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(guī)律的重要實驗方法。其基本原理基于物理學(xué)中的牛頓第二定律和流體動力學(xué)理論。在實驗過程中，我們關(guān)注單個顆粒或顆粒群在無限寬廣或相對寬廣的介質(zhì)（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(zhì)空間中的獨自沉降，過程中礦粒只受到本身重力、介質(zhì)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(dāng)?shù)V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(rèn)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(dāng)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(jìn)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(qū)（雷諾數(shù)Rep<1）內(nèi)，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(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制沉降曲線。沉降曲線是在直角坐標(biāo)上表示沉降效率與沉降時間或沉降速度之間關(guān)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(yīng)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(shè)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(zhǔn)備：實驗水樣可以是實際工業(yè)廢水或利用高嶺土等配制的水樣。

　　實驗步驟：

　　準(zhǔn)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(jìn)氣閥門進(jìn)行曝氣攪拌均勻。

　　取樣與記錄：關(guān)閉進(jìn)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(yù)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(zhì)量，并計算懸浮物濃度。

　　數(shù)據(jù)整理與分析：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)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(guī)程：

　　在實驗前檢查設(shè)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(dāng)?shù)膫€人防護(hù)裝備，如實驗室服、護(hù)目鏡、手套等。

　　所有實驗操作應(yīng)在通風(fēng)柜內(nèi)進(jìn)行，避免有害氣體和蒸汽積聚。

　　實驗結(jié)束后及時清理工作區(qū)域，關(guān)閉電源和水源。

　　實驗注意事項：

　　取樣時應(yīng)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(yīng)避免直接接觸化學(xué)試劑或其他危險物質(zhì)，如不慎接觸應(yīng)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(guī)律，為水處理、選礦等領(lǐng)域提供重要的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。