泥浆絮凝试验中Zeta电位与絮凝现象、脱水能力的相关性探讨

李艳坤，李 怡，孙雨涵，周佰祥，周晓朋

（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

泥浆絮凝试验中Zeta电位与絮凝现象、脱水能力的相关性探讨

李艳坤1，李 怡1，孙雨涵1，周佰祥2，周晓朋2

（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

文章基于课题组已有研究成果，通过分析整理文中连云港区絮凝脱水试验数据，进一步分析Ze⁃ta电位与絮凝效果和絮凝后脱水能力之间的相关性，验证Zeta电位能否作为评价泥浆絮凝脱水能力的指标。通过对絮凝试验的测定参数Zeta电位、泥饼含水率及絮凝效果作相关性分析，结果表明：（1）Zeta电位值的大小与泥浆絮凝效果之间存在着一定的相关性，泥浆絮凝效果最优点往往出现在Zeta电位值接近零点时，Zeta电位值基本可以评价絮凝效果的优良；（2）Zeta电位值的大小对泥浆脱水能力也有着很强的影响，在泥饼含水率最低最稳定的添加量、添加区间，往往Zeta电位值趋近于等电点且相对较稳定，二者表现出一定的相关性。通过分析Zeta电位值的大小及变化过程的稳定性，基本可以评价絮凝后泥浆脱水能力的好坏。

絮凝；Zeta电位；泥饼含水率；相关分析

我国滨海地区每年要产生大量的疏浚土，其中土性大多以淤泥质粘土为主。国内疏浚土二次利用主要在吹填造陆工程且利用率不高，平均利用率仅为40％，部分大型港口工程建设可达70％［1-2］，总体的利用率偏低。经过相关研究试验，现已逐步形成了一套新型污泥固化的新工艺［3-4］——采用絮凝剂处理污泥，使用土工管袋提高滤水效果。该方法处理后的疏浚土脱水效率得到很大提升，避免了二次污染，有着显著的环保、经济效应。近些年该项工艺的研究在河、湖疏浚淤泥絮凝处理上有一定的进展，而针对广泛存在于我国滨海的吹填土的分析却很少［5-6］，但国内疏浚土产量巨大，来源以沿海港口航道疏浚为主，因此研究滨海地区吹填土的絮凝脱水工艺意义重大。

对于淤泥质粘土泥浆，一般颗粒较粗（90％＞2 μm）属粗分散体系，引力较强，表面双电层比较难压缩，所以第二极小较深。因此，浓的粘土悬浮体易形成凝胶结构，具有明显的触变性［7］。泥浆中含有大量的带负电的粘性颗粒，颗粒表面的Zeta电位能反映胶体的聚集稳定性，高分子絮凝剂的加入可以通过电中和作用压缩颗粒表面双电层，降低其Zeta电位，破坏胶体稳定性进而使悬浮的泥浆胶体颗粒发生絮凝作用，同时高分子可同时吸附在两个或两个以上胶粒表面，通过桥联方式将胶粒聚在一起而聚沉［8］。因此，胶体颗粒表面Zeta电位值的大小与絮凝剂的用量、絮凝现象及污泥脱水能力有着密切的关系，可以作为评价絮凝脱水试验的一个重要指标。当前用于评价淤泥絮凝试验效果的指标主要有絮凝效果及泥饼含水率［9］，本文基于课题组已有研究成果［10］，通过分析整理文中连云港区絮凝脱水试验数据，进一步分析Zeta电位与絮凝效果和絮凝后脱水能力之间的相关性，验证Zeta电位作为评价泥浆絮凝脱水能力指标的合理性，可以为絮凝试验中絮凝剂的选型定量提供可靠的参考依据。

1 絮凝脱水试验的3个测定指标

1.1絮凝效果即沉降速度、上清液浊度、絮团尺寸的评定

絮凝后泥浆沉降速度及上清液清浊状态由记录并观察试验现象得到，其中按照搅拌后立即沉降、1 min内完成沉降、1 min以后完成沉降，将沉降速度划分为沉降快、一般、慢3个级别。并根据观察的上清液清浊状态，划分为“清”、“浊”两个等级。试验中将上清液外观、沉降速度、絮团尺寸大小统称为絮凝效果并进行讨论，并认为同时满足上清液清、沉降速度快、絮团初次达到结块的絮凝效果为最佳添加量（如不存在三者同时满足情况，以效果相对最优时的添加量为絮凝效果最佳添加量）。

