趙雪,王照熙,張文倩,呂暢,牛文全

水磁化處理對水肥溶液中黏性顆粒絮凝沉降的影響

趙雪1,2,王照熙1,2,張文倩1,2,呂暢1,2,牛文全1,3,4*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

【】探究水磁化處理對富含黏性顆粒水肥溶液絮凝沉降過程的影響。配置5種質(zhì)量濃度的高嶺土懸浮液（0.5、1.0、1.5、3.0、5.0 g/L）和3種質(zhì)量濃度（0.25、0.5 g/L和0.75 g/L）的硫酸鉀、尿素、復(fù)合肥混合液共14種，分別在4種不同磁化強度（W0：0 T、W1：0.2 T、W2：0.4 T和W3：0.6 T）下，測定4 h內(nèi)沉降量筒底端10 cm高處的濁度、中值沉速、沉降泥沙機械組成、水樣zeta電位、pH值、電導(dǎo)率和黏滯系數(shù)等的變化。與未磁化處理相比，磁化后黏性顆粒的絮凝作用有所增強、沉降速率加快（<0.01）；磁化強度為0.4 T（W2）時，黏性顆粒的絮凝作用最強，沉降泥沙的中值粒徑比未磁化處理最高可增加14.7%，其黏粒占比最高可減少25.0%，zeta電位最高可降低68.7%。當(dāng)水中加入不同肥料時，磁化對沉降泥沙中值粒徑、黏粒占比和水樣zeta電位值的影響不同，施加硫酸鉀肥時磁化的影響效果最大，施加尿素時的影響效果最小。灌溉水磁化處理可顯著促進黏性顆粒的絮凝作用和沉降速率，建議用磁化水灌溉或者輸水時，應(yīng)定期沖洗管網(wǎng)系統(tǒng)，排除管網(wǎng)中的沉降泥沙。

磁化；絮凝；沉降；黏性顆粒；肥料

0 引言

【研究意義】滴灌是目前干旱缺水地區(qū)最有效的灌溉方式之一，但灌水器堵塞問題會直接影響灌水均勻度，甚至使整個滴灌系統(tǒng)失效[1-2]。根據(jù)水質(zhì)可將灌水器堵塞類型分為物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物堵塞3種[3-5]，其中物理堵塞最為明顯，顆粒的絮凝與沉降是造成灌水器物理堵塞的直接原因[6]。多年來，黃河流域的寧夏、內(nèi)蒙古等地段和新疆等地區(qū)受高含沙水流影響，嚴重制約著滴灌技術(shù)的應(yīng)用，而此流段泥沙量較高且細微粒量比例較大[7]。黏性泥沙極小的粒徑使其具有較強的電化學(xué)性質(zhì)，一定條件下會碰撞黏結(jié)形成泥沙絮團[8-10]，從而加劇滴頭堵塞。研究滴灌水源流經(jīng)磁場后水中黏性顆粒絮凝沉降過程的變化規(guī)律，對滴灌管網(wǎng)系統(tǒng)的管理和滴頭堵塞的防治有重要意義?！狙芯窟M展】磁化后水分子間氫鍵斷裂，水分子由團簇狀變成單個極性水分子[11]，水中溶解氧量提高4～6 mg/L，溶解度提高20%～70%，水的電導(dǎo)率至少提高2%，澄清速度提高20%～90%[12]，水的性質(zhì)發(fā)生改變。磁化后水中游離的離子內(nèi)能增加[13]，碰撞概率增大，從而會影響?zhàn)ば灶w粒的絮凝沉降過程。李建軍等[14]研究表明，磁化處理減小了固體顆粒表面水化膜厚度和zeta電位值，從而加速了其絮凝沉降作用。王新民等[15]研究發(fā)現(xiàn)磁化處理可以加速全尾砂料漿（SiO2量56.18%，Al2O3量6.53%）沉降。汪虎等[16]研究發(fā)現(xiàn)，磁化絮凝技術(shù)使得浸出液中的固體懸浮物快速沉降。磁化水灌溉可促進植物生長、提高植物根系活力，改變鹽漬化土壤中水鹽的分布、減少土壤鹽分、增強土壤保水能力[17-21]。磁處理水技術(shù)在促進土壤脫鹽、提高植物耐鹽性和土壤養(yǎng)分有效性、促進植物生長等方面具有廣泛的作用效果[22-24]?！厩腥朦c】磁化水應(yīng)用已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注，但目前關(guān)于磁化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究多集中在作物與土壤中，將磁化與水肥一體化滴灌過程中的絮凝沉降過程相結(jié)合的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文探討了4種磁化強度下，14種不同高嶺土量和肥料質(zhì)量濃度組合的黏性顆粒絮凝沉降的變化規(guī)律，為磁化水肥一體化滴灌系統(tǒng)的滴頭堵塞防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗于2020年9月23日—11月27日在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)灌溉水力學(xué)大廳內(nèi)進行室內(nèi)溫度（20±0.5）℃。張慶河等[25]指出絮凝的臨界粒徑為0.01～0.03 mm，故本試驗選用白陶土煅燒水洗高嶺土粉，具有高度分散性的白色粉末狀物質(zhì)，高嶺土粒徑級配見圖1。

