实验6.7 污泥粒度及其分布分析
一、实验目的
掌握激光粒度分析法的原理和基本知识；熟悉激光粒度仪的结构和用途；熟悉马尔文Mastersizer 3000激光粒度仪的使用方法和仪器特点；熟悉激光粒度分析仪的样品处理方法，送样要求和分析注意事项；通过对污泥粒度大小及其分布的测量，学会对激光粒度仪测试结果的分析。
二、实验原理与仪器结构
1.实验原理
激光粒度分析法是基于光的散射和衍射现象（通称为衍射）实现粒度大小及其分布测试的一种粒度分析方法。当一束单色性很好并且波长固定的激光平行照射到颗粒物时，颗粒表面对激光会产生衍射现象，在不同衍射方向（角度）产生衍射光，衍射光的角度与颗粒的粒径成反比，即大颗粒的衍射光角度小，小颗粒的衍射光角度大。换言之，激光光束在通过不同大小的颗粒时其衍射光会落在不同的位置，位置信息反映颗粒大小。如果激光光束通过同样大小的颗粒时其衍射光会落在相同的位置，即在该位置上的衍射光的强度叠加，所以衍射光强度的信息反映样品中相同大小的颗粒占总颗粒百分比的多少。如果能够同时获得衍射光的位置和强度信息，就可得到颗粒粒度分布的结果。实际上激光衍射法就是采用一系列的光敏检测器来测量未知粒径的颗粒在不同角度上的衍射光的强度，使用衍射模型夫朗和费（Fraunhofer），再通过数学反演米氏模型（Mie），得到样品颗粒的粒度分布。污泥粒度及其分布的测量是水处理领域经常要面对的问题，如污泥脱水，污泥厌氧消化等，粒度及其分布的测量数据对指导污泥的进一步处理和处置非常重要。本实验通过原始污泥和消化污泥粒度及其分布的测量，了解粒度测量在解决环境问题中的广泛应用。
2.仪器结构
马尔文激光粒度仪的理论依据是Fraunhofer衍射理论和完全的米氏光散射理论。其工作原理为：激光发出的单色光变换成为平行光，经过样品池遇到散布其中的颗粒时，发生衍射和散射，从而在后方产生光强的相应分布，其被检测器接收并转化为电信号，再经过复杂的程序处理得出颗粒粒径及其分布。仪器主要由激光光源，傅里叶透镜，样品池，样品分散系统，检测器，计算机及数据处理软件组成（图6-12）。
图6-12 激光衍射仪的结构
实验使用的Mastersizer 3000激光衍射粒度仪的动态测量范围为0.01～3 500μm。根据进样方式不同，可分为干法测试系统和湿法测试系统，前者以空气为分散剂直接以固体颗粒物进样测试；后者以水为分散剂，将待测的颗粒物分散在水（或其他辅助分散剂）中进行测试。
三、实验条件
1.仪器设备
马尔文Mastersizer 3000激光粒度仪，Hydro LV 湿法分散系统，200mL烧杯，玻璃棒，牛角勺。
2.试剂与样品
活性污泥和厌氧消化污泥（上海自来水厂），分别标记为TWAS和MAD。由于采用米氏理论进行结果计算，激光粒度仪对待测样品有一定要求：
（1）必须知道待测样品的光学参数（折射率、吸收率）或主要成分；
（2）必须提供样品的分散条件。
四、实验步骤
（一）湿法测量——自动模式
1.打开位于主机左侧面上的仪器开关，蓝灯闪烁，同时湿法分散器的指示灯闪亮。
2.打开计算机，点击桌面上的Mastersizer 3000操作软件，仪器蓝灯由闪烁变为常亮，说明主机、湿法测量系统和软件的连接正常，预热30min后进行测试。
3.点击软件右下角附件连接按钮“CAN”，在弹出的菜单里选择“CAN1：Hydro LV”（湿法分散系统）。
4.清洁系统：在测试开始前和测试结束后都需要清洁系统，如果管路连接自动进水，可通过“工具”菜单中的“附件”进入到Hydro LV 的操作窗口，“清洁”模式选择“标准”方式，仪器会自动清洁三次。
5.编辑标准化操作规程（Standard Operation program，SOP）文件，建立测试方法：在首页菜单下的“新建”中选择“SOP”，进入SOP 设置窗口的附件类型选择窗口后，选择“Hydro LV”（湿法系统），按确定键进入SOP 编辑器，依次进行设置。
（1）“标识”：输入样品名称。
（2）“颗粒类型”：选择非球型。
（3）“物质”：材料名称可以输入，也可以从浏览数据库中选择（点击右边下拉菜单→浏览数据库→弹出174 个物质→选择和自己样品接近的物质，污泥用主成分进行选择）；输入样品的折射率（如果是从数据库里选择的物质，会自动弹出折射率数据，对于混合物先用默认折射率1.54进行测试）；输入吸收率（如果是从数据库里选择的物质，会自动弹出吸收率，对于混合物，深黑色物质为1，浅色物质0.1）；输入密度（一般大于1，若要得到等效球体的比表面积则需输入准确的密度值）。
（4）“分散剂”：自动测量为水，手动测量可以选用适合待测物的分散剂。
（5）“说明”：对方法进行简单注解。
（6）“测量时间”：背景测量持续时间一般为10s；样品测量持续时间一般为10～12s，分散很不均匀的样品测量时间要长一些，如10～20s。
