自由沉降实验原理与操作指南

　　自由沉降实验是一种用于研究物体在液体中的沉降速度及其规律的重要实验方法。其基本原理基于物理学中的牛顿第二定律和流体动力学理论。在实验过程中，我们关注单个颗粒或颗粒群在无限宽广或相对宽广的介质（如水）中的沉降行为。

　　自由沉降的定义：自由沉降是指单个矿粒在广阔的介质空间中的独自沉降，过程中矿粒只受到本身重力、介质浮力和阻力的作用，而不受其他矿粒或器壁的显著影响。在实际操作中，当矿浆浓度很稀时（体积浓度一般小于3%），矿粒之间的干涉作用可以忽略不计，此时可近似认为是自由沉降。

　　沉降过程分析：自由沉降过程可分为加速阶段和恒速阶段。在加速阶段，颗粒受到重力、浮力和阻力的作用，合力不为零，颗粒速度逐渐增加。随着颗粒速度的增加，阻力也随之增大。当阻力增大到与重力与浮力之差相等时，颗粒受到的合力为零，此时颗粒进入恒速阶段，以恒定速度等速下沉。这一恒速阶段的速度称为沉降速度，也称自由沉降速度。

　　沉降速度计算：对于球形颗粒，在层流区（雷诺数Rep<1）内，其沉降速度符合Stokes公式。然而，实际水中的悬浮固体并非单一均匀的球形颗粒，而是大小、形状和密度都各不相同的颗粒群，因此沉淀效果和特性通常需要通过静沉实验来判定，并根据实验数据绘制沉降曲线。沉降曲线是在直角坐标上表示沉降效率与沉降时间或沉降速度之间关系的曲线。

　　二、实验操作指南

　　实验装置与材料：

　　主要装置：沉淀柱、水泵、水箱、支架、气体流量计、取样口等。沉淀柱应具有足够的直径（一般D≥100mm）以避免颗粒沉淀受柱壁干扰。

　　辅助设备：分析天平、具塞称量瓶、烘箱、滤纸、漏斗、量筒、烧杯等，用于测定悬浮物的固体量。

　　水样准备：实验水样可以是实际工业废水或利用高岭土等配制的水样。

　　实验步骤：

　　准备阶段：检查实验装置是否完好，确保所有阀门、管道和接头处于正确位置并无泄漏。将水样注入沉淀柱，并打开进气阀门进行曝气搅拌均匀。

　　取样与记录：关闭进气阀后，取水样测定初始悬浮物浓度（C0），并记录取样口高度。开启秒表记录沉淀时间。在预定的时间点（如1min、3min、5min、10min等）分别取样测定悬浮物浓度（Ct）。

　　悬浮物测定：将取样的水样通过烘箱烘干至恒重，称取悬浮物质量，并计算悬浮物浓度。

　　数据整理与分析：根据实验数据计算颗粒的沉速和沉淀效率，绘制沉降曲线。分析不同因素对沉降效果的影响。

　　安全操作规程：

　　在实验前检查设备完好性，确保所有阀门、管道和接头无泄漏或损坏。

　　实验过程中穿戴适当的个人防护装备，如实验室服、护目镜、手套等。

　　所有实验操作应在通风柜内进行，避免有害气体和蒸汽积聚。

　　实验结束后及时清理工作区域，关闭电源和水源。

　　实验注意事项：

　　取样时应先排出取样口中的积水以减少误差。

　　在取样前和取样后皆需测量沉淀管中液面至取样口的高度，计算时取二者的平均值。

　　实验过程中应避免直接接触化学试剂或其他危险物质，如不慎接触应立即用清水冲洗并寻求帮助。

　　通过自由沉降实验，我们可以深入了解颗粒在液体中的沉降规律，为水处理、选矿等领域提供重要的实验数据和理论依据。