1.2泥饼含水率

泥饼含水率是絮团排水能力的体现，能有效的评价絮凝后原状泥浆脱水能力的改善。加高分子类絮凝剂后，其内部的极性基团能与淤泥胶质微粒发生化学反应，通过电中和、桥架及卷扫等作用凝聚成大的颗粒絮体，减少污泥与水的亲和力，使水分从中分离出来，从而提高淤泥的脱水性能。如果溶液中的高分子浓度过大，胶粒表面就会全部被所吸附的有机高分子物质所覆盖，胶粒不再通过桥架连接而絮凝，反而对胶粒起到稳定保护作用［11］。因此，随着添加量增加，往往泥饼含水率呈现先减后增的趋势，存在对应的最优添加量。

1.3Zeta电位

根据DLVO理论［8］，电位的大小是衡量胶体体系稳定性的重要指标，Zeta电位测定的是胶核滑动面上的电动电位，如果颗粒带有很多负的或正的电荷，也就是说很高的Zeta电位，它们会相互排斥，从而达到整个体系的稳定性。如果颗粒带很少的负的或正的电荷，即很低的Zeta电位，它们会相互吸引，从而达到整个体系的不稳定。通过向水体系中添加相应絮凝剂，引入了异性电荷，压缩双电层厚度，使Zeta电位降低，再加上絮凝剂本身的桥联作用影响，当Zeta电位降低到一定程度时，胶体就会凝聚下沉。因此，通过测定Zeta电位的大小可以一定程度上反应絮凝脱水试验的优良，并认为Zeta电位值趋于零时对应的添加量为基于DL⁃VO理论下的最优添加量。

3个指标中，絮凝现象是从直观以及微观的角度去定性的衡量絮凝试验的结果，泥饼含水率是通过测量反应后的淤泥中水分的缺失量来定量的判断絮凝试验的好坏，两个指标对于絮凝试验结果的评价各有得失，应综合起来考虑，而Zeta电位可以在试验过程中即定性又定量的评价絮凝试验，同时Zeta电位往往与絮凝现象和泥饼含水率之间有着强烈的相关性，因此，基于它们的相关性来选择Zeta电位的最优添加量、添加区间，可以为絮凝试验中絮凝剂的选型定量提供可靠的参考依据。

2 相关性分析

2.1Zeta电位与絮凝效果的相关性分析

Zeta电位是表征分散体系稳定性的有效参数，其值的高低反映了泥浆颗粒之间的相互状态，即吸斥关系。通过研究连云港港区吹填土泥浆絮凝试验相关数据显示，添加有机、无机及各类组合絮凝剂时，泥浆颗粒之间的状态随着絮凝剂用量而发生改变，与此同时还伴随着电位的变化，且泥浆絮凝效果的好坏与Zeta电位值的大小存在一定相关性。为更好地分析二者的关系，进行基于絮凝效果、DLVO理论下的不同絮凝剂最佳添加量进行对比分析如表1所示。

表1 基于絮凝效果、DLVO理论的最佳用量及Zeta电位值Tab.1Optimal dosage and Zeta potential values based on flocculation effect and DLVO theory

基于表1的数据分析可知，单掺方案3中，添加量为50 mg/L时，絮凝剂的桥联作用明显使得胶体颗粒的Zeta电位值迅速下降到-5.103 mV；添加量为200 mg/L时，由于阴离子浓度的增加抑制了絮凝剂的电中和作用与桥架作用，分散体系重新趋于稳定，Zeta电位值几乎回到未添加絮凝剂时的状态，所以，方案3呈现的相关性较差。单掺方案4中，添加量1 000 mg/L时，桥架作用明显，絮凝效果最优，添加量1 333 mg/L时，过量的PAC抑制了桥架作用但阳离子浓度增加，电中和作用明显，Zeta电位值上升，但二者电位值均在零值附近，相关性明显。混掺方案5、6组合中，适量的有机、无机组合使絮凝效果相对于单掺试验时优先达到，但当CPAM或NPAM过量时，试验结果由混掺实验向着单掺试验转变，2组方案基于絮凝效果和DLVO理论下的Zeta电位值分别为-2.889 mV与2.634 mV、2.331 mV与-2.124 mV，虽然具体数值不同但均在零值附近波动，絮凝效果、Zeta电位仍表现出较强的相关性；同理混掺方案8组合中，100 mg/L的NPAM与定量的PAC组合时，电中和及桥架作用明显，Zeta仍有向零靠近的趋势，NPAM添加量为150 mg/L时，Zeta电位值出现反弹，但絮凝效果好于前者，表明过量的NPAM与定量的PAC组合又抑制了电中和作用，二者电位值相差仅为0.594 mV，相关性依然明显。而方案1、2、7、9中，在2个评价体系的添加量完全一致，此时Zeta电位值分别为-2.473 mV、-2.151 mV、-2.331 mV、-0.675 mV。

