自由沉降實驗原理與操作指南

　　自由沉降實驗是一種用于研究物體在液體中的沉降速度及其規律的重要實驗方法。其基本原理基于物理學中的牛頓第二定律和流體動力學理論。在實驗過程中，我們關注單個顆粒或顆粒群在無限寬廣或相對寬廣的介質（如水）中的沉降行為。

　　自由沉降的定義：自由沉降是指單個礦粒在廣闊的介質空間中的獨自沉降，過程中礦粒只受到本身重力、介質浮力和阻力的作用，而不受其他礦粒或器壁的顯著影響。在實際操作中，當礦漿濃度很稀時（體積濃度一般小于3%），礦粒之間的干涉作用可以忽略不計，此時可近似認為是自由沉降。

　　沉降過程分析：自由沉降過程可分為加速階段和恒速階段。在加速階段，顆粒受到重力、浮力和阻力的作用，合力不為零，顆粒速度逐漸增加。隨著顆粒速度的增加，阻力也隨之增大。當阻力增大到與重力與浮力之差相等時，顆粒受到的合力為零，此時顆粒進入恒速階段，以恒定速度等速下沉。這一恒速階段的速度稱為沉降速度，也稱自由沉降速度。

　　沉降速度計算：對于球形顆粒，在層流區（雷諾數Rep<1）內，其沉降速度符合Stokes公式。然而，實際水中的懸浮固體并非單一均勻的球形顆粒，而是大小、形狀和密度都各不相同的顆粒群，因此沉淀效果和特性通常需要通過靜沉實驗來判定，并根據實驗數據繪制沉降曲線。沉降曲線是在直角坐標上表示沉降效率與沉降時間或沉降速度之間關系的曲線。

　　二、實驗操作指南

　　實驗裝置與材料：

　　主要裝置：沉淀柱、水泵、水箱、支架、氣體流量計、取樣口等。沉淀柱應具有足夠的直徑（一般D≥100mm）以避免顆粒沉淀受柱壁干擾。

　　輔助設備：分析天平、具塞稱量瓶、烘箱、濾紙、漏斗、量筒、燒杯等，用于測定懸浮物的固體量。

　　水樣準備：實驗水樣可以是實際工業廢水或利用高嶺土等配制的水樣。

　　實驗步驟：

　　準備階段：檢查實驗裝置是否完好，確保所有閥門、管道和接頭處于正確位置并無泄漏。將水樣注入沉淀柱，并打開進氣閥門進行曝氣攪拌均勻。

　　取樣與記錄：關閉進氣閥后，取水樣測定初始懸浮物濃度（C0），并記錄取樣口高度。開啟秒表記錄沉淀時間。在預定的時間點（如1min、3min、5min、10min等）分別取樣測定懸浮物濃度（Ct）。

　　懸浮物測定：將取樣的水樣通過烘箱烘干至恒重，稱取懸浮物質量，并計算懸浮物濃度。

　　數據整理與分析：根據實驗數據計算顆粒的沉速和沉淀效率，繪制沉降曲線。分析不同因素對沉降效果的影響。

　　安全操作規程：

　　在實驗前檢查設備完好性，確保所有閥門、管道和接頭無泄漏或損壞。

　　實驗過程中穿戴適當的個人防護裝備，如實驗室服、護目鏡、手套等。

　　所有實驗操作應在通風柜內進行，避免有害氣體和蒸汽積聚。

　　實驗結束后及時清理工作區域，關閉電源和水源。

　　實驗注意事項：

　　取樣時應先排出取樣口中的積水以減少誤差。

　　在取樣前和取樣后皆需測量沉淀管中液面至取樣口的高度，計算時取二者的平均值。

　　實驗過程中應避免直接接觸化學試劑或其他危險物質，如不慎接觸應立即用清水沖洗并尋求幫助。

　　通過自由沉降實驗，我們可以深入了解顆粒在液體中的沉降規律，為水處理、選礦等領域提供重要的實驗數據和理論依據。