1.1 研究背景与意义
近年来，水运行业作为我国交通运输业的一重要组成部分，得到了蓬勃发展。主要表现在往来于更大港口运输的货物总量不断增多，在总的运输体系中所占比例不断加大，全国港口发展迅速，技术水平逐步提高等等。然而，目前我国水运行业还存在一些问题，制约着其进一步的发展，其中之一便是航道通航问题。航道通航问题出现的主要原因是港池和航道中存在的细颗粒粘性泥沙的运移、沉积等运动过程的改变，引发了航道淤积，长江口、珠江口等港区都存在航道淤积问题。 粘性泥沙是粘土和一定比例的粉砂在一起形成的混合物，在河口海岸区域分布广泛。在河口海岸水流、波浪等动力因素作用下，粘性泥沙的运动非常复杂，由一系列过程组成，如冲刷、淤积、沉降、固结，再悬扬、悬浮泥沙随水体的输送、浮泥流等[1]。粘性泥沙之所以有如此复杂的运动过程，主要是由于其在河口海岸环境中发生絮凝而造成的[2]。粘性泥沙絮凝除了引发河道、港区淤积，还造成了河流等区域污染，带来环境问题，因此除水利学科以外，粘性泥沙絮凝研究也是生物、环境等学科共同关注的问题。 粘性细颗粒泥沙絮凝的影响因素有很多，其中有机物对絮凝的影响是一个不可忽视的部分，然而目前国内外在有机物对泥沙絮凝的影响方面仍缺乏充分的研究[3]。由于当今工业化的发展，工业用水和生活污水不断排入河流、湖泊等水体中，为水体带来了大量污染物质，而泥沙颗粒作为污染物质的重要载体，吸附污染物的同时，也为水体中微生物在其表面代谢，形成有机裹层创造了条件。为研究有机物对粘性细颗粒泥沙絮凝的影响，需建立含有机裹层的泥沙颗粒絮凝沉降的数学模型，模拟有机絮团形成过程。在此过程中，需要测量出含有机裹层的颗粒之间相互作用力，为数学模型的受力模块参数输入提供依据。原子力显微镜是一种可以通过微悬臂形变得到力学信号的仪器，通过目前比较流行的“胶体探针技术”即可测量出两个颗粒之间的相互作用力。因此在适宜条件下培养泥沙颗粒，使之发生絮凝，测量颗粒、絮团表面形态及颗粒间相互作用力是本文的主要研究内容。
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1.2 国内外研究现状
有机物含量对粘性泥沙絮团大小、分形维数、沉降速度和有效密度等絮团特性以及颗粒碰撞概率和粘结有效率产生影响[4]。对于这几方面的研究，目前已取得了一些成果。 絮团尺寸方面，一些学者通过物模实验说明有机物含量大小与絮团大小的关系；絮团形貌方面，一些学者在有机物含量不同的地方测得的絮团分形维数不同，说明有机物含量对絮团表面形貌结构也有较大影响；此外，有机物含量对絮团沉降速度也有较大影响，因为有机物在水体中与颗粒发生相互作用，吸附在颗粒表面，形成一个有机裹层，改变了颗粒之间的相互作用力，进而对絮团的沉降速度产生影响。 生物膜是有机裹层的一种，广泛存在于自然水环境之中，在河流、湖泊等湿地环境的所有固体表面都有生物膜形成[5]。近年来随着工业的发展，产生了大量污染物，污染物流入河流、湖泊等水体中并在其中积聚，促进了水体中微生物的生长。微生物在水体中的生长会产生大量代谢产物，而水体中的泥沙颗粒正好作为这些代谢产物的载体，因而生物膜会在颗粒表面不断生长。这将改变泥沙颗粒自身的表面形貌、容重等物理特性，表面元素组成、分布等化学特性，并进而对泥沙颗粒的沉降、絮凝等特性产生影响。 目前已有很多学者对泥沙颗粒生长生物膜前后性质的变化展开研究，方红卫等[5]观察泥沙颗粒生长生物膜前后的形貌变化，并运用数值计算的方法对形貌特征进行分析，赵慧明等[6]采用图像处理的方法对生物絮凝泥沙的结构特性进行分析，给出絮凝泥沙的干容重计算公式，尚倩倩等[7,8]对生长生物膜后的泥沙絮体在沉降时进行拍摄采集，推导了颗粒的粒径变化公式，并分析测量了颗粒大小和沉速的变化，推导了生长生物膜后的泥沙颗粒沉速计算公式，赵慧明[9]还针对生物絮凝泥沙的流变问题进行了研究，通过实验给出生物絮凝泥沙的流变模型。以上皆属清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室的研究成果，然而关于高岭土、蒙脱土等粘土矿物颗粒生长生物膜后物理化学特性的研究却鲜有报道，而生长生物膜的颗粒间相互作用力的测量国内外更是无人涉足。
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第二章 颗粒间相互作用力测量实验
本章采用原子力显微镜对液相下聚苯乙烯颗粒间相互作用力进行测量，介绍了测量仪器、测量方法以及对实验数据的处理方法。此外，还需要测定 Na Cl 溶液中的 Zeta 电位，同时介绍了电位测量采用的实验仪器和测量方法。
