和方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180116 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |