水处理中“SCD”和“单因子”是什么意思?
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发布时间：2022-05-30 21:04
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时间：2023-10-07 20:04
1 SCD的测量原理
30年前,抄纸人员迫于环境的压力加强了水的回用,就在那时,溶解电荷引起人们很大的兴趣。回用水导致工厂水系统中溶解的和悬浮的胶体固形物量上升。这些物质当中许多带有阴电荷,它们与阳性添加剂反应,不但降低了这些添加剂的效能,而且降低了许多其它化学添加剂的效能。这些循环的阴性物质我们称之为“阴离子垃圾”或“干扰物质”。
显然,我们需要一种方法来检测这些干扰物质的量,需要预测它们对阳性添加剂的影响。尽管已经发展了不同的检测方法,但是应用最多的方法还是基于胶体滴定的原理。SCD也不例外。胶体滴定方法用标准聚合物来滴定样品———标准聚合物与样品中带有相反电荷的基团反应,形成电荷一对一的复合体。滴定到等电点所消耗滴定剂的电荷量与样品中带有相反电荷的溶解电荷量相等。滴定结果用每单位样品重量的电荷量或每单位样品体积的电荷量来表示。确定终点最常用的方法是将AC流动电流检测仪的读数为零的点作为胶体滴定测量的终点。当用聚合电解质改变系统电荷时,悬浮液的等电点与活塞、桶体表面的电荷发生反转的点相关。流动电流检测被广泛地用于阳离子需求检测的终点指示。
2 SCD的构造
SCD即流动电流检测仪,有的叫做PCD(粒子电荷检测仪)。它发明于20世纪60年代,最初用于水处理工业,到了最近才作为终点检测仪广泛地用于纸厂的电荷滴定。这种仪器紧凑而易于使用。典型的SCD结构如上图所示:样品放在桶形容器(测量室)中———此容器通常由聚四氟乙烯(PTFE)制成,它的下部内径小,上部内径较大。一个PTFE活塞与桶较窄的部分相配合,可以垂直上下往复运动,从而对测量室中的液体反复地进行挤压和回吸。由此在活塞和容器的壁面之间产生很高的流动速率。此高速流将吸附在壁面和活塞上吸附的荷电物质与它的反离子分离(如图右下角所示),从而产生流动电流。容器上的两个金电极获得电流,将它转化为相应的电位,并将它显示在仪器的显示屏上。仪器的正面可以显示滴定过程中所测液体的带电情况:如果在滴定过程中,所测液体中存在过多的阳离子,则显示阳性(cationic);如果在滴定过程中,所测液体中存在过多的阴离子,则显示阴性(an
ionic)。
3 解析SCD测量结果的前提假设
解析SCD的滴定结果时涉及到了几个假设。首先,我们假定吸附在仪器的壁面上并产生流动电势的是那些影响重大的成分。尽管所有的物质都必须是电中性的,但胶体系统中电荷在大的成分和小的成分之间分布不均匀。系统中影响重大的是带电的大成分例如,典型的补白颜料的分散液是阴性的,这是因为颜料颗粒的表面带有阴电荷,而正电荷则分布在单个的反离子上———其上的电荷要比阴电荷小几个数量级与此相似,聚二烯丙基二甲基氯化铵(poly-DAD
MAC)是阳性的,这是因为所有的阳电荷都吸附在相对稳定的大的聚合物分子上。与此形成对比,氯化钠溶液显示中性,这是因为其中阳性和阴性的成分,即Na+和Cl-都很小,其尺寸大小和迁移性能大致相同一般来讲,如果一种溶液或悬浮液具有以下特征,我们就可以将其描述为阳性或阴性液体:该液体中包含有带电的多价溶胶或大分子成分,并且它们的电荷为相对较小的、迁移性能更高的简单离子所平衡。事实上还有一些例外。例如,硫酸铝溶液一般显示阳性。尽管在一定的pH值下它们的确会结合成多核铝化物但并非因为铝离子必定比硫酸根反离子大才使溶液显阳性。它之所以带电是因为当它与带有阴性电荷的胶体粒子相混合时,将强烈地吸附这些溶胶,从而导致它们的凝聚。因此,一种悬浮液或溶液究竟是阳性的还是阴性的,需要根据其中所含的分子、离子或粒子的特性,以及这些成分对其它溶胶系统的影响来确定。
因此,当使用SCD来确定一种样品的电荷时,我们必须假定吸附在仪器的壁面上并产生流动电势的是那些影响重大的成分。这样,影响待测物质是否吸附于仪器的壁面上的因素就成为这种检测方法是否有效的关键因素。由于PTFE的表面显中性、表面能低且易于清洁,对于吸附的物质没有选择性,因此一般情况下选择它来制作滴定容器。这样测定过程中所产生的吸附就取决于溶液中成分的相互作用,与容器表面无关。任何一种成分的电荷并不能决定它是否能吸附在天然中性表面(如PTFE)。不论是阳性物质还是阴性物质,都有可能吸附在容器的表面。
解析滴定结果的另一个重要假设就是阳性和阴性大分子或胶体不会共存。一般情况下,当这些物质相互接触时,它们就会结合,导致其束缚的反离子被释放,从而降低了系统的熵。例如,带电的聚合物会相互结合,发生电荷化学计量反应,直到不会再有反离子释放。对于特定的物质或刚性较强的聚合物,由于物质所带的电荷无法充分地接近,化学计量反应就不可能发生。其它的非离子反应也会导致反应偏离化学计量。但事实上,Zeta电势法已经表明阳性组分和阴性组分可以共存。如果发生这样的情况,SCD所给出的信号将由吸附性更强的物质决定。聚合电解质滴定获得的结果同样取决于所使用的聚合物滴定剂的属性,以及它能否与系统所有的表面带电基团和胶体带电基团相互接触。正因为如此,通常采用高电荷、低分子量的柔性聚合物作为滴定剂。它们可以与相关的电荷最大限度地接触。
总的来说,假定悬浮液中的物质所带的电荷能够完全接触,并且样品中只有一种极化的带电胶体存在。这样我们所检测的溪流电位就可以代表样品中全部胶体的电荷。只有当所有的电荷被聚合物滴定剂所中和,溪流电位的极性才会发生反转。