圖1 試驗用高嶺土粒徑級配

試驗選用3種可溶性肥料：尿素（分子式CO(NH2)2極易溶于水的半透明無雜質(zhì)固體顆粒）；硫酸鉀（K2O≥52%）；復(fù)合肥（白色顆粒極易溶于水N-P2O5-K2O為19-19-19）。

試驗用磁化器選用包頭磁性材料有限公司生產(chǎn)的磁化強度分別為0、0.2、0.4、0.6 T的永久性磁體。

磁化循環(huán)裝置由PVC輸水管道（外徑32 mm，內(nèi)徑26 mm）、磁化器、攪拌桶（10 L）、自吸式水泵（額定流量4 m3/h）和自動攪拌機(額定轉(zhuǎn)速500 r/min)組成，見圖2。

1.自吸式水泵；2.磁化器；3.自動攪拌機；4.攪拌桶

滴灌管網(wǎng)中水流平均速度為0.1～1.2 m/s[26]，經(jīng)計算本試驗輸水管路中水流流速約為0.5 m/s，與實際滴灌管網(wǎng)流速相符。

1.2 試驗設(shè)計

試驗1：根據(jù)實地考察，寧夏黃河水引水渠口含沙量在0.6～1.1 g/L之間[27]，為增加試驗效果，本試驗配置5種高嶺土質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5、3.0 g/L和5.0 g/L，分別記為S1、S2、S3、S4、S5與4種磁化強度進行全組合試驗，共20個處理，每個處理共計4次重復(fù)。

試驗2：以試驗1中位泥沙質(zhì)量濃度為依據(jù)，將泥沙質(zhì)量濃度固定為1.5 g/L，選擇3種肥料：硫酸鉀（K）、尿素（N）和復(fù)合肥（F），各設(shè)置3種肥料質(zhì)量濃度，分別為0.25、0.5 g/L和0.75 g/L，并分別記為K1、K2、K3、N1、N2、N2、F1、F2、F3，與4種磁化強度（包含對照組）進行全組合試驗，共36個處理，每個處理共計4次重復(fù)。

1.3 試驗方法

采用水質(zhì)檢測儀（意大利哈納HI5522）測量不同磁化循環(huán)時間后沉降桶表層位置處水的電導(dǎo)率，重復(fù)測試3次。測得初始電導(dǎo)率為835.6 μS/cm，每間隔5 min時，測水樣電導(dǎo)率值并計算電導(dǎo)率在相同間隔時間內(nèi)的變化率即電導(dǎo)率變化率，圖3為不同磁化循環(huán)時間水的電導(dǎo)率變化率。磁化循環(huán)時間為15 min時，水的電導(dǎo)率變化率最大，故本試驗確定的磁化循環(huán)時間為15 min。試驗用水泵循環(huán)流量為4 m3/h，故循環(huán)15 min時，水樣大約被磁化100次。

