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盾构泥基陶粒的制备及其吸附性能研究

摘 要:针对盾构泥含水率高以及综合利用的问题,研究了 pH 值、助滤剂种类( GPB、粉煤灰、石膏、谷糠) 和压力对含水率影响,以及加入添加剂( AlCl3、ZnCl2、Fe2O3、Fe3O4、NH4HCO3 ) 烧制成陶粒对亚甲基蓝溶液COD 去除的效果。试验结果表明,4 种助滤剂中改性酰胺絮凝剂( GPB) 能更有效地降低盾构泥的含水率; 在pH 值为 4 且压力值为 800 Pa 的条件下,加入 GPB 可以将含水率值从 38. 89% 降至 24. 40% ; 添加剂筛选试验表明,通过添加 NH4HCO3 烧制的陶粒能有效降低亚甲基蓝溶液的 COD; 添加剂用量试验表明,通过添加10% NH4HCO3 焙烧而成的陶粒能够将亚甲基蓝溶液中的 COD 值从 162.75mg /L 降到 90.64mg /L。
  根据《城市轨道交通 2018 年度统计和分析报告》,截至 2018 年底,中国大陆地区共有 35 个城市开通城市轨道交通运营线路,其中地铁运营线路 4354.3km,占比 75.6% ;有 53 个城市在建地铁线路规模达5315.6km,规划地铁线路总长达 6118.8km。地铁给我们带来便利出行的同时,其建设往往会产生大量的高含水率盾构泥,盾构泥的高效脱水以及产生固废的合理利用是地铁建设可持续发展亟待解决的难题。
  目前国内针对盾构泥水的处置方式大多是如图1 所示,直接外运至渣土收纳场进行简单粗颗粒筛分处理后,粗粒用作建材,细粒在沉降脱水后运往堆场晾晒,但是由于盾构泥中含水率通常高于 80%,造成运输成本居高不下,而到目前为止,还未见可实现泥水在施工坑口快速分离技术的报道。为解决盾构泥脱水效率低的问题,国内学者主要通过絮凝过滤的方法加速脱水过程,但脱水后盾构泥的含水率依然较高。
  盾构泥成分与淤泥、污泥等类似,元敬顺等研究了提高淤泥掺量以取代页岩掺量对陶粒性能的影响,刘爽等研究了以污水厂污泥、河道淤泥和粉煤灰为原料,制备陶粒轻集料的配方和技术参数。另外考虑到盾构细泥比表面积大,吸附能力强,将其制备成陶粒用于工业水处理领域,会具有极高的社效益和经济效益。 
  本文以湖南某地铁盾构泥为原料,提出了与传统工艺流程不同的新工艺流程,研究了在不同助滤剂条件下盾构泥过滤脱水后的含水率以及以其为原料烧制成陶粒进行水处理的效果。
1 原料性质及试验方法
1. 1 原料性质
  试验所用盾构泥原料取自湖南某地铁线,原料矿物组成分析见表 1,原料粒度分布见表 2,原料的X 射线衍射图谱见图 2。
  由表 1、表 2 和图 2 可知,原料主要成分为石英跟高岭石,两者含量相加可达 80% 左右,且盾构泥原料的粒度较粗。
 1. 2 药剂仪器
  过滤脱水试验用的 pH 值调整剂为硫酸和氢氧化 钠,均 为 分 析 纯; 粉煤灰主要成分为 SiO2 和Al2O3,含量分别为 60. 21% 和 31. 29% ,石膏主要成分为无水硫酸钙,含量为 92. 31% ,谷糠主要成分是稻壳,pH 计是 pHS - 3E 型; 干燥箱是 101 - 2A 型电热鼓风干燥箱; 焙烧炉是 RSY - 12 - TB 型氧化、还原高温反应装置; 恒温振荡器是 SHA - 82A 数显水浴恒温振荡器; COD 测试仪是 HACH - DR 3900。
1. 3 试验方法
  过滤脱水试验:首先将盾构泥筛分,取 - 200 目粒级的盾构泥浆 1L 于烧杯中,分别添加 5g 的 GPB、粉煤灰、石膏、谷糠,调节 pH 值为所需值后搅拌 5min,然后过滤称量滤饼质量,此质量为湿重,将样品放入 50℃烘箱中烘至样品质量不再变化,称量滤饼质量,此质量为干重,由此根据式( 1) 计算含水率( 注: 盾构泥原料含水率为 46. 52% ) 。
  含水率( % ) =(m2 - m1)/m2 ( 1)
  式中: m2—盾构泥湿重,g,m1—盾构泥干重,g。
  陶粒的制备试验: 取 10 g 脱水烘干后的盾构泥分别与 0.5 g AlCl3、ZnCl2、Fe2O3、Fe3O4、NH4HCO3以及适量的水混匀搅拌制成球,然后放入到 105 ± 5℃的烘箱中脱水 2 h,之后将其取出放入到焙烧炉中,预热温度为 500 ℃,持续时间为 20 min,焙烧温度为 1 230 ℃,持续时间为 15 min。
  吸附试验: 称取 1. 191 g 亚甲基蓝溶于 1 L 蒸馏水中配成 1 000 mg /L 的亚甲基蓝标液,取50 mL 100mg/ L 的亚甲基蓝溶液于250 mL 锥形瓶中,称取5 g 陶粒于锥形瓶中,将其置于恒温振荡器,设定转速为 120r/min,等温震荡时间为 3 h,将震荡后的溶液通过离心机,在3 000 r/min 下运行10 min,取上清液测 COD。
2 试验结果与讨论
2. 1 过滤脱水试验
2. 1. 1 pH 值试验