2.1 实验仪器及设备
力学测量试验是在天津大学精仪学院仪器科学与工程系的实验室中进行的，由该实验室的同学配合完成。该 AFM 是购买自 Bruker 公司的 Dimension Icon 原子力显微镜，如图 2-1 所示。采用的悬臂梁是 Bruker 公司的 NP-O10 三角形无尖悬臂梁，如图 2-2 所示。由 DLVO 理论可知，胶体颗粒间双电层作用力与颗粒表面电位 Zeta 电位有关，Zeta 电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，可以通过 Zeta 电位仪直接测定。 本实验所用颗粒间 Zeta 电位由天津大学化工学院的 Zetasizer Nano ZS 纳米粒度及 Zeta 电位仪进行测量，该仪器如图 2-3 所示。
2.2 实验方案
2.2.1 聚苯乙烯裸球相互作用力测量
由于 DLVO 理论只能推导形状规则、表面没有膜的颗粒间的相互作用力，因此本研究的第一步需要测量聚苯乙烯（Latex）微球样品之间的相互作用力。本研究借鉴 Ruiz-Cabello 等[38]的测量方法，采用两颗粒竖向接触的方法测量粒间作用力，该测量实验的难点在于如何将颗粒粘在基底玻片以及无尖悬臂梁上，以便令上下两个颗粒相互接触。Ruiz-Cabello 等通过氨基硅烷偶联剂将颗粒与玻片连接起来，这要求偶联剂的硅氧基与玻璃上的硅醇生成 Si-O-Si 键的同时，颗粒表面必须有羧基或硫酸根等能与偶联剂另一侧的氨基反应的基团。带有特定集团的 Latex 颗粒可以获得，但是今后需要测量带有生物膜的 Latex 颗粒，以及高岭土颗粒、泥沙颗粒等，这些颗粒表面并没有羧基或硫酸根，因此该方法并不具有普适性。 将颗粒与器材粘接，具有普适性的方法就是采用粘接剂。最初采用 502 胶以及 406 表面不敏感型瞬干胶进行粘结，但是这些胶遇水即脱粘，导致实验失败。Papastavrou 等[39]采用 UV 紫外线固化胶（NO.68）把二氧化硅颗粒粘接在无尖悬臂梁上，本文也采用此种粘接剂。或者可以采用另外一种抗水型粘接剂，聚乙烯醇-苯乙烯吡啶（PVA-SBQ），与前面的商用粘接剂不同，这是一种有机聚合物，但它们的共同特点是具有光敏性，即通过紫外线照射才能固化。 相互作用力测量实验一共包括三大步骤，分别是：一、基底样品制备；二、胶体探针制备；三、力学测量。 基底样品制备过程主要包括：首先将载玻片、盖玻片等器材用蒸馏水超声清洗，配置好不同浓度的 KCl 溶液；然后将少量聚苯乙烯微球悬液滴于一个盖玻片上，静置，等待表面水分蒸发；再将少量紫外线固化胶涂抹于载玻片上，用另一个盖玻片将涂层刮得尽可能薄，这时滴有颗粒悬液的盖玻片上的水分已经蒸发，上面是固态的颗粒，呈粉末状；接着再用另外一个盖玻片将颗粒粉末从上面刮下来，正好落在之前载玻片上的紫外线固化胶涂层上。这样，颗粒与基底的粘接完成。但如果担心胶层刮得不够薄，造成颗粒被埋进胶层中，可以采用 PVA-SBQ，因为它是一种亲水性有机聚合物，与水混合也能保持粘性。先将其用水稀释、搅拌，减小黏稠度，再取少量稀释后的液体，用旋涂仪在盖玻片上旋涂一薄层。之后将上一步准备好的载有烘干后颗粒的载玻片扣在上面，样品便制备完成。基底样品制备这一过程的流程图如图 2-4 所示。
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第三章 胶体颗粒间相互作用力测量结果分析........... 24
3.1 XDLVO 理论 ....... 24
3.1.1 范德华吸引力............ 24
3.1.2 双电层作用力............ 25
3.1.3 A-B 作用力 ........ 26
3.2 聚苯乙烯颗粒实验结果分析........ 27
3.2.1 参数选取........... 27
3.2.2 KCl 溶液 ............ 28
3.2.3 Na Cl 溶液 .......... 29
3.3 本章小结.... 31
第四章 生物膜对颗粒形貌影响研究......... 32
4.1 生物膜实验仪器与方法....... 32
4.2 生物膜对颗粒形貌及粒径影响规律研究...... 35
4.3 生物膜对颗粒分形维数的影响规律研究...... 45
4.4 本章小结.... 55
第五章 结论与展望.......... 57
5.1 主要研究成果..... 57
5.2 下一步研究工作的展望....... 57
第四章 生物膜对颗粒形貌影响研究
4.1 生物膜实验仪器与方法
尚倩倩