圖3 不同磁化處理循環(huán)時間后電導(dǎo)率變化率

將試驗用肥料、高嶺土與水混合均勻以配置試驗用水樣，其中尿素與復(fù)合肥為全溶于水，硫酸鉀為52%溶于水，故配置硫酸鉀懸浮液時，將肥料倒入水中，攪拌均勻，靜置后取上清液作為試驗水樣（上清液濃度為0.25、0.5 g/L和0.75 g/L）。采用磁化循環(huán)裝置，將配置好的水樣置于10 L攪拌桶內(nèi)，循環(huán)磁化15 min，循環(huán)過程中，采用自動攪拌機持續(xù)性對試驗水樣進行攪拌，以減小顆粒物提前絮凝產(chǎn)生的誤差?？紤]到水循環(huán)過程中的進水、出水、攪拌等過程會對水動力學(xué)條件產(chǎn)生影響，故本試驗將未磁化處理組也重復(fù)相同的循環(huán)操作，以減小水動力學(xué)條件不同所帶來的誤差。循環(huán)處理后，取1 000 mL水樣放置于量筒（高30 cm，內(nèi)徑6.5 cm，1 000 mL玻璃量筒）靜置，進行絮凝沉降測試。水經(jīng)磁化處理后，試驗測得約6 h內(nèi)其性質(zhì)會保持穩(wěn)定[28]。故本試驗分別在靜置0、5、10、15、30、60、90、120 min和240 min時，采用移液管法在距量筒底1/3處取10 mL水樣，置于濁度儀（奧立龍AQ3700）中，測量懸液濁度，每組試驗重復(fù)4次。沉降試驗過程中，從攪拌桶中取適量水樣置于烏氏黏度計（合肥申誼玻璃制品有限公司）中測量黏滯系數(shù)，并用水質(zhì)測試儀（意大利哈納HI5522）測量懸液溫度、電導(dǎo)率和pH值等。待沉降4 h后，將沉降底泥倒入錫紙碗中，置于105 ℃烘箱（上海森信實驗儀器有限公司）內(nèi)烘干，12 h后取出底泥，裝入自封袋，用MS2000型激光分析粒度儀（馬爾文公司APA2000）測量絮凝沉降泥沙的機械組成，并分析其中值粒徑和黏粒占比等，用場發(fā)射掃描電鏡（日本日立公司）觀測儀觀測沉降泥沙微觀結(jié)構(gòu)。

為減小測量含沙量時的操作及儀器誤差，本試驗用懸液濁度代替相對含沙量。試驗開始前，配置不同相對含沙量的泥沙懸濁液，并測定其濁度與相對含沙量的對應(yīng)關(guān)系，每組處理均測試9組以進行擬合，每次測試共計3次重復(fù)。濁度和相對含沙量的對應(yīng)關(guān)系見表1。二者呈顯著線性關(guān)系。

表1 濁度與相對含沙量對應(yīng)關(guān)系

注 **代表<0.01。

計算中值沉速來反映泥沙沉降速度[29]，即根據(jù)各水深處含沙量為初始含沙量50%的沉降歷時平均值0.5得到的沉速50，可表示為：

式中：為取樣深度（cm）；0.5為泥沙量達到初始量50%時所用時間（min）。

用Omni型納米粒度電位分析儀（美國布魯克海文儀器公司）測量水樣zeta電位值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 23.0軟件ANOVA法進行顯著性分析及方差分析（<0.05）。采用Orign 2020軟件線性擬合濁度與相對含沙量的關(guān)系，采用MATLAB2016軟件“5次多項式擬合”擬合泥沙相對質(zhì)量濃度與沉降時間曲線的關(guān)系確定中值沉速。采用Origin 2020軟件繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化對水樣性質(zhì)的影響

