造纸废水zeta电位的实时在线监测系统的研究

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

0 引言

目前，普遍使用的zeta电位测定方法是电泳法和流动电位法。英国马尔文公司的Nano-ZS9型粒度分析仪即利用电泳法测定废水的zeta电位[1]。德国制造的SZP04型zeta电位测定仪即根据流动电位法测量纸浆的zeta电位[2]。这些仪器基本上都是在实验室中进行的离线测量[3]。而在工业生产中，这种测量方法往往存在一定的弊端。由于工业生产中每天产出的废水水质的各项指标都有一定的差异，其zeta电位值往往不同，絮凝工段需要的最优絮凝剂投放量也不相同，即该批废水的最优絮凝剂投加量不一定适合于另外一批废水。这会造成絮凝剂投加量不够精确，使絮凝工段处理不够彻底，为后续工段处理增加了压力。

针对上述缺点，自主研发了一套基于流动电位的zeta电位在线测定系统。系统的核心在于构造一个流动的“滑移面”来测量zeta电位，采用管状多孔陶瓷复合膜管作为液体的接触面。每个流道就是一个毛细管，在毛细管内部形成双电层结构。该系统能够在线检测絮凝工段的zeta电位，优化了絮凝剂的添加量，降低了废水处理成本，具有很大的现实意义。

1 zeta电位在线测定装置

1.1 zeta电位

在胶体化学理论中，zeta电位可用来作为衡量胶体体系稳定性的指标。如果胶体颗粒带有很多正的或负的电荷[4]，即zeta电位的绝对值很大，颗粒间会相互排斥，从而实现整个胶体体系的稳定性，此时废水中的胶体颗粒很难除去。如果往水中加入某种电解质[5]，使胶体的扩散层变薄，胶体颗粒间的静电斥力随之减弱或消失，zeta电位的绝对值降低甚至趋于零。此时，胶体颗粒相互接触时就很容易通过吸附作用而聚结成大颗粒，胶体杂质就比较容易去除。往废水中加入的电解质叫絮凝剂。因此,选用zeta电位来直观表示胶体废水中带电颗粒的处理情况。

当固液两相物质相接触时，接触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子的不均匀分布，从而构成固液界面的双电层结构[6]。当有外力作用时, 双电层结构受到扰动,吸附层与扩散层之间出现相对移位。这个相对移位的界面叫滑移面，滑移面上的电位就是zeta电位。粒子双电层结构和zeta电位如图1所示。

图1 粒子双电层结构和zeta电位

1.2 zeta电位测定原理

由于固液两相分别带有电性相反的过剩电荷, 因此在外力作用下会产生一系列的电动现象。流动电位就是其中之一，它是指在外力作用下, 液体相对于固体表面流动而产生电场的现象。

实验室自主研制装置采用流动电位法[7]，装置结构如图2所示。

污水在单相高压自吸泵的驱动下进入管状的多孔陶瓷复合膜管，扩散层中的反离子被带走，产生流动电流IC。此时溶液内由于电荷的积累形成电场，该电场形成反向传导电流Is。当IC=Is时，体系达到平衡。管两端的电位差即流动电位。在管的两端接一毫伏表，即可测出在该压力下的流动电位。压力差的大小通过单相高压自吸泵阀门开度来调节。

根据经典的Helmholtz-Smoluchowski方程，可以得到该液体的zeta电位，即：

(1)

式中：ζ为zeta电位，mV；K0为设备的修正因子；k为溶液电导率， ms/cm；η为溶液黏度， mPa·s；εr为水的相对介电常数；ε0为真空介电常数，F/m；E为流动电位，mV；ΔP为压力差， kPa。

