一种在线测定水中颗粒物分形维数的方法与流程

所属技术领域

本发明涉及水中颗粒物检测技术领域，具体的说是一种在线测定水中颗粒物分形维数的方法。

背景技术：

分形维数是表示颗粒物不规则程度的一种量度，其大小能反映颗粒物占据相应空间的程度，表示颗粒物的密实性。故其在表征颗粒物性质，控制颗粒物相关的工业过程中发挥着重要作用。

目前，测定水中颗粒物分形维数的方法主要有显微图像法、流变法、自由沉降法及光散射法。然而这些方法尚存在缺陷，难以满足工业过程中实时分析控制的需求。其中显微图像法主要通过光学显微镜或电子显微镜提取单个颗粒的面积、周长及半径，从而计算出颗粒的分形维数。但是该方法反映的是单个颗粒物的分形特征，测试时需要颗粒群中的大量样本才能保证结果的准确性。流变法需要制备不同浓度的悬浮液样品，测试前的准备工作耗时较长。自由沉降法则需要在特定条件(自由沉降)下对颗粒的沉降速率进行测定。因此这些方法都难以在线快速反映颗粒物的分形特征。光散射法是目前应用最多的测试方法，在测试过程中通过变换不同的散射波矢，得到不同的散射强度。根据散射强度与波矢之间的无标度模型可计算出颗粒物的分形维数。该方法具有分析速度快，可在线的特点。然而，光散射法所适用的水中颗粒物浓度窗口较窄，不适用于浓稠的体系，且容易受颗粒物折射率及分散相颜色等因素干扰，在实际应用过程中光室的耐污性较差。这些问题的存在限制了该方法在工业过程中的应用范围。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种在线测定水中颗粒物分形维数的方法，其目的是绕过现有方法的不足，利用连接有探头的电学设备在线测量水中颗粒物频率扫描时的电学特征，根据建立的模型，获取颗粒物的结构信息，提取颗粒物的分形维数。

本发明可通过如下技术途径实现：

包括，用连接有电导电极的商业电化学阻抗仪对颗粒物悬浊液进行测试，在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测颗粒悬浮液进行频率扫描测定复阻抗模量，并对得到的复阻抗模量进行校正处理，根据建立的校正后复阻抗模量与扫描频率间的无标度模型在确定的分形区间内提取出颗粒物的分形维数。

进一步地，所述颗粒物悬浊液样品的浓度范围为1mg/l-100g/l，测定时温度保持恒定，电化学阻抗仪施加的正弦电压范围为1-1000mv，扫描频率范围为0.1hz-10mhz。

进一步地，所述校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量。

进一步地，所述建立的校正后复阻抗模量与扫描频率间的无标度模型为：

式中，|zc|为校正后的复阻抗模量，f为扫描频率，df为水中颗粒物的分形维数。

所述提取颗粒物分形维数的方法为：以|zc|的对数值为y轴，以扫描频率f的对数值为x轴作图，在确定的分形区间内用线性回归分析对图进行拟合，将所得斜率带入|zc|与f间的无标度模型，即可求得颗粒物的分形维数。

其中，所述分形区间为校正后的复阻抗模量的对数值随频率的对数值增加而线性下降的频率区间。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种在线测量水中颗粒物分形维数的新方法，与目前现有方法相比，本发明适用的颗粒物浓度范围较宽，不受待测颗粒物及分散相的折射率和颜色的影响，且由于没有光路系统，抗杂质污染的能力较强，设备维护相对简单，更能满足工业生产运行时水中颗粒物实时分析控制的需求。

附图说明

附图1是本发明所述的水中颗粒物悬浊液分形维数测定示意图。

图中：1—恒温器、2—电导电极、3—颗粒物悬浊液、4—商业电化学阻抗仪、5—电化学阻抗仪与电极间的连接导线。

附图2是本发明所述的分形区间的确定示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，但所涉及附图及实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

校正后的复阻抗模量的获取：首先将具有频率扫描功能的商业电化学阻抗分析仪连接上电导率电极作为在线测试的工具。所述阻抗仪优选为日置im3570，其性能参数介绍如表1所示。所述电导电极优选为tetracon325电极，其主要性能参数介绍如表2所示。