由此可见，Zeta电位值的大小与泥浆絮凝效果之间存在着很强的相关性，且淤泥质吹填土泥浆絮凝效果最优点往往出现在Zeta电位值接近零点附近时。泥浆絮凝处理时，Zeta电位值的大小基本可以评价絮凝效果的优良。

2.2Zeta电位与絮凝后脱水能力的相关性分析

絮凝效果与颗粒Zeta电位之间具有良好的相关性，可以通过电位值的大小来评价絮凝效果的好坏，而泥浆脱水能力的好坏能否通过Zeta电位值的高低进行评价，DLVO理论是否可以合理的解释絮凝泥浆脱水能力的强弱，有必要进行二者的相关性分析。通过整理连云港泥浆絮凝试验数据，得到不同絮凝剂添加量下泥饼含水率与Zeta电位的变化过程，如图1～图8所示。泥浆脱水能力最优添加量、添加区间与Zeta电位的对比信息，如表2所示。

如图1～图3所示，3组单掺试验的曲线显示，在Zeta电位值发生较大变化时泥饼含水率同样发生了较大波动。其中APAM单独作用下，只在用量为100 mg/L时存在低于125％的含水率，不存在最优添加区间，各添加量下脱水能力均较差，泥浆电位随着絮凝剂用量的不同，各数值间差距较大，与含水率变化过程相对应，整个过程均未出现电位变化较稳定区间。NPAM单独作用下，在最优添加区间100～250 mg/L内泥饼含水率变化过程稳定，相应的Zeta电位也比较稳定，且泥浆脱水速度快，最优添加区间内的Zeta电位值为-5.246～-2.151 mV。图4所示的PAC与CPAM混掺试验结果，两条曲线变化过程相近，虽然添加量为100 mg/L所对应的Ze⁃ta电位不是最趋近于零点的，但与绝对值最小的电位值相差很小，且二者所对应的泥饼含水率均低于100％，在最优添加区间内，泥浆的电位值为-4.995～2.634 mV。PAC与NPAM的混掺试验结果亦是如此，如图5～图8所示，初始PAC用量为667～2 000mg/L四组试验，含水率随Zeta电位变化趋势明显，在初始PAC用量分别为667 mg/L、1 000 mg/L、1 333 mg/L时，两标准下的Zeta电位完全相同，前三组试验的最优添加区间电位值分别为-3.391～-2.124 mV、-4.877～-0.598 mV、-2.464～-2.29 mV，区间内各点电位值相差很小，且均在等电点附近。PAC用量为2 000 mg/L时，脱水能力最强电位与绝对值最小电位间的差距也非常小，均在零点附近，但由于此用量下，只在NPAM为100 mg/L时泥浆脱水能力处于快速水平，因此不存在最优添加区间。

图1 CPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.1Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under CPAM

图2 NPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.2Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under NPAM

图3 APAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.3Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under APAM

图4 333mg/L的PAC+CPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.4Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 333 mg/L PAC and CPAM

图5 667mg/L的PAC+NPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.5Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 667 mg/L PAC and NPAM

图6 1000 mg/L的PAC+NPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.6Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 1 000 mg/L PAC and NPAM

图7 1333 mg/L的PAC+NPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.7Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 1 333 mg/L PAC and NPAM

图8 2000 mg/L的PAC+NPAM作用下泥饼含水率与Zeta电位关系Fig.8Relationship between water content of sludge cake and Zeta potential under 2 000 mg/L PAC and NPAM