2.1.1 水質(zhì)指標

表2為磁化后水樣pH值、電導(dǎo)率和黏滯系數(shù)的變化情況。磁化后水樣的pH值、電導(dǎo)率、黏滯系數(shù)較未磁化處理相比均有不同程度的增加，其中磁化對電導(dǎo)率的影響達到極顯著水平（<0.01），對黏滯系數(shù)的影響達到顯著水平（<0.05）。磁化后水樣pH值、電導(dǎo)率和黏滯系數(shù)較未磁化處理相比增幅分別為：0.2%～3.3%、0.2%～16.8%和0.9%～16.7%。未施肥時，水樣pH值隨高嶺土質(zhì)量濃度的增加而增加，電導(dǎo)率和黏滯系數(shù)隨高嶺土質(zhì)量濃度的改變無顯著變化趨勢；施加硫酸鉀肥和復(fù)合肥時，水中離子濃度增加，水樣電導(dǎo)率呈明顯的增加趨勢，較未施肥相比平均增幅分別為165.7%和43.2%，且隨施肥質(zhì)量濃度的升高，變幅逐漸增大；由于尿素為分子態(tài)，施加尿素后，水樣電導(dǎo)率和黏滯系數(shù)無明顯改變，但pH值有所增加，增幅范圍為2.2%～2.8%。不同處理下，水樣pH值和電導(dǎo)率均隨磁化強度的增加呈先增后減趨勢，磁化強度為0.4 T（W2）時，水樣pH值和電導(dǎo)率的增幅最大分別為3.3%和16.8%，磁化強度為0.6T（W3）時，水樣黏滯系數(shù)的增幅最大為16.7%。

2.1.2 zeta電位

zeta電位是對懸液體系中顆粒之間相互排斥或吸引力強度的度量，zeta電位絕對值越低，越傾向于凝聚，反之傾向于分散[30]。磁化后黏性顆粒zeta電位絕對值減?。▓D4），基本隨磁化強度的增加呈先減后增的趨勢。磁化強度為0.4 T（W2）時，zeta電位絕對值最小，較未磁化相比平均變化率為52.0%，此時懸液體系中黏性顆粒最傾向于凝聚。磁化對不同處理下水樣zeta電位值的影響效果不同，硫酸鉀肥處理下，磁化后水樣zeta電位值的降幅最大，為8.8%～68.7%，復(fù)合肥和未施肥處理下，磁化對水樣zeta電位的影響效果相近，變化率平均值分別為35.6%和31.6%，施加尿素時，磁化對水樣zeta值的影響效果最小，變化率為20.5%～39.4%。

表2 磁化條件下不同渾水水樣性質(zhì)

注 表中不同小寫字母表示同行處理間差異顯著（<0.05），下同。

圖4 磁化強度對不同混合液zeta電位的影響

2.2 磁化強度對黏性顆粒間絮凝作用的影響

2.2.1 沉降泥沙粒徑

1）黏粒占比

Mehta等[31]認為黏性泥沙和非黏性泥沙的分界粒徑可取為20 μm，因此本文將用沉降4 h后底泥中黏性泥沙與非黏性泥沙的比值即黏粒占比來表示不同處理后底泥粒徑機械組成情況。

由圖5可知，磁化強度、施肥特性對黏粒占比的影響達到了極顯著水平（<0.01），二者間的交互作用對黏粒占比的影響達到了顯著水平（<0.05）。

磁化后沉降泥沙黏粒占比減小，即絮凝作用加強，當(dāng)磁化強度為0.4 T（W2）時，黏粒占比最小。磁化對沉降泥沙黏粒占比的影響隨泥沙質(zhì)量濃度的增加呈增大趨勢，泥沙質(zhì)量濃度為5 g/L（S5）時，磁化對黏粒占比的影響最大，黏粒占比由1.52降至1.14，降低了25.0%。

圖5 磁化強度對不同渾水沉降后沉降泥沙黏粒占比影響

不同施肥條件下磁化對沉降泥沙黏粒占比的影響不同，施加硫酸鉀肥時，磁化對沉降泥沙黏粒占比的影響效果最大，其平均值由1.70減小到1.55降低了8.8%，且磁化作用效果隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加而增加，如當(dāng)磁化強度為0.4 T（W2）時，磁化對0.75 g/L的硫酸鉀懸液（K3）的作用比0.25 g/L（K1）的硫酸鉀懸液的作用增加4.2%；施加復(fù)合肥和尿素時，磁化后沉降泥沙的黏粒占比值較未磁化相比分別降低了7.6%和4.6%，且磁化的作用效果隨復(fù)合肥和尿素質(zhì)量濃度的改變無明顯變化趨勢。

