改性粉煤灰及其製備方法和其在城市汙泥調理中的應用的製作方法

2023-08-02 11:05:41 1

專利名稱：：改性粉煤灰及其製備方法和其在城市汙泥調理中的應用的製作方法
技術領域：
：本發明屬於城市汙水汙泥的處理領域，具體涉及一種工業廢棄物及其改性方法和應用。
背景技術：
：城市汙水處理廠的剩餘汙泥是由多種微生物形成的菌膠團與其吸附的有機物和無機物組成的集合體，含有難降解的有機物、重金屬和鹽類，以及少量的病原微生物和寄生蟲卵等。它含水率很高，一般都在95%99.5%之間，體積龐大，難以處理，成為汙水處理廠沉重的經濟負擔。汙泥處理的兩大目標是減量和穩定，所以為了減少汙泥的體積，必須對汙泥進行脫水。在脫水過程中儘可能多地去除水分，得到含固率高的泥餅，這對後續的運輸及處理處置都有重要的意義。然而，由於城市汙泥中的固體物質主要是腐殖質，它由帶負電的親水性膠體顆粒組成，顆粒細小，且粒徑分布極不均勻，結構複雜，與水的親和力很強，導致其比阻值大，脫水性能差，脫水非常困難。為了破壞汙泥的膠態結構，減少泥水之間的親和力，改善汙泥的脫水性能，必須對汙泥進行調理。傳統的汙泥的調理方法有化學調理法、物理調理法、生物調理法三大類。這些方法通過在汙泥中加入適量的混凝劑、助凝劑等化學藥劑、採用加熱加壓、冷凍融化等物理手段或利用好氧與厭氧消化等生物技術，破壞泥水間的親和力，使汙泥的比阻抗(或CST)降低，促進汙泥顆粒絮凝，達到改善汙泥脫水性能的目的。化學調理法是目前使用較廣的調理城市汙水汙泥的方法，它是以各種具有混凝作用的化學藥劑(鐵鹽、鋁鹽及聚合電解質等)來調理汙泥，然而，傳統的化學絮凝劑存在一些缺點，如無機低分子混凝劑的吸附混凝反應效率低，導致投加量大，處理費用高；而有機高分子絮凝劑如聚丙烯醯胺則成本高，且其單體丙烯醯胺具有毒性，易造成二次汙染，使其應用受到了限制。近年來，人們在努力尋找新的物質，期望獲得成本低、效果好的汙泥調理劑。
發明內容本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種對城市汙泥調理效果好、成本低、能有效利用廢棄資源的改性粉煤灰，還提供一種工藝簡單、操作方便、設備要求低的改性粉煤灰的製備方法和應用方法，該方法拓寬了汙泥處理過程中化學調理劑的選擇範圍，充分利用了工業生產廢物，提高了粉煤灰的附加值。為解決上述技術問題，本發明提出了一種改性粉煤灰，所述改性粉煤灰是由改性劑硫酸溶液與粉煤灰混合、反應、過濾、乾燥後得到。基於相同的技術構思，本發明還提供了一種改性粉煤灰的製備方法，包括以下步驟將硫酸溶液與粉煤灰混合進行持續攪拌反應，將反應後的混合液過濾、烘乾、粉碎得到改性粉煤灰。在上述的製備方法中，所述硫酸溶液的濃度在公知可選的參數範圍內，優選為2mol/L6mol/L。因為硫酸溶液的濃度過小，對粉煤灰表面的腐蝕程度可能不夠，效果不理想；硫酸溶液濃度過高，則會增加處理的成本，並且對表面腐蝕程度過大，也可能導致粉煤灰的構架改變。在上述的製備方法中，所述硫酸溶液與粉煤灰的混合比例(酸灰比)在公知可選的參數範圍內，優選為每克粉煤灰混配lml5ml硫酸溶液。在上述的製備方法中，所述持續攪拌反應時的攪拌速度優選控制在30r/min40r/min，反應時間優選控制在lh3h。酸灰比過大、酸浸時間過長，則酸液使用量增加，攪拌時間加長，會導致改性成本的增加。反之則可能引起粉煤灰與酸不能充分浸潤，反應時間不足，導致改性效果不理想。上述優化後的各項工藝參數是我們以汙泥比阻值作為評價指標，通過正交試驗法確定出的較優的改性條件。正交試驗設計採用三因素三水平L9(34)正交試驗表，選取的三個因素分別為上述的酸濃度、酸灰比和酸浸時間。本發明提供上述的改性粉煤灰及其製備方法，其目的在於實現上述的改性粉煤灰在城市汙水汙泥調理中的應用。獲得一種成本低、效果好的城市汙水汙泥調理劑，一直是本領域人員所追求的，而那些容易獲得、價格低廉的工業副產品逐漸引起我們的注意，因為利用這些工業副產品作為汙泥調理劑，既可以達到調理汙泥、改善其脫水性能的目的，又可以實現工業廢物的綜合利用。粉煤灰是火力發電廠和城市集中供熱鍋爐的廢物和副產品，世界各國的粉煤灰排放量都呈逐年增加的趨勢，但是粉煤灰的利用率卻保持在較低水平。