如表2所示，依据连云港港吹填土泥浆絮凝抽滤试验结果，编号1～8絮凝剂组合作用下泥浆脱水能力最优添加量对应的Zeta电位分别为-6.906 mV、-3.881 mV、-7.282 mV、-4.995 mV、-2.124 mV、-0.598 mV、-0.339 mV、1.021 mV，Zeta电位绝对值最低点为-2.473 mV、-2.151 mV、-5.103 mV、2.634 mV、-2.124 mV、-0.598 mV、-0.339 mV、-0.675 mV，其中编号为1的阳离子型聚丙烯酰胺、编号为3的阴离子型聚丙烯酰胺絮凝处理的泥浆Zeta电位值相差较大且偏离零点较远，编号2、5的非离子型聚丙烯酰胺单掺试验、聚合氯化铝与阳离子型聚丙烯酰胺混掺试验，虽然两标准下的电位均在零点附近，但二者亦不存在一一对应的关系，Zeta电位趋于零点的添加量并非脱水能力最强时的用量。而聚合氯化铝与非离子型聚丙烯酰胺的混掺试验结果表明，脱水能力最强与Zeta电位绝对值最低时所对应的絮凝剂用量几乎完全相同，尤其是编号为5、6、7的三组试验，表现出二者具有较强的相关性。

表2 基于脱水能力的最佳用量及相应Zeta电位值Tab.2Optimal dosage and Zeta potential values based on dewatering capacity and DLVO theory

综上所述，泥浆脱水最优时的电位值并非DLVO理论下的最趋近于零点的电位值，但Zeta电位与泥浆脱水能力仍表现出较好的相关性。絮凝脱水能力效果的提高与否是电中和作用与桥架作用共同导致的结果，通过数据分析发现在不同类型、不同组合絮凝剂添加中Zeta电位对泥饼含水率有着显著的影响，在Zeta电位变化较明显时同样伴随着泥饼含水率较大的波动，在电位相对稳定的区间，泥饼含水率也相对较稳定，且该区间往往是泥浆的最优添加区间，表明二者具有一定相关性。因此，通过分析电位值的大小及变化过程的稳定性，基本可以评价絮凝后泥浆脱水能力的好坏。

3 结论

（1）各离子性质的聚丙烯酰胺、聚合氯化铝及有机-无机组合絮凝剂对连云港淤泥质吹填土泥浆能产生一定的作用，可有效的降低泥饼含水率、改变上清液状态、提高沉降速度并增大泥浆内胶体尺寸，其中CPAM、NPAM、PAC+NPAM作用下絮凝效果最为明显。

（2）Zeta电位值的大小与泥浆絮凝效果之间存在着一定的相关性，试验结果显示泥浆絮凝效果最优点，往往在Zeta电位值接近零点时，Zeta电位值的大小基本可以评价絮凝效果的优良。

（3）Zeta电位值的大小对泥浆脱水能力有着很强的影响，在泥饼含水率最低最稳定的添加量、添加区间，往往Zeta电位值趋近于等电点且相对较稳定，表明二者具有一定相关性，通过分析电位值得大小及变化过程的稳定性，基本可以评价絮凝后泥浆脱水能力的好坏。

（4）滨海吹填土的实际处理当中，可以结合絮凝现象和泥饼含水率来综合选定Zeta值的最优变化区间，进而选定不同组合的絮凝剂用量最优添加区间，以节省工程造价。

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Correlation analysis between Zeta potential and mud flocculation and dewatering capacity on mud flocculation experiment

LI Yan⁃kun1，LI Yi1，SUN Yu⁃han1，ZHOU Bai⁃xiang2，ZHOU Xiao⁃peng2
（1.School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Based on the flocculation dewatering test data in Lianyungang area,the correlation between Zeta po⁃tential and mud flocculation and dewatering capacity was analyzed,and the Zeta potential was verified as an evalua⁃tion indicator of flocculation sludge dewatering capacity.By analyzing the correlation between Zeta potential and cake moisture content and flocculation,the results show that:(1)In the three evaluation index,it has some certain correlation between the Zeta potential and flocculation effect，the data show that the point of the best flocculation of⁃ten appears when the Zeta potential value is close to zero,and the method of evaluating the flocculation effect with the Zeta potential value is logical.(2)Similarly,it has some certain correlation between the Zeta potential and water content of sludge cake.When the water content of sludge cake reaches the lowest and the most stable added amount,the Zeta potential value is close to the isoelectric point and relatively stable.The Zeta potential value can also value the dewatering capacity to a certain degree.Therefore,the method of analyzing the Zeta potential to evalu⁃ate the mud flocculation dewatering capacity of the coastal dredger fill is basically feasible.

flocculation;Zeta potential;water content of sludge cake;correlation analysis

X 703.5

A

1005-8443（2016）02-0187-06

2015-03-30；

2015-12-11

李艳坤(1989-)，男，黑龙江省人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海方面的研究。

Biography：LI Yan⁃kun（1989-），male，master student.