絮团形态与絮凝体系的流变性

The flocs formed in flocculation have fractal structure that can be described effectively by fractal dimension. For the suspension system consisting of flocs and fluid medium, the measurable rheological parameter of the system should reflect the fractal characteristics of flocs. On the basis of previous research item supported by NSFC, the present subject will relate the fractal dimension of flocs with the rheological parameter of the system. Two main contents in the subject will be investigated. Firstly, a mathematical model relating the rheological parameter of the flocculated system with floc fractal dimensions will be derived by analyzing the forming and breaking mechanics of various flocs including single particles, linear flocs, planner flocs and volumetric flocs. Meanwhile, the model will present a new method to measure the fractal dimension of flocs. Secondly, the fractal dimension of various flocs will be investigated respectively and the relative composition of these flocs will be determined，which is the first time so far in the history of flocculation research and will provide beneficial reference for controlling flocculation processes.

絮凝过程中形成的絮团具有分形结构，分维数是描述这种结构的有力工具。絮团与流体介质构成的悬浮体系的一个可度量的宏观性质是体系的流变性，絮团的分形特征必将在流变参数中得以体现。本项目在已完成基金项目的基础上，将絮团的分形参数与体系的流变参数有机联系在一起。项目的主要工作包括两方面的内容。其一，通过对颗粒聚集与碎裂机制以及絮团自相似性质的理论分析，确定单体颗粒及各类絮团（包括线状絮团、平面状絮团、体状絮团）对固液悬浮体系表观粘度的贡献与絮团空间形态特征参数（分维数）之间的数学模型，从而建立絮团分形参数测定的全新方法。其二，在絮凝研究的历史上，首次对不同形态的絮团进行分形参数测定，并对絮团组成进行定性与定量分析，以期对絮凝过程的控制提供依据。

本研究将絮凝过程中的固体颗粒按其空间形态分成单体颗粒、线状絮团、面状絮团与体状絮团等四种类型，它们的拓扑维数分别为0、1、2、3。 研究通过对各类絮团（包括单体颗粒）的形成与碎裂机制的分析以及它们对流体绕流阻力的分析，殊途同归地建立了固液体系的总粘度与固相体积比浓度、液相介质粘度、各类絮团的粘性分维数之间的数学模型。在模型中引入了絮团特征粘度的概念，.其物理意义是当固相体积比浓度趋于1时相应絮团对体系粘度的贡献。.该模型既适用于单分散体系，也适用于多分散体系，当体系浓度很低时，模型回归于爱因斯坦的粘度公式。此外，由于依据该模型测量各类絮团的分维数时，在给定的固体浓度下只需测量表观粘度一个参数，因而减小了测量误差。该模型的创新之处在于：一是提出了粘性分维数及特征粘度的新概念，并给出了从宏观的粘度测量分析絮团微观参数的途径，二是可区分不同类型的絮团切测量其分维数。.研究中提出了单体颗粒、线状、面状及体状絮团的粘性相对组成模型。即以各类絮团在固相对粘度的总贡献中的相对贡献表示该类絮团在所有絮团（包括单体颗粒）中的相对组成。鉴于各类絮团数量在直接测定上的困难，这种粘性相对组成是一种可供选择的分析絮团组成的间接方法。.依托所提出的数学模型，实验分析了不同絮团的分维数及特征粘度随絮凝时间以及流体剪切速率的演变情况以及相应的絮团粘性组成，验证了所得模型的有效性，得出了若干有意义的结果，并进行了分析与讨论，对新的实验现象提出了新的解释。