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污泥制备陶粒轻集料及其热动力学特性研究

何必繁  
【摘要】:污泥(sewage sludge)是污水处理过程产生的主要副产物,因其含有大量致病菌和重金属而往往具有长期毒性和不可降解性,对于污泥的处理处置和资源化利用研究一直以来都是深受关注的重大课题。 本次研究通过X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析、激光粒径分析、氮气静态吸附比表面积测试与孔径分析、原子吸收分光光度法、TG-DSC综合热分析法和量热仪燃料热值分析等技术手段研究污泥、粉煤灰、河道底泥以及陶粒配方坯料球的物理、化学及热反应动力学特性表征;根据描述试样物质主要热反应阶段特征的最概然机理函数,采用二次多项式非线性拟合方法模拟TGA变化趋势。根据正交实验设计方法,结合适宜烧制膨胀型陶粒的最佳原材料化学组成设计坯料配合比实验,通过重复实验找寻烧制污泥陶粒的最佳物料配合比;以正交实验设计方法开展弧叶型旋转窑烧制陶粒轻集料的焙烧工艺参数最优化研究,探索焙烧工艺参数影响陶粒主要产品性能品质的变化规律。 结合前文研究所得烧制污泥陶粒的最佳原材料质量配合比以及烧制污泥陶粒的弧叶型旋转窑焙烧工艺参数,依托中型弧叶型旋转窑开展烧制污泥陶粒轻集料放大实验实验研究,分析焙烧流程烟道气体产生特征;通过附带X射线微区能谱分析设备的扫描电子显微镜观察陶粒产品表面、剖面的微观结构特征以及产品微区元素含量分析;全面分析了污泥陶粒产品的建材特性品质和环境安全性指标;简要论述了污泥陶粒的应用范畴。 通过以上各方面的研究得到以下主要结论: 1)实验用污泥试样的挥发性固体含量约为32.09%;样本的粒径大致呈现正态分布,其粒径处于39.9μm~1002.37μm范围的污泥颗粒物占总量的89.1%,平均粒径为235.793μm;BET比表面积较小,多孔结构不明显。污泥可能包含的官能团物质有:水合结晶物、CO_3~(2-)、酰胺类C=O、SiO_4~(2-)、-CH_3、R_2CH_2和苯环异构体基团物质等;干基污泥的结晶度不高,样本中含有一定量砂粒,含有粘土类矿物质,所含晶体种类主要为α-石英相。 2)随着升温速率的增大,污泥试样最大失重速率以及最大失重速率对应的转 化率单调减小,达到最大失重速率的温度单调升高;试样总失重率受升温速率的影响无明显规律可循;污泥试样综合燃尽特性指数随升温速率提高单调减小。试样在空气氛围下的热反应过程遵循独立而又平行开展的简单热反应机理模式;最概然机理函数绘制的模拟TGA曲线能够精确揭示实验TGA曲线的热失重变化过程。污泥试样的干燥无灰基热值约为23.25 MJ/kg,具有燃料价值,能够在一定条件下实现自持燃烧。 3)实验用粉煤灰的硅、铁、钙等主要元素的百分含量稍高于我国粉煤灰含量的平均值,铝和氧元素的含量以及烧失量低于平均水平;粉煤灰的堆积密度为835.24 kg/m~3,其粒径分布大致呈现正态分布,平均粒径为106.504μm;粉煤灰试样的BET比表面积较小,约为0.56 m~2/g;其BJH平均孔径为7.4982 nm,孔容仅为0.001027 cm~3/g,多孔结构不明显。粉煤灰试样在空气氛围、不同升温速率下存在一个主要的热失重阶段。 河道底泥主要氧化物含量与粘土背景值比较接近,主要存在碳酸盐、硅酸盐化学基团物质;底泥样本的BET约为13.0893m~2/g,BJH平均孔径为12.39552nm;孔容仅有0.041187cm~3/g,试样多孔结构不明显,样本平均粒径为38.25μm。试样总的热失重率较小且随升温速率的影响变化规律不明显。 4)实验获得最佳坯料配合比干基(wt%)为:污泥/粉煤灰/河道底泥=25%/15%/60%,最优化工艺参数分别为:预热温度350℃、焙烧终温1190℃、升温速率36K·min~(-1)、保温时间1min以及窑体旋转速率18π·min~(-1);按照坯料配比和最优工艺参数开展烧制污泥陶粒放大实验研究,制得陶粒产品外观呈现浅棕褐色,产品圆润且颗粒大小相对均匀;测得焙烧流程烟道气体最高温度为306.75℃,烟道所含气体浓度极大值分别为:SO_2为30.07mg/m~3,NO为17.93 mg/m~3、NO_2为2.06mg/m~3、CO为88.39mg/m~3;均符合大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)之污染物综合排放标准浓度限值规定。 5)测试了陶粒产品的主要建材品质以及陶粒浸出毒性,结果显示陶粒产品可做建材用且产品符合环境安全性要求;实验试配陶粒混凝土强度等级LC30混凝土标准件,在室温20±2℃,相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28天后的抗压强度为30.0MPa,符合LC30强度等级陶粒混凝土要求;干基混凝土试件的导热系数为0.75 W·(m*K)~(-1)保温隔热性能优异。 6)配方坯料球试样总的热失重率随升温速率的增加而单调减小,DSC曲线峰值温度随升温速率的提高而单调升高,综合燃尽特性指数随升温速率提高单调减小,配方坯料球在空气氛围、不同升温速率下的热反应服从各主要热反应进程独立而平行开展的简单热反应机理模式,模拟TGA曲线准确描述实验TGA曲线变化趋势。陶粒产品主要的物相构成包括石英(SiO_2)、方石英(SiO_2)、蓝晶石(Al_2SiO_5)、高温钠长石(NaAlSi_3O_8)和类似多铝红柱石(Al_6Si_3O_(13))的Al-Si-O结构等;重金属化合物(如铅、锰氧化物等)含量较少,其中石英是陶粒的主要物相构成。


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