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关于壁面滑移机理从20世纪至今是流变学研究的热点之一,但目前对复杂流体壁面滑移的研究,国外大多是针对纯聚合物,国内大多是针对水煤浆,还鲜有关于污泥壁面滑移的报道。长久以来,污泥的处置一直是制约污水处理厂正常发展的主要问题之一。我国在实验室已经开展了将污泥作为试验对象的研究,从输送角度将污泥看成是高浓度黏稠物料的一种。高浓度黏稠物料的管内流动结构和阻力特性是由流体流变特性和壁面滑移特性共同支配的。壁面滑移对流体的不稳定性和流量影响较大,在一定条件下,可以使流体在管壁上的速度不为零,从而达到减小流体输送阻力、提高输送效率的目的。
壁面滑移是一个复杂的现象,影响因素很多,以平行板旋转流变仪(AR2000)为主要工具,并借助高速摄像机,在稳态与动态剪切模式下对脱水污泥是否存在滑移现象以及影响壁面滑移的可能因素展开试验研究。本文主要取得的成果如下。
(1)稳态剪切流试验中,采用直线标记法观察滑移现象,考察了应力/应变数据对平行板间距的依赖性,同时研究峰值扫描时间/应力曲线的趋势。结果表明,随着应变增大,含水率80%的污泥,剪切应力在某一处发生分叉,即剪切应力依赖于间距,说明发生了滑移现象,同时将其用来研究临界剪切应力以及计算滑移速度的大小,拟合出剪切应力和滑移速度的公式。而含水率87%的污泥在试验范围内应力/应变曲线重合较好,即没有滑移发生。同时对含水率80%的污泥在不同剪切速率下进行了Ss和60s的扫描,5s与60s情况下剪切速率分别于大于10s-1和0.5s-1时时间/应力曲线出现峰值情况,即均有滑移现象发生。从而可以得到浓度、剪切速率和时间均对滑移有一定影响。
(2)动态剪切流试验中,分析了应力总波形,应变γ0=6.28,应力幅值随时间逐渐下降,然后保持平衡。γ0=0.1,应力幅值始终保持恒定。随后对含水率80%的污泥进行不同角频率、温度三种间距下应变扫描,不同角频率下剪切应力在线性区以及非线性区的前一阶段重合得较好,在非线性区某处分叉,而分叉点处的剪切应力和应变不是恒定的,与角频率有关,这表明壁面滑移不仅与剪切应力有关,还可能与应变、角频率等有关。因此使用临界剪切应力不能解释壁面滑移的发生。一定温度范围内(27~35℃),发生间距依赖性,但是分叉点大概相同,即温度对污泥滑移影响甚微。
(3)对污泥在不同材质(铝、不锈钢和黄铜)夹具上做了稳态剪切试验,分别用滑移速度和滑移长度表征壁面滑移程度,发现夹具的表面能对于污泥壁面滑移有重要影响。不同材质下,滑移速度不同,即滑移速度在不同材质的夹具下:不锈钢>铜>铝。这符合目前流行三种滑移机理中的第二种,即高分子链与壁面的附着一脱离模型,它适用于表面吸附能较弱的情形。结果标明:表面吸附越大,壁面滑移越弱。