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《哈尔滨工业大学》 2010年
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水滑石型污泥脱水剂的制备及污泥脱水性能

綦峥  
【摘要】: 随着城镇化进程的加快,城镇污水也逐年增加,城镇污水处理厂的大量兴建随之带来大量污泥的集聚与排除,因此污泥处理问题十分突出。含水量高的污泥首先需要添加污泥脱水药剂和配合机械脱水来加速脱出污泥间隙水。目前普遍使用的聚阳离子丙烯酰胺类污泥脱水药剂不仅价格昂贵,而且配制困难、容易粘污器壁、残留药剂难以降解,造成了二次污染,且脱水效率有限(经过脱水后的污泥含水率仍在80~85%),这样致使处理后的污泥量大,二次处理能耗高、运转经济成本大,只好使用污泥掩埋处理方式,不仅占用土地,而且对环境不友好,本论文针对以上问题研制了新型的污泥脱水剂。 通过比较了已被使用的蒙脱石、累托石之后,提出了使用已能大规模工业化生产的镁铝水滑石及其化学修饰物为新的无机活性物种,利用其二维纳米尺寸的主体层板带正电荷的特征,及二维纳米尺寸的主体层板沿着第三维方向有序排列时仅靠较小的氢键缔合力形成“滑石”,容易剥离的特点,经过去碳酸化反应及膜透析化学修饰,得到氯化镁铝双核氢氧化物叠层片簇(Mg3Al-Cl-LDH)和氢氧化镁铝双核正电溶胶叠层片簇(Mg3Al-LDHEPCL),二者皆保留了水滑石主体基础板块与所带的高密度正电荷。通过分子设计,利用Mg3Al-Cl-LDH的规整晶体结构与高分散性能做无机接枝骨架,与丙烯酰胺类单体进行接枝聚合;借助Mg3Al-LDHEPCL叠层片间羟基的碱性与丙烯酸/丙烯酸钠反应,控制丙烯酸的比例,用酯键形成时高能量实施剥离插层,将叠层片剥离成7~9层晶片簇的同时,生成剥离插层前驱体单体,再与丙烯酰胺类单体进行插层共聚。由此用接枝聚合与插层聚合两种手段,将结构规整、晶形优异的水滑石基础板块与丙烯酰胺类高效功能基团聚合在一起,首次应用水滑石于聚合领域中,开创了丙烯酰胺类单体分子与无机晶体板块团簇融合的两种新技术。 为实施接枝聚合与插层聚合两种分子融合新技术,研究了已有的聚合实施方法,借助水滑石正电胶叠层片簇带正电荷能稳定超浓乳液体系获得更高Fd值的特征,创建了“在高百分数比的多面液胞中进行超浓乳液聚合”的创新实施方法,不仅提高了乳液产物的有效分含量,还克服了乳液产物经常析出油相的弊病;另一方面,利用水滑石及其化学修饰物分散性好极易分散成纳米级晶体层片簇,可形成细小凝胶滴或淤浆滴的特点,创建了“在泡沫分散体系中聚合”的创新实施方法。 对新的水滑石杂化型污泥脱水剂脱水效率的实验研究中,发现借助水滑石及其化学修饰物主体板块叠层晶片簇的集聚与崩解作用,能加强丙烯酰胺类有机高效功能基团对污泥脱水附加的功能。依据对污泥脱水的超效能实验结果,提出了理论假设:“在使用过程中,由于两性分子中的有机组分-CONH2等功能团对污泥团的吸附使无机板块层间间隙被拉大,更因为与污泥团负离子的电荷中和与屏蔽作用,二者复合致使无机板块叠层片间结合力被显著削弱,污泥脱水剂分子中的Mg3Al-Cl-LDH或Mg3Al-LDHEPCL叠层片团簇将自动崩解,生成多个次级叠层片簇为载体的次级污泥脱水剂分子,同时生成Mg(OH)2和Al(OH)3,次级污泥脱水剂分子的生成无疑增加了单位体积中污泥脱水剂的分数,而Mg(OH)2和Al(OH)3生成后的沉淀过程起到了无机小分子混凝剂作用。单位体积中污泥脱水剂分数的增加及Mg(OH)2、Al(OH)3分子的混凝作用产生了附加污泥脱水效果”。这一理论假设,本研究用Mg3Al-Cl-LDH或Mg3Al-LDHEPCL叠层片团簇模拟分解法进行了初步证实。 本论文应用分子设计与创新合成方法实现了水滑石杂化型阳离子化聚丙烯酰胺类乳剂与固体粉剂两类试样的合成。通过实验室的评估与测定,合成试样比现行的污泥脱水剂CPAM的脱水率提高2~3%,使污泥的体积减少20%左右。通过机械脱水后污泥含水率可达到75%以下,解决了污泥后续处理过程中造成巨大的经济负担和技术难题。而且价格相对低廉,使用配制容易,乳剂型只要注入水就可直接转化为水溶液,粉剂型加水不结团,配制过程可控性好,耗能较小,不会像CPAM因需长时间机械搅拌而引起分子链的降解。尤为突出的是由于水滑石主体结构板块的引入,不仅在使用中因其自行崩解,减少药剂的投放用量,而且残余药剂因崩解而自行消失,实现环境友好的目标。
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