粉煤灰的主要特點是粒度較小(一般在O.liim10iim的範圍內)，表面疏鬆多孔(眾多微孔和次微孔)，比表面積大，質輕，並且分子結構中存在大量Si-0和Al-0活性基團，能與吸附質化學鍵或離子發生結合，從而產生吸附作用。然而，直接將粉煤灰用於調理城市汙水汙泥時，由於粉煤灰的吸附混凝能力有限，導致粉煤灰投加量大，效果不佳，而我們通過大量篩選、實驗對粉煤灰進行改性，獲得本發明的改性粉煤灰，使用該改性粉煤灰調理城市汙水汙泥能達到很好的技術效果。上述應用的具體方法優選為將所述的改性粉煤灰添加到城市汙水汙泥中，每立方米的城市汙水汙泥中添加所述改性粉煤灰30kg50kg，在室溫下快速攪拌均勻後再進行慢速攪拌，完成對城市汙水汙泥的調理。上述的應用中，所述快速攪拌、慢速攪拌時的溫度均優選控制在20°C30°C。上述的應用中，所述快速攪拌時的攪拌速度優選控制在250r/min300r/min，快速攪拌的時間優選控制在20s40s;所述慢速攪拌時的攪拌速度優選控制在30r/min40r/min，慢速攪拌的時間優選控制在2min3min。與現有技術相比，本發明的優點在於通過使用硫酸改性劑對粉煤灰進行改性處理，使改性後的粉煤灰表面微孔變得粗糙，比表面積增加，其封閉的孔道被打開，孔隙率增加，這些微觀結構和特性的改變使本發明的改性粉煤灰可以有效應用於城市汙水汙泥的調理，拓寬了城市汙水汙泥處理過程中化學調理劑的選擇範圍，也為更好地利用工業廢棄資源粉煤灰提供了新的途徑，具有很好的經濟效益和應用前景。本發明改性粉煤灰的製備和使用方法都相對簡單，容易操作，應用於汙泥的處理後能有效降低汙泥比阻，使汙泥形成顆粒大、空隙多和結構強的濾餅，以利於過濾操作。本發明的應用處理方法具有效果可靠、設備簡單、操作方便、可被長期廣泛採用等優點。圖1為未改性粉煤灰與本發明的改性粉煤灰的場發射掃描電子顯微鏡圖；其中a圖為未改性粉煤灰的場發射掃描電子顯微鏡圖，b圖為本發明改性粉煤灰的場發射掃描電子顯微鏡圖；圖2為本發明實施例2中汙泥比阻值隨改性粉煤灰投加量的變化情況圖；圖3為本發明實施例2中濾餅含水率隨改性粉煤灰投加量的變化情況圖。具體實施方式實施例1:取lkg2kg的原粉煤灰，去除其中的大顆粒物及其他雜質，用120目標準檢驗篩篩分，篩下物在103°C107t:的烘箱中烘4h，於乾燥器中冷卻2h，備用。我們以硫酸濃度、酸灰比和酸浸時間作為本發明改性粉煤灰製備工藝的三個主要變量，每個變量均選取三個不同的量值，即硫酸濃度選取2mol/L、4mol/L、6mol/L三個水平，酸灰比選取1:lml/g、3:lml/g、5:lml/g三個水平，酸浸時間選取lh、2h、3h三個水平，再按以下步驟製備本發明的改性粉煤灰。先稱取9份上述備用的粉煤灰，每份10g，分別置於250ml的玻璃燒杯中，按上述設計的工藝條件，在室溫下(例如2(TC3(TC)先將不同濃度的硫酸溶液與粉煤灰混合反應(滿足上述設計酸灰比條件)，在反應過程中，用六聯攪拌器攪拌，攪拌速度控制在30r/min40r/min，按設計的不同反應時間完成攪拌反應後，將混合產物過濾，將濾紙上截留的粉煤灰在烘箱中於103°C107t:下烘乾至恆重，粉碎，均過120目標準檢驗篩，即得到九種不同製備工藝條件下的九份不同改性粉煤灰產品(工藝參數條件見下表l)。使用前於103°C107"下烘2h，於乾燥器中冷卻，備用。為了觀察和比較不同粉煤灰樣品的結構，將未改性的粉煤灰和改性粉煤灰樣品分別置於場發射掃描電子顯微鏡下觀察。從10000倍場發射掃描電鏡圖(見圖l)中可以看到，原粉煤灰顆粒(見圖l中a圖)為表面光滑的球形顆粒，而本發明改性處理後的粉煤灰(見圖1中b圖)表面變得粗糙，孔隙增多，比表面積增大。取9份100mL汙泥於200mL玻璃燒杯中，分別加入上述各個改性條件下的粉煤灰5g，在室溫條件下，先以250r/min300r/min的轉速快速攪拌20s40s，再以30r/min40r/min的轉速慢速攪拌2min3min。調理後的城市汙水汙泥於布氏漏鬥中真空抽濾脫水，真空壓力控制為0.03MPa，測定出調理後汙泥的比阻值(測定結果如下表1所示)。