1.3 在线测定zeta电位的实现

由式(1)可知，为实现废水中zeta电位的在线测定，废水的黏度η、压力差ΔP、流动电位E和电导率k都必须在线测定。

1.3.1 在线测定黏度

综上，游客对长江三峡地域文化认知过程可总结为图3。旅游认知是游客基于已有感知印象，根据旅游经验或实地体验对旅游目的地信息进行主动选择、反馈、加工和处理的心理过程[37]25。旅游目的地的原真文化在文化营销和传播的影响下对游客产生信息刺激，然后游客对这些信息进行选择性加工或体验，形成对旅游目的地文化的知觉印象。游客认知的建构会对信息的选择性加工产生影响。认知在游客人脑中的存储是概念网络的状态，当游客回忆经历的旅游体验时，核心的概念节点被激活，然后扩散到相邻概念。这些概念之间的关系网络作为一种认知的存储模式，部分地反映了目的地的原真文化。

系统采用NDJ-5S型黏度计测定废水的黏度值。该仪器由高细分驱动步进电机、16位微处理器和带夜视功能的液晶屏组成。步进电机经变速带动转子做恒速旋转。当转子在液体中旋转时，液体会产生作用在转子上的黏度力矩。液体的黏度值越大，黏度力矩也越大；反之，液体的黏度越小，黏度力矩也越小。作用在转子上的黏度力矩由光电传感器检测，经计算机处理后得出被测液体的黏度值[8]。

该黏度计不具备数据传输的接口，黏度值无法传送给数据处理设备，不能实现黏度值的在线测定。光电传感器测定的黏度力矩与黏度值之间存在一定的关系，为实现黏度的在线测定，可以把光电传感器的输出用外接引线接到PLC的模拟量输入模块SM331中，再在Step7中编程,从而实现黏度的在线采集。黏度值与黏度力矩的关系为：

(2)

式中：η为黏度，mPa·s，M为黏度力矩，N·m；Ω为转子旋转角速度，rad/s;l为转筒的高度，m；R1为内转筒的半径，m；R2为外转筒的半径，m。

光电传感器的输出信号为光电流或光电压。在该黏度计中，其输出信号为0～20 mA的光电流。光电流与黏度力矩的转换通过在Step7中添加功能FC1完成，黏度力矩与黏度的转换则用功能FC2完成。主程序OB1调用功能FC1、FC2，完成黏度值的实时在线检测。

1.3.2 在线测定压力差

系统采用压力变送器测量多孔陶瓷复合膜管两端的压力差，其工作原理如下。通过压力传感器检测到的工业现场压力信号，经差分放大和输出放大器放大后，经V/A转换模块转换成与被测介质(液体)的压力呈线性对应关系的4～20 mA标准电流输出信号，以供给二次仪表进行测量、指示和过程调节。

压力变送器转换的电流信号为模拟信号，而计算机只能处理数字信号，直接将4～20 mA的电流信号传送给计算机的CPU，CPU是无法识别和处理的。为此，将电流信号传送到PLC的模拟信号输入模块SM331，实现数字信号的转换。系统中采用的SM331在采集电流信号时是四线制的，而压力变送器一般是二线制的。系统为压力变送器提供24 V的外接电源，将二线制变为四线制，再接入到SM331中。

压力变送器的量程为0～1 000 kPa，电流信号与压力差的转换公式为：

(3)

式中：x为光电流，mA；y为压力差，kPa。

光电流与压力差的转换通过在Step7中添加功能FC3完成，OB1调用FC3完成压力差的实时在线检测。

2 系统人机界面

为能够实现快速、连续监测废水的zeta电位，以系统实时测得的zeta电位值为基础，采用西门子的S7-300 系列PLC和组态软件WinCC，搭建一个zeta电位值的实时在线监测系统的人机交互界面[9]，以实时采集废水处理中各种信息并显示废水的zeta电位，为zeta电位值提供一个可视化的处理界面。

在WinCC项目管理器中，在变量管理下添加驱动程序“simatic S7 protocol suite”。由于系统使用PC/MPI通信电缆进行通信和数据传输，因此选用MPI通信协议。建立新的驱动程序的连接New Connection。在该连接下，添加过程变量(如zeta电位值、毫伏表示数、黏度值、压力差等)，并对其进行设置。设置包括变量名、变量数据类型、变量地址(为保证通信的成功，必须与PLC中相应变量的地址相同)等项[10]。

