粘性泥沙悬浮液中颗粒表面滑动层厚度的计算简析.doc

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粘性泥沙悬浮液中颗粒表面滑动层厚度的计算 杨铁笙,熊祥忠,詹秀玲,杨美卿 (清华大学 水利水电工程系) 摘要:根据胶体稳定性理论,分析粘性泥沙颗粒粘结的物理机制后指出:应该用扩散双电层中ζ电位相应的滑动面到颗粒表面间的水体(滑动层)表示束缚水层。提出用ζ电位测量和理论计算相结合确定滑动层厚度的方法。针对粘性泥沙表面电势在一般情况下为负值,滑动面与颗粒表面距离很小,ζ电位绝对值相对较大的特点,推导改进了扩散双电层电势分布公式,配合滑动层厚度的计算。以黄河花园口河滩泥沙为样品,在电解质(NaNO3)不同浓度条件下测量粘性泥沙颗粒的ζ电位,计算相应的滑动层厚度,检验本文建议的合理性和改进公式的实用性。 关键词:粘性泥沙;双电层;ζ电位;滑动层;束缚水层 基金项目:国家自然科学基金资助课题 作者简介:杨铁笙(1945-),男, 北京人,副教授,主要从事河流动力学的教学与研究工作。 1 颗粒表面滑动层   按照通常的分类,粒径小于0.005mm的泥沙为粘性泥沙[1,2],浑水中粘性泥沙颗粒的运动不仅受重力作用,而且还受到微观作用的制约,如颗粒间的斥力和范德华引力等等。粘性泥沙浓度越大,颗粒表面距离的统计平均值越小,微观作用相对比重就越大。以粒径为0.006mm的泥沙为例,单颗泥沙的质量m0=3.0×10-13g,常温条件下沉速w0=2.4×10-6m/s,稳定沉降时的动能Eω0=1/2m0ω20=7.526×10-23J,颗粒受到水分子热运动碰撞,热动能KBT=4.117×10-21J,按DLVO理论计算颗粒间的吸引能最大值可以达到EAmax=10-18~10-20J.颗粒间的微观作用能比沉降动能高出2~5个数量级。粘性泥沙颗粒絮凝的发育,取决于泥沙粒径、浓度、水温以及电解质(盐)的性质、浓度[3,4,5,19]。浑水中电解质的种类、阳离子的化合价、电解质的浓度等因素影响颗粒间微观交互作用的强弱,从而对泥沙颗粒的聚集或絮凝,对悬浮体系的稳定性起决定作用。此外,颗粒Brown运动,也是颗粒相互接近的重要因素[20,21]。絮团在不同尺度上可以互相链接,形成结构庞大复杂的絮网。絮团和絮网还可能进一步沉降、压缩,形成淤积物或高浓度悬浮体系。粘性泥沙高浓度悬浮体系具有特殊的流变特性:如在粘性泥石流中托浮砾石,远距离输送高含沙洪水而不发生颗粒分选, 水煤浆在管道中输送而无沉积等。黄河北干流及泾渭流域,经常发生的所谓“揭河底”“浆河”现象,也与它有密切关系。由这种悬浮体系沉积形成的河床淤积物,以成团方式起动。了解颗粒的链接模式或粘结力,是揭示絮团和絮网结构、解释高浓度悬浮体系流变特性,认识粘性泥沙成团起动机理的关键。目前,得到较多认同的是,移植胶体颗粒扩散双电层模型和胶体稳定性的DLVO理论来解释粘性泥沙颗粒的粘结与絮凝[3~9]。   在表面带负电的泥沙颗粒周围, 阳离子的浓度由高到低;阴离子的浓度由低到高;自颗粒表面到阴阳离子浓度相等处(与表面的距离x无穷远处),存在一个离子浓度梯度造成的电势场。颗粒表面附近的离子吸附层和离子浓度扩散层构成双电层,如图1的右半边所示。水分子是极性分子,故除电解质离子外,双电层内还吸附有一定量的水分子,习惯上把吸附层和扩散层中的水分子分别称为粘结水层和粘滞水层,并将双电层内的水称为束缚水层,有的称结合水[7],分子水[10]。双电层以外是中性水,束缚水层以外是自由水,如图1左半边所示。通常认为,束缚水层的水分子部分地失去自由活动能力,密度大,束缚水传递压强具有各向异性的特点。 图1 粘性泥沙颗粒扩散双电层模型和束缚水层[5]   上述束缚水层概念存在一些含混不清的问题。如果束缚水层相当于扩散层,它的厚度就不会仅仅是亚微米到微米量级,而是和扩散层一样,从距离颗粒表面仅几十个纳米处一直延伸到电势为零的中性水处。按照双电层理论[12],颗粒表面电势ψ0,扩散层电势ψ与扩散层中某点到颗粒表面距离x三者之间的关系在一定条件下可以表示为ψ=ψ0exp(-κx).从理论上讲,电势为零的中性水处,相当于x无穷大,相应束缚水层厚度也应无穷大,这显然是不可能的。作者认为,如果着眼点是那层被颗粒吸引在表面、并和颗粒一起运动的水体,用ζ电位对应的滑动面(Slipping Plane)到颗粒表面间的水体,即用滑动层定义束缚水膜,是更为合理的,并且可以根据给定的条件,准确计算厚度。 图2 ζ电位与滑动层厚度δ示意 d2ψ/d2x=2n0Ze/εsinh(Zeψ/KBT) (1) 式中:x为双电层中一点到颗粒表面的距离,n0为液体中电解质的浓度,Z为液体中电解质阳离子的化合价,e为电子荷电荷量,ε为液体的介电常数,KB为Boltzmann常数,T为绝对温度。 在远离颗粒表面处,电解质正反离子浓

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