表1:不同工藝參數條件下製備的改性粉煤灰性能評價表5tableseeoriginaldocumentpage6由上表1可見，表中9份改性粉煤灰中的第5份對城市汙水汙泥的調理效果最優，由此再通過正交試驗方差分析和直觀分析，可得出用於調理汙泥時，硫酸溶液對粉煤灰的最佳改性工藝條件是硫酸濃度為4mol/L、酸灰比為5:lml/g、酸浸時間為3h。此外，由上表l中方差R的變化可知，三個工藝參數變量對改性粉煤灰性能的影響效果的程度為酸濃度>酸浸時間>酸灰比。應用實施例2:某城市汙水處理廠濃縮池中的剩餘汙泥，沉澱2h後去除上清液，測得其含水率為97.84%，比阻值為1.85X10/kg，濾餅含水率為86.90%。取若干份100mL該汙泥分別置於200mL的玻璃燒杯中，每個燒杯中分別加入不同量(投加量按10kg/m3、30kg/m3、50kg/m3、……130kg/m3遞增)的改性粉煤灰(均選用上述實施例1中最佳改性條件下製備的改性粉煤灰)，在20°C30。C條件下，先以250r/min300r/min的轉速快速攪拌20s40s，再以30r/min40r/min的轉速慢速攪拌2min3min。調理後的汙泥於布氏漏鬥中真空抽濾脫水，真空壓力控制為0.03MPa，分別測定各份汙泥的比阻值和脫水後濾餅的含水率。不同投加量的改性粉煤灰調理汙泥後比阻值的變化情況以及脫水後濾餅的含水率變化情況分別如圖2、圖3所示。由圖2可見，本發明的改性粉煤灰使城市汙水汙泥的比阻值下降明顯，按30kg/m3的投加量調理後，汙泥的比阻值即下降到4.23X10"m/kg以下，且隨著投加量的增加，汙泥比阻值還呈現一定幅度的下降趨勢，但投加量大於50kg/tf後下降幅度逐漸變緩。和調理前的汙泥比阻值相比，下降了約兩個數量級。由圖3可見，按30kg/m3的投加量調理後，濾餅含水率下降到65%以下，且隨著投加量的增加，濾餅含水率還呈現一定幅度的下降趨勢，但含水率基本維持在40%以上，汙泥的過濾脫水性能得到了很大改善。而且，本發明以改性粉煤灰作為汙泥調理劑的成本較原有的汙泥調理劑(如聚丙烯醯胺)低，使城市汙水汙泥處理費用顯著降低。權利要求一種改性粉煤灰，其特徵在於所述改性粉煤灰是由改性劑硫酸溶液與粉煤灰混合、反應、過濾、乾燥後得到。2.—種改性粉煤灰的製備方法，包括以下步驟將硫酸溶液與粉煤灰混合進行持續攪拌反應，將反應後的混合液過濾、烘乾、粉碎得到改性粉煤灰。3.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於所述硫酸溶液的濃度為2mol/L6mol/L。4.根據權利要求2或3所述的製備方法，其特徵在於所述硫酸溶液與粉煤灰的混合比例為每克粉煤灰混配lml5ml硫酸溶液。5.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於所述持續攪拌反應時的攪拌速度控制在30r/min40r/min，反應時間控制在lh3h。6.—種如權利要求1所述的改性粉煤灰在城市汙水汙泥調理劑中的應用。7.根據權利要求6所述的應用，其特徵在於，所述應用的具體方法為將所述的改性粉煤灰添加到城市汙水汙泥中，每立方米的城市汙水汙泥中添加所述改性粉煤灰30kg50kg，在室溫下快速攪拌均勻後再進行慢速攪拌，完成對城市汙水汙泥的調理。8.根據權利要求7所述的應用，其特徵在於所述快速攪拌、慢速攪拌時的溫度均控制在20°C30°C。9.根據權利要求7或8所述的應用，其特徵在於所述快速攪拌時的攪拌速度控制在250r/min300r/min，快速攪拌的時間控制在20s40s;所述慢速攪拌時的攪拌速度控制在30r/min40r/min，慢速攪拌的時間控制在2min3min。全文摘要本發明公開了一種改性粉煤灰，該改性粉煤灰是由改性劑硫酸溶液與粉煤灰混合、反應、過濾、乾燥後得到。本發明的改性粉煤灰可以有效應用於城市汙水汙泥的調理，具有調理效果好、成本低、有效利用廢棄資源等優點。文檔編號B01J20/02GK101695649SQ20091030942公開日2010年4月21日申請日期2009年11月9日優先權日2009年11月9日發明者張盼月,曾光明,董金華,陳桂秋,陳暢亞申請人:湖南大學;