2）中值粒徑

表3為磁化強度對不同渾水沉降泥沙中值粒徑的影響。磁化強度、泥沙質(zhì)量濃度和肥料類型對沉降4 h后沉降泥沙中值粒徑的影響均達到了極顯著水平（<0.01）。

由表3可知，磁化后沉降泥沙中值粒徑增加，未施肥時，中值粒徑平均值由14.72 μm增大到15.68 μm，增加了6.5%，施肥后，沉降泥沙中值粒徑增幅為0.7%～14.7%。不同處理下，沉降泥沙的中值粒徑增幅均在磁化強度為0.4 T（W2）時最大，未施肥時，平均增幅為9.4%，施肥處理后，沉降泥沙中值粒徑增幅最高可達14.7%。肥料類型及質(zhì)量濃度對沉降泥沙中值粒徑大小的影響不同，未磁化時，硫酸鉀懸液沉降泥沙的中值粒徑最大，平均為14.84 μm，復(fù)合肥懸液最小，平均為13.97 μm，磁化后，硫酸鉀肥與復(fù)合肥懸液沉降泥沙中值粒徑增幅平均值分別為7.6%和6.2%，且磁化對沉降泥沙中值粒徑的影響效果隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加而增加，隨復(fù)合肥質(zhì)量濃度的增加而減小，隨尿素質(zhì)量濃度的增減無明顯變化趨勢，磁化后，不同質(zhì)量濃度尿素處理下的平均變幅為5.1%。

表3 不同磁化強度下不同渾水沉降泥沙中值粒徑

2.2.2 沉降泥沙微觀形貌

磁化后沉降泥沙微觀形貌有所改變。磁化強度為0.4 T（W2），泥沙質(zhì)量濃度為1.5 g/L（S3），肥料質(zhì)量濃度為0.75 g/L時，沉降泥沙微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡觀測結(jié)果（2.00 K倍）見圖6。未磁化組顆粒整體較為分散，顆粒大小不一，大顆粒周圍游離著許多小顆粒結(jié)構(gòu)。磁化后微觀顆粒整體間距變大，單顆粒結(jié)構(gòu)的尺度變大，形成較多致密堆積體，呈較大團塊結(jié)構(gòu)，且顆粒周圍存在多層絮狀結(jié)構(gòu)咬合在堆積體外側(cè)。

圖6 磁化處理對沉降泥沙微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

2.3 磁化強度對黏性顆粒沉降過程的影響

2.3.1 磁化強度對未施肥的泥沙懸浮液沉降過程的影響

圖7為磁化強度對泥沙懸浮液沉降過程的影響。沉降初期泥沙相對質(zhì)量濃度急劇下降，為快速沉降階段，中后期泥沙相對質(zhì)量濃度平緩下降，為緩慢沉降階段。隨著泥沙質(zhì)量濃度的升高，快速沉降階段與緩慢沉降階段的臨界點提前。泥沙質(zhì)量濃度越高，沉降240 min后，泥沙相對質(zhì)量濃度越低。

磁化強度對黏性顆粒沉降過程的影響隨泥沙質(zhì)量濃度和沉降時間而改變。除泥沙質(zhì)量濃度為0.5 g/L時，磁化均加速沉降，沉降4 h時，泥沙相對質(zhì)量濃度較未磁化處理減少10.0%～27.8%。磁化強度為0.4 T（W2）時對泥沙懸液沉降過程的加劇作用最大，相同沉降時間的泥沙相對質(zhì)量濃度較未磁化處理相比最高下降29.3%。

圖7 磁化強度對泥沙懸液中黏性顆粒沉降過程的影響

表4為磁化強度對黏性顆粒中值沉速的影響。磁化強度、泥沙質(zhì)量濃度及二者間的交互作用對中值沉速的影響達到了極顯著水平（<0.01）。

表4 磁化強度對未施肥的泥沙懸液中黏性顆粒中值沉速的影響

泥沙質(zhì)量濃度越高，中值沉速越大。磁化后黏性顆粒沉降過程的中值沉速平均值由0.744 8 cm/min增至0.865 8 cm/min，增加了16.2%，說明磁化后黏性顆粒沉速加快。磁化對黏性顆粒沉降時中值沉速的影響效果隨磁化強度的增加呈先增后減的趨勢，磁化強度為0.4 T（W2）時，對黏性顆粒中值沉速的影響達到最大，其平均值比非磁化處理增加了23.9%。

