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自由沉淀实验
自由沉淀实验是研究浓度较小时的单颗粒的沉淀规律。一般是通过沉淀柱静沉实验，获取颗粒沉淀曲线。它不仅具有理论指导意义，而且也是给水排水处理工程中沉淀池、沉砂池设计的主要依据。 一、目的
1、观察沉淀过程，加深对自由沉淀特点、基本概念及沉淀规律的理解； 2、掌握颗粒自由沉淀实验的方法，并能绘制沉淀曲线。 二、原理
浓度较稀的、粒状颗粒的沉淀属于自由沉淀，其特点是静沉过程中颗粒互不干扰、等速下沉，其沉速在层流区符合 Stokes 公式。
由于水中颗粒的复杂性，颗粒粒径、颗粒比重很难或无法准确地测定，因而沉淀效果、特性无法通过公式求得，而是要通过静沉实验确定。
由于自由沉淀时颗粒是等速下沉，下沉速度与沉淀高度无关，因而自由沉淀可在一般沉淀柱内进行，但其直径应足够大，一般应使 D≥100mm 以免颗粒沉淀受柱壁干扰。
设在一水深为 H 的沉淀柱内进行沉淀实验，如图 1-1 所示。实验开始，沉淀时间为0，此时沉淀柱内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒的数量与粒经的组成相同，悬浮物浓度为 C0，此时去除率 η＝0。
图 1-1 自由沉淀实验装置图
1、沉淀柱 2、水泵 3、水箱 4 、支架 5 、气体流量计 6 、气体入 7 、排水 8 、取样
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实验开始后，不同沉淀时间 ti，颗粒最小沉速 ui 相应为：
ui?H ti此即为 ti 时间内从水面下沉到池底（此处为取样点）的最小颗粒 di 所具有的沉速。此时取样点处水样悬浮物浓度为 Ci，而：
C0?CiC?1?i?1?Pi??0 C0C0此时的去除率 η0 表示沉速 u≥ui（粒经 d≥di）的颗粒的去除率。
实际上沉淀时间 ti 内，由水中沉至柱底的颗粒是由两部分组成的，即沉速 us≥ui 的那以部分颗粒能全部沉至柱底。除此之外，颗粒沉速 us≤ui 的那一部分颗粒也有部分能沉至柱底。这是因为，这部分颗粒虽然粒径较小，沉速 us≤ui。但是这部分颗粒并不都在水面，而是均匀地分布在整个沉柱的高度内。因此，只要在水面以下，它们下沉至池底所用的时间能少于或等于具有沉速 ui 的颗粒由水面降至池底所用的时间 ti，那么这部分颗粒也能从水中被除去。
设沉速为 us 的颗粒占全部颗粒的 dp，那么除。
在同一沉淀时间 ti 下式成立：
h?dp的颗粒将从水中沉淀到池底而去Hh?us?tiH?ui?ti
hus? Hui所以
uh?dp?s?dp Hui取 u0＝ui，对于沉速 us（us≤ui）的全部悬浮颗粒，可沉淀于池底的总量为：
?故颗粒去除率为：
P00us1?dp?u0u0?P00us?dp
1???1?P0??u0三、设备及用具
?P00usus?dp??1?P0??dp
u01、有机玻璃管沉淀柱一根，直径 D＝140mm，工作有效水深（由溢出口下缘到筒底的距离）为 2000mm；
2、计量水深用卷尺，计时用秒表；
3、悬浮物定量分析所需设备。以 SS 为评价指标时，定量分析设备包括万分之一电
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子天平、抽滤装置、带盖称量瓶、干燥器、烘箱、定量滤纸等；
4、水样由硅藻土配制而成。 四、步骤及记录
1、将实验用水倒入水池内，开启机械搅拌装置搅拌，待池内水质均匀后，从池内取样，测定悬浮物浓度，记为 C0；