表1阻抗分析仪的主要性能参数表

表2电导电极主要性能参数

如图1所示，将电导电极作为探头插入待测颗粒物悬浊液中进行频率扫描，探头插入深度应保证样品没过电极的接触圆片。悬浊液浓度范围为1mg/l-100g/l。扫描时阻抗仪施加1-1000mv正弦电压，扫描频率为0.1hz-10mhz，并记录不同频率下的复阻抗模量，采集点数为201。为减小悬浮液电导率的差异带来的影响，所得各扫描频率下的复阻抗模量需扣除最高频率下的复阻抗模量进行校正。

分形区间的确定：对校正后的复阻抗模量及频率分别做对数转换并作图，如图2所示，当校正后的复阻抗模量的对数值随频率的对数值增加而线性下降时所对应的频率区间即为确定的分形区间。

无标度模型的建立：假设水中的每个颗粒都由若干个初级粒子构成。在交流电场的一定频率范围内，当频率变化时，电子移动区域内所涉及的初级粒子个数也发生变化。若将交流电场的扫描频率定义为标尺，则依据分形理论，在一定尺度下，不论标尺变大或变小，电子移动区域内的初级粒子个数都具有自相似性。因此可得

式中，|zc|为校正后的复阻抗模量，f为扫描频率，df为颗粒的分形维数。

解方程提取分形维数：

对上述模型两边取对数可得

其中，c为常数。

在确定的分形区间内，以lg|zc|为y轴，以lgf为x轴作图，并用线性回归分析进行拟合得出斜率k。

依据上述建立的模型，有

解上述方程可得颗粒物的分形维数df。

由于分形区间的确定、解方程提取分形维数等步骤均可通过编程实现，故在具体实施时仅需将测试探头插入待测悬浊液获取频率扫描时的复阻抗模量并进行校正，即可通过设计好的程序步骤在线反馈出水中颗粒物的分形维数。

下面采用以下实施例对本发明进行进一步的说明：

实施例一：

从北京某再生水厂(记为再生水厂1)日处理水量为10万吨的膜生物反应器中取活性污泥(记为污泥1)作为待测颗粒物。污泥浓度为17.9g/l。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。得到的分形区间内的lg|zc|与lgf如表3所示。得到的污泥1的分形维数为2.534。

实施例二：

从北京某再生水厂(记为再生水厂2)日处理水量为20万吨的厌氧/缺氧/好氧生物反应工艺中取剩余活性污泥(记为污泥2)作为待测颗粒物。污泥浓度为18.1g/l。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。得到的分形区间内的lg|zc|与lgf如表3所示。得到的污泥2的分形维数为2.362。

实施例三：

从北京某再生水厂(记为再生水厂3)日处理水量为100万吨的厌氧/好氧生物反应工艺中取剩余活性污泥(记为污泥3)作为待测颗粒物。污泥浓度为18g/l。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。得到的分形区间内的lg|zc|与lgf如表3所示。得到的污泥3的分形维数为2.552。

实施例四：

从北京某再生水厂(记为再生水厂4)日处理水量为20万吨的氧化沟生物反应工艺中取剩余活性污泥(记为污泥4)作为待测颗粒物。污泥浓度为18.5g/l。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。得到的分形区间内的lg|zc|与lgf如表3所示。得到的污泥4的分形维数为2.5。

实施例五：

制备经聚丙烯酰胺交联的氢氧化铁凝胶(fhg-pam)颗粒悬浮液作为待测颗粒物。颗粒浓度为3.25g/l。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。得到的分形区间内的lg|zc|与lgf如表3所示。得到的fhg-pam的分形维数为2.564。

实施例六：

制备阳离子水凝胶(ch)颗粒悬浮液作为待测颗粒物。颗粒浓度为0.2g/l。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。得到的分形区间内的lg|zc|与lgf如表3所示。得到的ch的分形维数为2.132。

表3实施例中测试得到的分形区间内的lg|zc|与lgf