2.3.2 磁化強度對肥沙混合液中黏性顆粒沉降過程的影響

表5為磁化強度對肥沙混合液中黏性顆粒中值沉速的影響。磁化強度和施肥特性及二者交互作用對中值沉速的影響均達到極顯著水平（<0.01）。

表5 磁化強度對肥沙混合液中黏性顆粒中值沉速的影響

磁化加快了黏性顆粒的中值沉速，磁化強度為0.4 T（W2）時，對硫酸鉀懸液黏性顆粒的加速作用最大，其中值沉速為0.435 2 cm/min，比未磁化處理增加了67.58%。磁化對不同肥沙混合液的影響不同，對硫酸鉀懸液中值沉速的影響效果最大，復(fù)合肥次之，尿素的最小，磁化后其中值沉速最高增幅分別為67.6%、52.5%和40.1%。

圖8為磁化后肥沙混合液中黏性顆粒的沉降過程曲線。磁化對黏性顆粒沉降過程有一定的加速作用，且沉降時間越長，磁化加速沉降的效果越顯著。硫酸鉀懸液中，磁化強度為0.4 T（W2）時，磁化作用效果最顯著，磁化后降幅最大為20.29%；尿素與復(fù)合肥懸液中，不同磁化強度間差異不顯著。磁化對黏性顆粒沉降過程的加速作用隨硫酸鉀質(zhì)量濃度升高而增加，隨復(fù)合肥質(zhì)量濃度升高而減小，隨尿素質(zhì)量濃度改變無明顯差異。

3 討論

磁化顯著加強了水中黏性顆粒的絮凝沉降（<0.05）。導(dǎo)致絮凝的直接動力是顆粒間的碰撞[32-33]，當(dāng)富含黏性顆粒的泥沙懸浮液經(jīng)過磁化處理后，磁場對粒子做功，增大了粒子內(nèi)能[13]，增加了懸浮液中離子的流動性和擴散遷移率，使粒子更活躍，碰撞概率增加。泥沙絮凝作用的強弱由顆粒間的碰撞頻率以及碰撞后的黏結(jié)概率決定[34]。磁化可減小黏性顆粒間的靜電斥力，從而降低顆粒表面的水化膜作用[13]，水化斥力降低，離子更傾向于吸引和凝結(jié)。

絮團在水中的沉降速度，取決于絮團受力狀況，絮團向下的重力、向上的浮力和阻力與絮團的密度、比表面積、懸浮液黏滯系數(shù)及溫度等有關(guān)。磁化處理使水的pH值增大，電導(dǎo)率升高，zeta電位值降低[35-36]，本試驗亦得出相似結(jié)果。本試驗發(fā)現(xiàn)磁化后渾水黏滯系數(shù)增加，謝蔚等[13]認為黏滯系數(shù)的增減始終存在爭議，這可能是由于磁化對不同粒徑的泥沙顆粒的作用效果不同導(dǎo)致，還需要進一步驗證。此外，渾水zeta電位的降低可反映懸浮液更傾向于凝聚，而電導(dǎo)率的增加加強了黏性顆粒的絮凝作用。但pH值和黏滯系數(shù)的增加，會阻礙絮凝作用與沉降速率，使磁化處理對黏性顆粒絮凝沉降過程的影響更為復(fù)雜。本試驗觀測到磁化后絮團致密性增強，密度加大。因此，絮團沉降速度加快。一般來說，絮團密度越大或絮團直徑越大，沉速越快，但研究表明，絮團有效密度與絮團大小呈冪函數(shù)關(guān)系，且冪指數(shù)為負值[37-38]，絮團尺度越大，密度反而越小，而冪指數(shù)又與水環(huán)境和受力歷史等密切相關(guān)[25]，二者表現(xiàn)出明顯負相關(guān)趨勢。磁化處理后溶液密度稍有減小，且磁化強度越大密度越小[39]，懸浮液密度變小，則絮團相對密度變大，故沉速加快。

