滤料表面ζ电位的测定

张建锋 杨长生 王晓昌 金同轨
（西安建筑科技大学环境与市场工程学院，西安，710055）

　　摘 要：本文根据流动电位的测定原理及其与颗粒表面ζ电位的关系，通过一套简单的装置对几种常用滤料的表面ζ电位进行了测定，同时给出了测定的控制条件，并将测定结果与国外学者的数据进行了对比。
　　关键词：流动电位，表面ζ电位，滤料

　　在给水处理中，过滤纸十分重要的处理单元，给水厂出水的卫生安全与滤池的工作状况有密工的关系。在过滤过程中滤料的性质在一定程度上决定着滤池的过滤效率。因此，研究滤料颗粒的物理化学性质对于完善水处理技术和工艺是十分重要的。长期以来，关于滤料颗粒表面电位的作用和对过滤机理的影响得到了大多数研究者的认可，但滤料颗粒表面电位的测定一直没有得到很好的解决。本文根据颗粒流动电位与表面ζ电位的关系，通过一套简单的装置对几种常用滤料的ζ电位进行了测定。

1、原理

　　表面电位是描述固体颗粒表面特性的一个重要参数。根据胶体化学上的双电层理论，ζ电位是胶体颗粒表面双电层结构中滑动面上的电位，见图1所示。这个滑动面距颗粒表面非常近。ζ电位在数值上小于颗粒表面电位，但表面电位难于进行精确的分析和测量。由于固体表面在理想的稀电解质溶液条件下，ζ电位与表面电位具有一致性，因此一般均用ζ电位来表征胶体的表面电位。根据电泳的原理，一般常用微电泳议来测定水中胶体颗粒的ζ电位，但对于粒径远大于胶体级的颗粒(如滤料)表面的ζ电位，采用电泳的方法是不现实的。

　　电渗是指在外电场作用下液体相对于带电表面的移动现象，流动电位现象则是电掺的逆过程。当液体受压力作用通过毛细管时，靠近毛细管双电层中的扩散层带着反电荷也跟着向管的一端流动，这样便形成了流动电流Is。由于扩散层的流动使电荷积聚，并因此而建立起一个电场。这个电场会导致液体体相中出现反向电流——电导电流Ic。当Ic＝Is时。即建立稳态平衡。此时在毛细管的两端产生一个静电电位，这就是流动电位。流动电位是液体所受外力的函数[1]。
　　在研究滤池的机理时，一般可以将由粒状滤料随机堆放而成的滤层的内部空隙结构抽象为毛细管。因此，根据流动电位的原理，可以测定滤层中通过电解质溶液时的流动电位。Hiemenz和Rajagopaian给出了产生流动电池的体系中流动电位与液体所受压力的关系（2），即Smoluchowski方程式如下：

　　△E=(ζεε₀/4μπμ)△P　　　　　　(1)
　　式中：△E：流动电位的改变值(mv)；
　　　　　ζ：颗粒表面ζ电位(mv)；
　　　　　ε：电解质溶液的相对介电常数(-)；
　　　　　ε₀：真空的绝对介电常数(F·cm^-1)：
　　　　　μ：电解质溶液的粘性系数(g／(cm·s)；
　　　　　K：电解质溶液的电导率(Ω^-1cm^-1；
　　　　　△P：与流动电位改变相对应的单位长度滤层压力差（g/(m^-3·s^-2))

　　将式(1)变换后有：

　　ζ=(4μπμK/εε₀)(△E/△P)　　　　　　(2)

　　因此，根据流动电位随压力差的变化，通过式(2)可求得滤料颗粒表面的ζ位。
　　必须指出，式(2)建立的关系的成立条件是颗粒空隙中水流的流态必须是层流，以避免颗粒表面双电层内紊流及涡引起流动电位的波动。滤层中水流满足层流的条件一般以雷诺数Re＜1.0作为判断准则，即满足下式：

　　Re=Dυρ/6(1-e)μ＜1　　　　　(3)
　　式中: D：滤料粒径(cm)
　　　　　υ：滤速(cm/s)
　　　　　ρ：水的密度(g/cm³)
　　　　　e：滤层空隙率(-)

　　根据式(3)确定的最大滤速所对应的水头损失

　　△H=△Z·K_k[μ(1-e)2/D²·e³](1/ρg)υ　　　　(4)
　　式中: △Z：滤层厚度(cm)
　　　　　K_K：系数
　　　　　g：重力加速度(cm／s²)

