有机质对粘性泥沙絮团形貌及粒间作用力影响研究

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河口海岸悬浮的细颗粒泥沙在水流的运动过程中会发生絮凝沉降,对航道淤积、污染物输运、泥沙运移等有着重要的作用。然而,悬浮颗粒中有大量的有机颗粒,有机质对粘性泥沙的絮团特性及其沉降产生重要的影响,因此研究有机质对粘性泥沙絮凝的影响十分必要。
  本文通过研究有机质对粘性泥沙絮团形貌及颗粒间作用力的影响,揭示附着有机质粘性泥沙颗粒的碰撞、粘结、絮团形成及破裂机制。通过培养表面包裹有腐殖酸有机膜的聚苯乙烯微球,测量颗粒形貌及有机微球之间的相互作用力,同时根据拟合得到的粒间作用力公式,建立考虑有机质影响的粘性泥沙絮凝沉降的格子玻尔兹曼模型,研究有机质对粘性泥沙絮凝的影响规律。主要结论包括:
  (1)通过121天有机微团的培养试验,腐殖酸钠会形成一种胶质状半透明的有机膜包裹着聚苯乙烯微球颗粒,并且微球的平均粒径会随有机质含量的增加而先增大后减小。
  (2)通过附着有机质的聚苯乙烯颗粒间相互作用力测量试验发现,腐殖酸形成的有机膜会使颗粒互相靠近时的总排斥力减小,从而有利于颗粒的絮凝。在对测得的进程力与胶体化学XDLVO理论值比较的基础上,对XDLVO理论计算公式进行修正,拟合得到了考虑有机膜影响的颗粒间相互作用力公式。
  (3)分析测力试验测得的回程力曲线发现,有机膜的存在会增大两个粘结颗粒分离时需要的剪切应力,从而增加絮团的稳定性。根据实测值对絮团强度公式进行了修正,拟合得到了考虑有机质影响的絮团强度公式。
  (4)建立了考虑有机质影响的三维粘性泥沙絮凝沉降格子玻尔兹曼模型,数值模拟计算结果表明有机质会促进絮凝,使得絮团粒径增加,随着有机质含量(10~60mg/L范围内)的增加,絮团粒径增大。
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