  在无压力无添加剂条件下,用氢氧化钠和硫酸调整盾构泥浆的 pH 值,考察盾构泥浆的 pH 值对其过滤脱水后含水率的影响。如图 3 所示,在 pH 值大于 4 时,盾构泥过滤脱水后的含水率随着 pH 值的升高逐渐增加,当 pH 值小于 4 时,盾构泥过滤脱水后的含水率变化不大,所以 pH 值小于 4 有利于降低盾构泥过滤脱水后的含水率,因此后续脱水过滤试验均选择 pH 值为 4。
2. 1. 2 助滤剂种类试验
  在调节盾构泥浆的 pH 值为 4 以及无压力的条件下,比较加入 GPB、粉煤灰、石膏、谷糠对盾构泥脱水过滤后含水率的影响,试验结果见图 4。
  从图 4 可以得出,粉煤灰、石膏以及谷糠对降低盾构泥含水率的影响不太明显,这可能是因为在含水率不高的情况下,水分主要以结合水为主,即使过滤时加入这些助滤剂后在烘箱里干燥也无法将结合水去掉。效果最佳的 GPB 能将其含水率从38. 89%降至 30. 23%,这可能是因为通过添加助滤剂可以提高盾构泥的沉降性能,破坏盾构泥固体颗粒外胞外聚合物结构进而释放盾构泥中的结合水。
2. 1. 3 过滤压力试验
  由图 4 可知,在 pH 值为 4 且有助滤剂条件下,过滤脱水后的含水率在添加 GPB 时效果较好。因此,在 pH 值为 4 且添加 GPB 的条件下,考察压力大小对盾构泥过滤脱水后含水率的影响,结果如图 5所示。
  由图 5 可以看出,在 pH 值为 4 时,无论是否添加 GPB,盾构泥过滤脱水后含水率均会随着压力的增大而减小,这说明在压力有利于盾构泥脱水。在添加 GPB 的基础上再施加不同压力,盾构泥过滤脱水后含水率会相应的进一步降低。
2. 2 陶粒的制备与应用
2. 2. 1 陶粒的制备
  温度是陶粒制备的关键因素。焙烧前的预热是为了除去坯体中残余的水分,为生料球表层的软化做准备,同时降低烧胀前料球中碳元素的质量分数,以达到最佳烧胀的效果。升温速率以及焙烧温度都会影响最终烧制的陶粒性质。所以,在经过一系列的试验后,确定了预热温度为 500 ℃,持续时间为 20 min,焙烧温度为 1 230 ℃,持续时间为15min 的方案,最终烧制的一种陶粒见图 6。 
2. 2. 2 陶粒在亚甲基蓝溶液中的吸附试验
  陶粒由于具有比表面积大、丰富的孔隙结构以及低污染等特性被广泛的应用于水处理中。因为亚甲基蓝中含有的 S 原子易与 Fe、Al、Zn 原子结合,NH4HCO3 会受热分解在陶粒内部产生孔,故选择在盾构泥中添加 Fe2O3、Fe3O4、AlCl3、ZnCl2、NH4HCO3 来烧制陶粒。BET 法测试结果表明,未加入添加剂烧制而成的陶粒比表面积为 0.309m2/g,孔容为 0.002cc /g,孔径为 4.221 nm,加入10% 用量的 NH4HCO3 烧制成的陶粒比表面积为6.376m2/g,孔容为 0.154cc /g,孔径为 140.262nm,以盾构泥为主要原料烧制的陶粒降低亚甲基蓝 COD 值的试验结果见图 7。
  从图 7 可以看出,只以盾构泥为原料烧制而成的陶粒就可以将亚甲基蓝的 COD 值从 162.75mg /L 降到106.67mg /L,而加入 AlCl3、ZnCl2、Fe2O3、Fe3O4 混合烧制成的陶粒处理后 COD 值反而高于106.67 mg /L,这可能是因为加入这些药剂后不利于陶粒内部孔的产生; 加入 NH4HCO3 与盾构泥混合焙烧后,能将 COD 值进一步降低到90.64mg/L,这可能是因为加入 NH4HCO3 会让陶粒内部产生更多的孔,有利于对亚甲基蓝的吸附; 直接以相同质量的-200目盾构泥对亚甲基蓝吸附效果比造成陶粒之后效果好,但是陶粒在吸附后更容易与溶液分离,未造粒的盾构泥与溶液分离极为困难。
  根据图7 得出的结论,对 NH4HCO3 的用量进行了进一步探讨。仍按照上述介绍中制备陶粒的方法,不同 NH4HCO3 用量焙烧而成的陶粒处理亚甲基蓝后的 COD 值见图 8。
从图 8 可以看出,10% 用量的 NH4HCO3 效果最佳,能将亚甲基蓝溶液的 COD 值从 162. 75 mg /L 降至 50. 21 mg /L,而随着 NH4HCO3 用量的增加,反而亚甲基蓝溶液的 COD 值又变大,这可能 是因为NH4HCO3 用量过大,造成陶粒内部的气孔过大而不利于吸附亚甲基蓝。
3 结 论
 ( 1) 过滤脱水试验表明,pH 值低于 4 的条件下盾构泥过滤后的含水率低,此时,添加 GPB 和添加压力均可以有效地降低盾构泥过滤后的含水率。
 ( 2) 陶粒在亚甲基蓝溶液中的吸附试验表明,在 AlCl3、ZnCl2、Fe2O3、Fe3O4 以及 NH4HCO3 这 5 种药剂中,添加 NH4HCO3 烧制的陶粒能有效降低亚甲基蓝溶液的 COD;NH4HCO3 用量为 10% 焙烧而成的陶粒能够比其他用量更好的去除亚甲基蓝溶液中的 COD。

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