2、开启水泵将实验用水经配水管进入沉淀柱内，当水上升到溢流口时停泵； 3、向沉淀柱内通入压缩空气将水样搅拌均匀；
4、记录时间，沉淀实验开始，隔 5、10、20、30、45、60min 由取样口取样（约100mL），记录沉淀柱内液面的高度。
5、观察悬浮物颗粒沉淀特征、现象。
6、测定水样悬浮物浓度（水样 SS 值的测量步骤如下：用干燥的滤纸过滤，过滤后，把滤纸放入已准确称量的带盖称量瓶内，在103～105℃烘箱内烘干后称量滤纸的增重即为水样中悬浮物的重量。）数据记录于表 1-1。 五、成果整理
1、计算不同沉速时，悬浮物的去除率。
数据整理内容
（1）实验基本参数整理 实验日期：
沉淀柱直径d＝ mm 原水中悬浮物浓度C0= mg/L （2）实验记录表
表1-1 颗粒自由沉淀实验记录表
沉淀时间（min） 0 5 10 20 30 45 60 滤纸编号 称量瓶＋滤纸重量(g) 取样体积(ml) 称量瓶＋滤纸＋SS质量(g) 水样SS质量(g) Ci (mg/L) 沉淀柱高度H (cm)
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（3）实验数据整理表
表1-2 颗粒自由沉降原始数据整理表 沉淀时间（min） 沉淀高度（cm） 颗粒沉速u （mm/s） 未被移除颗粒百分比Pi 总去除率η 5 15 25 35 45 60 2、根据计算结果，以 η 为纵坐标，分别以 u 及 t 为横坐标，绘制 η～u，η～t 关系曲线。
六、思考题
1、沉淀柱高分别为 H=1.2m，H＝0.9m，两组实验成果是否一样，为什么？ 2、绘制自由沉淀静沉曲线的意义？
附：废水悬浮固体的测定
一、原理
水质中悬浮物是指水样通过孔径为 0.45μm 的滤膜，截留在滤膜上并于 103～105℃烘干至恒重的固体物质。按重量分析要求，对通过水样前后的滤膜进行称量，算出一定量水样中颗粒物的质量，从而求出悬浮物的含量。 二、仪器和试剂
1、全玻璃微孔滤膜过滤器或玻璃漏斗；
2、CN-CA 滤膜(孔径 0.45μm、直径 60mm)或中速定量滤纸； 3、吸滤瓶、真空泵； 4、电子天平； 5、干燥器；
6、蒸馏水或同等纯度的水； 7、内径为 30～50mm 称量瓶。 三、步骤
1、将滤膜放在称量瓶中，打开瓶盖，在 103～105℃烘干2h，取出后盖好瓶盖置于干燥器内冷却至室温，称重，反复烘干、冷却、称量，直至恒重（两次称量的质量差≤0.2mg）。
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2、去其漂浮物后振荡水样，量取均匀适量水样（使悬浮物大于 2.5mg），通过上面称至恒重的滤膜过滤，用蒸馏水洗残渣 3～5 次。如样品中含有油脂，用 10mL 石油醚分两次淋洗残渣。
3、小心取下滤膜，放入原称量瓶内，在 103～105℃烘箱中，打开瓶盖烘 2h，取出后盖好瓶盖置于干燥器内冷却至室温，称重，反复烘干、冷却、称量，直至恒重。 四、计算
悬浮固体SS(mg/L)=
式中: A—悬浮物+滤膜+称量瓶重量，g；
B—滤膜+称量瓶重量，g； V—试样体积，mL。 五、注意事项
1、采集的水样应尽快分析测定。如需放置，应贮存在 4℃冷藏箱中，但最长不得超过七天。
2、滤膜上截留过多的悬浮物可能夹带过多的水分，除延长干燥时间外，还可能造成过滤困难，遇此情况，可酌情少取试样。滤膜上悬浮物过少，则会增大称量误差，影响测定精度，必要时，可增大试样体积。
?A?B??1000?1000V
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