　　式(4)给出了满足层流条件下滤层允许的最大水头损失值，即在流动电位的测定过程中，水头损失不能超过此值。例如，对于d10=0.9mm的石英砂滤料，在进行流动电位测定时，每厘米滤层水头损失不应大于0.61cm。

2.流动电位测定装置

　　流动电位测定装置如图2所示。整个测定装置包括测样槽、两个电极、电位差计和一套测压管装置。
　　测样槽采用有机玻璃管，管壁透明便于观察样品的堆积情况，避免在测样时槽内有气泡、空腔而影响测定的准确性。样品槽长度为20cm，长度过短会因空隙中电解质溶液流速波动引起读数的漂移。样品槽两端的移动部分支撑着电极，并可在小范围调整样品室的体积，以确保两电极间的样品紧密均匀堆积，两电极的检测环境相同。
　　由40目铜丝网镀银后固定在多孔圆盘上构成电极，极片与样品槽轴线垂直。电极固定好后对极片进行阳极化处理，即以铜片作阳极、电极片作阴极，在0.1NHCl溶液中通以5mA电流约1小时，然后将电极片投入10-4MKCl溶液中浸泡12小时，电极即处理完毕。

3.滤料颗粒表面ζ电位的测定

　　在测定流动电位时，必须注意以下几方面：1)测定过程中样品的体积不少于60ml；2)电解质溶液的温度必须精确测定：3)整个测定装置与导体(泵、水管)绝缘，以避免电信号失真或偏移。测样时流经样品槽的电解质液体为10-2MKCl溶液和活性炭脱氯处理的市政自来水，以期得到在给定条件下以及实际生产中清洁滤料颗粒表面的ζ电位。
　　实验选用的三种常用滤料的规格及性能参数如表1。

实验材料的规格及性能参数 表1 类型 d10(cm) K60 当量粒径de(cm) 比表面积（cm2/g) 比重 球形度 产地 石英砂 0.91 1.22 1.10 26.38 2.65 0.78 福建晋江鲁滨石英砂厂 陶粒 0.80 1.15 0.99 21.08 3.19 0.903 河南巩义 无烟煤 0.89 1.51 1.21 38.32 1.50 0.774 河南巩义

　　溶液以不同的滤速流经样品槽时产生不同的水头损失，对应每一个水头损失都可测得一个流动电位值(见图3)，将流动电位值随水头损失的变化率代入式(2)，计算得到滤料颗粒表面的ζ电位。

　　计算结果及有关文献给出的相关数据见表2。
　　由计算结果可知，在脱氯自来水中无烟煤滤料的表面ζ电位最高，陶粒次之，石英砂滤料颗粒的表面ζ电位最低。石英砂滤料的测定结果与其他研究者的结果十分接近。而且在测定实验中发现该装置的重现性较好。

4.结语

　　基于流动电位原理来测定大粒径颗粒表面ζ电位，这为在水处理领域中大粒径颗粒表面性质的研究提供了一种简便、快捷的研究手段。例如，目前使用的快滤池在工作一段时间后必须进行反冲洗，反冲洗后滤池的出水要经过一个成熟期才‘能满足水质要求。滤池的成熟期一般持续1～2小时，与整个过滤周期相比时间较短。但由于滤池成熟期的出水水质较差，对于整个处理过程出水水质影响颇大，因此对于滤池成熟期的研究日益得到重视。从过滤机理来看，滤池成熟期的出水，即初滤水水质与清洁滤料的表面电位有一定的关系。滤料颗粒表面ζ电位的测定将为研究过滤初期的机理和初滤水的工艺控制提供极大的帮助。同时，这项技术也可直接用于生物滤池中填料的表面性质的研究[4]。

参考文献

　　l. 胡纪华，杨兆椿，郑忠编著，胶体与界面化学，华南理工大学出版社，1999。
　　2. H.范·奥尔芬著，许冀泉等译，粘土胶体化学导论，农业出版社，1982。
　　3.Truesdail,S.E.et al，Analysis of bacterial deposition on metal(hydr) oxide-coated sandfilter media.J.Colloid Interface Sci.,230，369-378.1998(2)
　　4.Truesdail, S.E. et al, Apparatus，for streaming potential measurerements on granular filter media.J.Environmental Engineering,1228-1232,1998(10)

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国家自然科学基金资助项目（批准号：59778022）