水肥一體化過程會一定程度上增加灌溉水質(zhì)的復(fù)雜程度，進而加速灌水器堵塞過程[40]。試驗發(fā)現(xiàn)磁化的效果隨硫酸鉀質(zhì)量濃度的增加而增加，這是因為硫酸鉀屬強電解質(zhì)溶液[41-42]，當(dāng)懸液中加入電解質(zhì)后，電解質(zhì)的陽離子能中和泥沙顆粒表面的負電荷，減小泥沙顆粒表面雙電層厚度，降低泥沙顆粒之間的電荷斥力，增加泥沙顆粒碰撞后的黏結(jié)機會[43]，當(dāng)磁場作用于硫酸鉀懸液時，會使水中離子更為活躍，且離子濃度越大，磁化效果越強。尿素分子以氫鍵連接，具有疏水性，泥沙顆粒間不容易團聚[44-48]，當(dāng)尿素溶液流經(jīng)磁場后，可能會破壞尿素分子間的氫鍵結(jié)構(gòu)，減弱其疏水性能。且磁化后尿素溶液的電導(dǎo)率增加，zeta電位絕對值減小，故磁化后黏性顆粒在尿素懸浮液中更易聚集。本試驗所用復(fù)合肥為氨基酸螯合態(tài)，高鉀型，隨著施肥質(zhì)量濃度升高，懸浮液中離子濃度增大，螯合劑與重金屬配位作用強，絡(luò)合了肥液中的重金屬等離子，并在泥沙顆粒間形成膠團，導(dǎo)致泥沙的團聚[49]，當(dāng)?shù)唾|(zhì)量濃度復(fù)合肥通過磁場后，磁場對其陽離子產(chǎn)生影響，隨著復(fù)合肥質(zhì)量濃度升高，膠團趨于穩(wěn)定，磁場對膠團破壞能力較小，故隨著復(fù)合肥質(zhì)量濃度升高磁化作用效果減小。

本試驗發(fā)現(xiàn)磁化強度越大，磁化的作用效果并非越好。這是因為隨著磁場的增強，水系統(tǒng)呈周期性變化[50]。不同磁化強度對灌溉水性質(zhì)的改變程度不同，如劉芳玲等[51]發(fā)現(xiàn)磁場強度對水表面張力系數(shù)的影響存在多個“谷”值，呈波動變化。王全九等[20]研究發(fā)現(xiàn)，磁化強度為0.4 T時土壤累積入滲量最大、入滲用時最短，磁電一體活化水的含水率、脫鹽率、鹽分淋洗效率達到最大，含鹽量和土壤滯留鹽分濃度最低，這與本試驗研究結(jié)果基本一致。徐莉等[52]發(fā)現(xiàn)不同磁化強度下鹽漬化土壤的脫鹽效果不同，且不同試驗對象適宜的最佳磁化強度有所差異，對最佳磁感應(yīng)強度的確定今后還需進一步深入探究。

此外，泥沙絮凝沉降受顆粒物質(zhì)量濃度的影響，黏性顆粒質(zhì)量濃度越高，顆粒間相互碰撞凝結(jié)形成絮團的概率越大，其絮凝作用越強，沉降速度越大。磁化對不同質(zhì)量濃度黏性顆粒的絮凝沉降過程雖均有加速趨勢，但不同質(zhì)量濃度間加速程度并無顯著性差異。

綜上，灌溉水磁化后可增強懸浮顆粒的沉降，如果能夠適當(dāng)應(yīng)用，則會減少進入滴頭流道泥沙的數(shù)量，降低滴頭堵塞。但由于磁化處理增強沉降，故管網(wǎng)系統(tǒng)中泥沙的沉降量會增多，建議定期沖洗灌溉管網(wǎng)，提高灌溉系統(tǒng)的效能。

