颗粒在水中沉淀且沉淀速度不受干扰时，叫做自由沉淀（free sedimentation）。它属于沉淀类型中的一种，除此之外，还包括絮凝沉淀、拥挤沉淀和压缩沉淀。典型自由沉淀的例子包括：砂粒在沉砂池中的沉淀以及悬浮物浓度较低的污水在初次沉淀池中的沉淀。

自由沉淀发生在水中悬浮固体浓度不高的体系中，在沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，也不受器壁的影响，颗粒能够各自单独进行沉淀，颗粒的沉淀轨迹呈直线。自由沉淀过程中，由于泥沙颗粒的不断下沉，沉降水柱从下往上不断变清，除了在水柱底部有积泥外，清水与浑水之间没有明显的界面。

在实际水体中，影响颗粒沉淀的因素很多，为了简化讨论，常假定：(1)颗粒外形为球形，不可压缩，也无凝聚性，沉淀过程中其大小、形状和重量等均不变；(2)水处于静止状态；(3)颗粒沉淀仅受重力和水的阻力作用。

颗粒在沉淀过程中，受到重力Fg，浮力Fb和流体阻力Fd的作用。在开始沉淀时，颗粒在重力作用下产生加速运动，但同时水的阻力也逐渐增大。经过很短的时间后，作用于水中颗粒的重力、浮力和阻力达到平衡。此后，颗粒开始以匀速下沉，此时，颗粒的沉速公式为：

u2=4g（ρp-ρ）dp/3CDρ

式中：u—颗粒与流体之间的相对运行速度，m/s；dp—颗粒直径，m；ρp—颗粒密度，kg/m3；ρ—水的密度，kg/m3；CD一阻力系数；g—重力加速度，m/s2。

其中CD由实验确定，与雷诺数Re有关，如图1所示。

当Re<1时，为层流区，u=（ρp-ρ）gdp2/18μ （Stokes公式）；

1过渡流区，u=[4（ρp-ρ）2g2/225μρ]1/3dp（Fair公式）；

103紊流区，u2=3.0276（ρp-ρ）dpg/ρ（Newton公式）；

式中：μ—水的粘度，Pa·s。

Stokes公式表明：(1) 颗粒与水的密度差(ρp-ρ)愈大，沉速愈快，成正比关系。(2)颗粒直径愈大，沉速愈快，与颗粒直径成平方关系。一般地，沉淀只能去除d>20μm的颗粒，通过混凝处理可以增大颗粒粒径；(3) 沉速与水的粘度，成反比关系。因粘度与水温成反比，故提高水温有利于加速沉淀。

(1)通过实验加深对自由沉淀的概念、特点和规律的理解；

(2) 掌握颗粒自由沉淀实验方法，并能对实验数据进行分析、整理、计算，能绘制颗粒自由沉淀曲线。

实验装置如图2 所示：

(1) 将一定量的高岭土投入配水箱中，开动搅拌机，充分搅拌。(2) 待水箱中水质均匀后，取水样约200 mL，测定悬浮物(SS)质量浓度C0。(3) 启动水泵将混合液注入沉淀管至一定高度，当水开始从溢流口流出时，关闭阀门，停泵，停止搅拌，并且记录高度值。打开秒表，开始记录沉淀时间。(4) 沉淀实验开始。在5，10，20，30，60 min时，在取样口分别取水200～300 mL。测定悬浮物质量浓度(Ct)。(5) 每次取样应先排出取样口中的积水，减少误差，然后测量沉淀柱中液面至取样口的高度。(6) 测定每一沉淀时间的水样的悬浮物质量浓度固体量。首先调节烘箱温度至(105士1)℃，叠好滤纸放人称量瓶中，打开盖子，将称量瓶放入105℃烘箱中烘至恒重，称取质量；然后将恒重的滤纸取出放在玻璃漏斗中，用移液管准确移取100 mL水样至漏斗中，过滤水样，并用蒸馏水冲净，使悬浮性固体全都黏附于滤纸；最后将带有滤渣的滤纸移入称量瓶中，称量悬浮物的质量(重复烘干至恒重的过程，烘干2 h以上)。(7) 悬浮物质量浓度c按照如下公式计算：

c=

式中：w1—称量瓶质量+滤纸质量，g；w2—称量瓶质量+滤纸质量+悬浮物质量，g；V—水样体积(100 mL)；c—悬浮物质量浓度，mg/L。

(1) 向沉淀柱内注水时，速度要适中，既要较快完成进水，以防进水中一些较重颗粒沉淀，又要防止速度过快造成柱内水体紊动，影响静沉实验效果。

(2) 取样前，一定要记录柱中水面至取样口的距离H (以cm计)。

(3) 取样时，应先排出取样管中积水。每次取样体积为200—300 mL。

(4) 测定悬浮物时，因颗粒较重，从烧杯取样时要边搅边吸，以保证两平行水样的均匀度。附于移液管壁上的细小颗粒一定要用蒸馏水洗净。