在zeta电位值实时在线监测的组态界面中，压力指示仪、数字毫伏表、黏度计等采集试验水样的相关指标。各指标信息传送到PLC的模拟量输入模块SM331，并在Step7中编程实现数据的处理和运算。PC/MPI编程电缆(PC适配器)将PLC处理后的数据信息传送到计算机的COM口。由于PLC与WinCC已经成功通信，因此数据栏的检测数据中实时显示了流动电位、压力差、黏度值等指标。在计算数据中，水的相对介电常数和真空介电常数在一定条件下是常数。设备修正因子是根据试验水样实际的zeta电位值利用式(1)得出的，因此对于同一批废水，设备修正因子也为常数。

zeta电位的实时显示窗口是一个动态I/O域，连接的变量是zeta电位，其属性设置必须和PLC中设置的变量zeta电位的地址、数据类型完全一致，才能实时显示zeta电位值。

3 试验结果与分析

3.1 zeta电位的在线测定

为验证系统的准确性，取同一批废水放入8个容器内，每个15 L，分别标号a～h。向每个水样内加入不同剂量的絮凝剂PAC和PAM，经絮凝工段沉淀处理后取上清液,分别用自主研发的zeta电位在线测定系统和马尔文Nano-ZS9型粒度分析仪测定zeta电位。为了使试验数据更具有可比性，PAM为定量，PAC为不同剂量，即a～h容器中PAM为定量2 mL/L，PAC的用量分别为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。

根据实测zeta电位值的绝对值与絮凝剂PAC的添加量,拟合得到的zeta电位与絮凝剂用量的关系曲线如图3所示。

图3 zeta电位与絮凝剂用量的关系曲线

从图3可以看出，随着絮凝剂PAC用量的不断增加，两个装置测得的zeta电位的绝对值均不断减小。虽然自制系统相比于马尔文Nano-ZS9型粒度分析仪存在一定的误差，但是在允许的误差范围内。该装置可应用到污水处理领域中指导絮凝剂的添加。

3.2 压力差ΔP和zeta电位的关系

多孔管状陶瓷膜在不同压力差ΔP与流动电位和zeta电位的拟合曲线如图4所示。从图4(a)可以看出，随着压力差的增加，流动电位绝对值的变化趋势越来越小。图4(b)中3条曲线是絮凝剂PAC的添加量分别为0 mL/L、0.5 mL/L、1.0 mL/L的上清液在不同压力差下的zeta电位。从图4(b)可以看出，随着压力差的增加，zeta电位的绝对值均呈下降趋势。

图4 压力差和zeta电位关系曲线

分析可知，随着压力差ΔP的增加，多孔管状陶瓷膜流道内溶液的流速增加，滑移面处受到的剪切应力增加。该处的反离子还未来得及被吸附就被冲走，使得吸附层与溶液之间的相对运动产生的吸附层电位减小。zeta电位就是吸附层与扩散层之间相对移动产生的滑移面处的电位差。zeta电位的绝对值略小于吸附层电位，而吸附层电位不能被直接测出，可以用zeta电位来间接表征吸附层电位。随着操作压力的增加，废水的zeta电位的绝对值减小。因此，在试验中，当压力差在8～28 kPa时，zeta电位值的误差相对较小。

4 结束语

造纸废水的zeta电位实时在线监测系统，实现了污水处理过程中zeta电位的实时在线检测，优化了絮凝工段絮凝剂的投放量，降低了运行成本，提高了造纸中段废水的处理效果，减轻了后续工段的处理压力。系统的优点在于自动取样、反应灵敏、实时在线监测絮凝工段的zeta电位值，具有友好的人机界面。试验表明，造纸废水中zeta电位的实时在线监测系统在指导废水处理的絮凝工段具有很好的指导意义，并有良好的经济效益。

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