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分形理论及其在水处理工程中的应用

来 源:中华水网   发布时间:2011-02-24 移动版

凝聚和絮凝是混凝过程的两个重要阶段, 絮凝过程的完善程度直接影响后续处理(沉淀和过滤)的处理效果。但絮凝体结构具有复杂、易碎和不规则的特性,以往对絮凝的研究中由于缺乏适用的研究方法,通常只考虑的投入和出水的混凝效果, 而把混凝体系当作一个“黑箱”, 不做深入研究。即使考虑微观过程, 也只是将所有的胶粒抽象为球形, 用已有的胶体化学理论及化学动力学理论去加以解释[1],得出的结论与实验中实际观察到的胶体和絮凝体的特性有较大的差别。尽管有的研究者在理论推导和形成最终的数学表达式时引入了颗粒系数加以修正, 但理论与实验结果仍难以一致。而分形理论的提出,填补了絮凝体研究方法的空白。作为一种新兴的絮凝研究手段, ,分形理论启发了研究人员对絮凝体结构、混凝机理和动力学模型作进一步的认识。

  1 分形理论的概述

  1.1 分形理论的产生

  1975年[2],美籍法国数学家曼德布罗特(B. B. Mandelbrot)提出了一种可以用于描绘和计算粗糙、破碎或不规则客体性质的新方法,并创造了分形 (fractal) 一词来描述。

    分形是指一类无规则、混乱而复杂, 但其局部与整体有相似性的体系, 自相似性和标度不变性是其重要特征。体系的形成过程具有随机性,体系的维数可以不是整数而是分数 [3]。它的外表特征一般是极易破碎、无规则和复杂的,而其内部特征则是具有自相似性和自仿射性。自相似性是分形理论的核心,指局部的形态和整体的形态相似,即把考察对象的部分沿各个方向以相同比例放大后,其形态与整体相同或相似。自仿射性是指分形的局部与整体虽然不同, 但经过拉伸、压缩等操作后, 两者不仅相似, 而且可以重叠。

  分形理论给部分与整体、无序与有序、有限与无限、简单与复杂、确定性与随机性等概念注入了新的内容,使人们能够以新的观念和手段探索这些复杂现象背后的本质联系。

  1.2 絮凝体的分形特性

  絮凝体的成长是一个随机过程, 具有非线性的特征。若不考虑絮凝体的破碎, 常规的絮凝过程是由初始颗粒通过线形随机运动叠加形成小的集团, 小集团又碰撞聚集成较大集团, 再进一步聚集,一步一步成长为大的絮凝体。 这一过程决定了絮凝体在一定范围内具有自相似性和标度不变性, 这正是分形的两个重要特征[4], 即絮凝体的形成具有分形的特点。

  2 絮凝体的模拟模型

  2.1 絮凝体的分形结构模型

  为了更好地了解絮凝体的形成过程并尽可能地加以预测, 经过大量的研究提出了众多的絮凝体结构模型。

  2.1.1 早期的絮体结构模型

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  图1 Vold模型

  最早的一个模型[5]是由Vold 通过计算机模拟提出的具有3 层结构的模式: (见图1[4])初始颗粒, 絮凝体与絮凝体聚集体。该絮凝体结构由一中心核与一群向外延展的触须(突起) 形成的粗糙表面构成。该絮凝体的形成是由初始颗粒随机运动叠加而成, 不考虑内部重组过程。而絮凝的进一步聚集也即形成第三层次的聚集结构, 从而导致快速沉降与肉眼可见的悬浮颗粒。进一步分析其结构特征表明絮凝体密度随着中心向外逐渐降低, 并由此推导出絮凝体密度随粒径变化的经验公式Stokes 定律。

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  图2  Sutherland模型

  Sutherland对Vold絮凝体模式颗粒聚集过程中的随机特征提出了批评[6]。他认为絮凝体成长的主要机理不在于单独颗粒的碰撞而在于包含有不同数目颗粒的簇团之间的碰撞聚集, 这看起来更符合逻辑。因为事实上初始颗粒的碰撞只是在较小的簇形成期间显得十分重要。与Vold 模型相比, Sutherland 模型(见图2[4])形成更为多孔疏松的结构, 具有较低的密度。随着粒度的增加其密度降低而孔隙度也随着增加。当絮凝体成长过程中结构内部重整也将会发生。在悬浮液搅拌过程中发生同向絮凝时, 絮凝体的聚集条件将会发生变化。流体剪切力将会破坏絮凝体结构从而在一定条件下导致具有特征粒度的絮凝体形成。Sutherland模型仅仅适用于絮凝体粒度不大于数um。

  絮体的复杂结构使得对其进行定量描述十分困难。早期提出的模型从不同角度对絮体结构进行了定量分析与描述, 一定程度上涉及了分形特征,但因没有归纳出其中分型概念而没有得到广泛运用。

  2.1.2 絮体结构模型的发展

  早期模型所考虑的初始颗粒均为单一粒度的均匀球体, 而通常所发生的情形不尽如此。Good-arz-Nia 建立了新的模型[7], 其初始颗粒粒度分布基于一标准正态分布, 为具有不同轴半径比的椭圆形初始颗粒, 而结构由初始颗粒形成的链组成。计算所得絮体颗粒粒径与具有单一粒度分布的情形并没有太大的区别。絮体体积相对而言却变得较小。这是由于小颗粒的存在得以填充粒间间隙并导致更为密实的絮体。

  Vold模型和Sutherland模型中,颗粒和簇团的运动都是按线性路线进行的,并不包括布朗运动,这与实际情况不符Witten & Sander对此作出修正[8],他们设置了多个种子颗粒作为生长点,其它颗粒在随机位置加入并作随机行走直至达到与种子颗粒相邻的位置,相互粘附成为成长中的集团,然后不断加入颗粒至形成足够大的絮体。

  Francois &Van Haute提出了具有四层的絮凝体结构模型[7]: 初始颗粒、絮粒(flocculi)、絮凝体与絮凝体聚集体。与先前模型不同的是, 该模型认为不同次絮凝体结合键属于弹性可变的。在弹性模型中, 流体剪切力可以穿透絮体中所有颗粒。多层絮体结构模式与絮体的分形结构特征相一致,只是絮体分维将随着不同簇团的形成而发生相应的变化。

  2.2 絮凝体分形结构动力学生长模型[9]

  随着对分形生长过程研究的逐步深入, 提出了各种动力学生长模型, 基本上可以归纳为三类, 即:

  1)扩散控制聚集模型(Diffusion-Lim ited A ggregation ),简称为DLA模型;

  2)弹射聚集模型(Ballistic A ggregation),简称为BA模型;

  3)反应控制聚集模型(Reaction-limited A ggregation),简称为RLA模型。

  这三类模型中的每一种又可分为两部分, 单体(Monomer)的聚集和集团(Cluster)的聚集。在DLA模型中, 单体聚集被称为Witten-Sander模型, 集团聚集称为有限扩散集团凝聚模型(Diffusion-Limited Cluster Aggregation),简称为DLCA模型。相应的, 在BA模型中有Vold 模型与Sutherland 模型之分;RLA 模型中有EDEN 模型与Reaction-Limited Cluster Aggregation (RLCA ) 模型之分。www.chndk.com

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