但本試驗磁化強度及肥料質(zhì)量濃度梯度設(shè)置較少，并未考慮到磁化處理的滯后效應(yīng)等因素，將來還需進一步研究綜合考慮磁化強度、磁化時間、磁化處理滯后效應(yīng)的影響。

4 結(jié)論

1）磁化處理可以增強黏性顆粒的絮凝作用，加快黏性泥沙沉降。

2）隨著磁化強度增大，黏性顆粒絮凝作用呈先增后減的趨勢，本試驗發(fā)現(xiàn)磁化強度為0.4 T時，對黏性顆粒絮凝沉降的影響效果最顯著。

3）黏性顆粒沉降速度隨顆粒物質(zhì)量濃度的增加而增加，不同黏性顆粒質(zhì)量濃度下，磁化對沉降的加速效果無顯著差異。

4）肥料類型不同，渾水磁化對黏性顆粒沉降的加速程度不同，施加硫酸鉀肥時，磁化的加速作用最大，復(fù)合肥次之，尿素最小，其中值沉速比未磁化處理分別最高增加67.6%、52.5%和40.1%。磁化的作用效果隨硫酸鉀濃度增加而增加，隨復(fù)合肥質(zhì)量濃度升高而減小，基本不受尿素質(zhì)量濃度的影響。

5）利用磁化水滴灌時，應(yīng)充分考慮磁化加劇黏性顆粒沉降的特點，合理制定抗堵塞管理措施。

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The Efficacy of Magnetization in Enhancing Flocculation and Sedimentation of Clay Particles

ZHAO Xue1,2, WANG Zhaoxi1,2, ZHANG Wenqian1,2, LYU Chang1,2, NIU Wenquan1,3,4*

(1. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid Areas, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China;4. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

】Sedimentation and particle clogging is a phenomenon often occurring in irrigation pipe networks. The purpose of this paper is to investigate the feasibility and efficacy of magnetization on enhancing particle flocculation so as to alleviate sedimentation.【】We used suspension of kaolin clay at concentration of 0.5, 1, 1.5, 3 and 5 g/L as the testing particles, and mixed them with potassium sulfate at concentration of 0.25 g/L, urea at 0.5 g/L and compounded fertilizer at 0.75 g/L. Each solution was magnetized at strength at 0.2 T (W1), 0.4 T (W2) and 0.6 T (W3), respectively, with non-magnetization taken as the control (CK). We then let the suspension to settle in a cylinder, during which we measured the turbidity and median sedimentation velocity at the height of 10 cm, as well as the change in sedimentation composition, zeta potential, pH, conductivity and viscosity of the sample.【】Compared with CK, magnetization enhanced flocculation of the kaolin particles and increased its sedimentation as a result (<0.01). When the magnetization intensity was 0.4 T, the flocculation of the particles peaked and it associated sedimentation maximized. Compared with CK, magnetization also increased the median particle size by 14.7%, reduced the proportion of clay particles by 25.0% and the zeta potential by 68.7%. The efficacy of magnetization on the median size of the sediments, proportion of the clay particles and the zeta potential all varied with fertilizer application, with the impact maximizing after potassium sulfate was applied and minimizing when urea was applied.【】Magnetizing irrigation water can significantly promote flocculation and sedimentation of clay particles; it can be used to alleviate clogging of irrigation pipe network by colloids and fine particles.

magnetization; flocculation; sedimentation, clay particles; fertilizer

2021-07-14

國家自然科學(xué)基金項目（52079112，51679205）；山東省重大創(chuàng)新工程項目（2020CXGC010808）

趙雪（1997-），女。碩士研究生，主要從事灌溉排水新技術(shù)的研究。E-mail: zhaoxueer1016@163.com

牛文全（1971-），男。研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: nwq@nwafu.edu.cn

1672 - 3317（2022）03 - 0114 - 11

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021300

趙雪, 王照熙, 張文倩, 等. 水磁化處理對水肥溶液中黏性顆粒絮凝沉降的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(3): 114-124.

ZHAO Xue, WANG Zhaoxi, ZHANG Wenqian, et al. The Efficacy of Magnetization in Enhancing Flocculation and Sedimentation of Clay Particles[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 114-124.

責(zé)任編輯：白芳芳