（7）“顺序”：选择测量次数（默认5 次，一般选择3 次）。
（8）“遮光度”：选择合适的遮光度上下限，对于颗粒为几十微米的大颗粒，遮光度范围为10%～20%；几个微米的小颗粒为6%～10%；几百纳米的颗粒为4%～6%；很不均匀的样品为10%～20%；颗粒很少的样品，遮光度下限一般较小，如0.1%。
（9）“启用筛选”：选择勾上。
（10）“附件”：搅拌速度一般为2 000～3 000r／min；样品槽注入行为选“自动”（没连接自动进水管路时选“手动”）；选择合适的超声模式（一般样品用“无”，颗粒有团聚时要用超声进行辅助分散，功率为50%，时间不宜超过5min）。(https://www.daowen.com)
（11）“清洁类型”：一般为“标准”。
设置完成后点击左上角下拉菜单进行保存（建议用姓名保存为自己的方法）。
6.点击首页菜单“运行SOP”，选择新建或以前保存的SOP，在跳出的窗口中点击“开始”，仪器运行“初始化”“自动对光”后进入“背景测量”。
7.当软件提示加入样品时，将样品加入分散池，直到遮光度达到设置的范围后按“开始”键进行测试。测试过程中仪器会自动显示操作进程。
8.测试完成后，仪器自动进入清洁系统。当清洁完毕，如需继续测试，可以点击“开始”键继续下一个样品测试。
9.测量结束后，需再次清洁样品池以避免长时间不用滋生细菌等污染物。
10.测试结果会自动添加到记录列表中，建议测试完成后再按“保存”键以确保数据保存成功。如需拷贝数据，可先在记录列表中选中所需数据行，在右侧数据分析中选中所需数据，复制到Word中，自带U 盘或硬盘进行存储。
11.结果编辑：当测试完成后，如果发现样品名称输入错误或者样品的光学参数设置错误时，可以通过结果编辑方式进行修正，而无须重新测样。在测试结果的记录列表中选择需要编辑的记录，点右键，选择“编辑结果”，进入设置窗口进行修改，仪器自动完成计算，并以新文件添加进记录列表中，查看新记录即可看到修改后的数据或分布图。
12.关机：先退出软件，再关闭电脑，最后关闭仪器。
（二）湿法测量——手动模式
对于新样品，建议先采用手动模式进行测量，以考查各个参数的准确值，具体方法如下：
1.在“首页”菜单中选择“手动测量”，进入测试窗口。在弹出的手动测量设置窗口里按顺序设置样品信息，如样品名称，光学参数，测量时间，测量次数等；在附件中设置搅拌速度，超声方式等（具体可参照上述SOP编辑内容，也可以点击右上角的箭头逐条设置）。
2.当设置完成后，点击“确定”键，进入测试窗口，确认搅拌处于工作状态（按搅拌速度后的“开始”键），点击“开始”，仪器先初始化，再自动对光。
3.按开始键进入背景测量。
4.背景测试完成后，按仪器提示加入样品，直到遮光度达到范围后点击“开始”键进行测试。在测试过程中仪器会自动显示每步操作进程。
5.测试过程中如果需要加超声分散或者改变搅拌速度，可通过右侧的超声控制和搅拌控制来相应调整。
6.测试过程中如果需要改变样品名称和注解等，也可以通过右侧第二个选项“样品文档”来实时改变。
7.当测试完成后，页面上会显示多次测试的趋势图和数据统计值。如需继续测试，可以再点击“开始”重复测试。
8.测试完成后再次清洁系统，避免污染。清洁可以通过测试序列中的“清洁系统”或者右侧的附件控制部分来清洁。也可以退出测试窗口后通过“附件”控制来清洁。
9.测试结果会自动添加到记录列表中，选择相应的记录在报告中显示或者打印即可。建议测试完成后再点击“保存”，确认数据被保存。
五、实验结果与数据处理
Mastersizer 3000会给出很多粒度参数，包括各种平均粒度和粒度分布，可以根据需要导出测试结果。对活性污泥和厌氧消化污泥的测试而言，我们需要得出表示粒度大小的D［3，2］和D［4，3］等粒度平均值，以及D10、D50和D90，以判断样品的粒度分布情况，根据这些结果，比较活性污泥和厌氧消化污泥的颗粒大小及其分布。
六、问题与讨论
1.什么是粒度测试的重复性和准确度？为什么说重复性是衡量粒度仪性能最重要的指标？
2.影响粒度测试结果重复性和准确度的主要因素有哪些？
3.粒度及其分布测试时为什么要对样品进行分散？常用的分散方法有哪些？
4.在粒度分析测试报告表上，D10、D50、D0.9各代表什么？
5.粒度分布曲线的纵坐标和横坐标的含义分别是什么？
6.为什么激光粒度分析法需要知道样品的折射率、吸收率等光学参数？
七、注意事项
1.污泥的颗粒随着放置时间的延长会发生变化，取样后应立即测量，不能马上测量时可短期（24h内）存放在冰箱（4℃）内。
2.污泥样品测量时搅拌速度不能太快，以免颗粒破碎，导致结果不准确。
3.污泥成分复杂，最好先测出其折射率和光吸收率等光学参数。
4.如果需要在纯水分散介质中测试，选择手动测量模式。
