干污泥表面形貌及孔隙分布規(guī)律*

張忠梅 孫春華 樓 軍 金孝祥 趙培濤葛仕福 劉長燕

（1.浙江富春江環(huán)保熱電股份有限公司 2.東南大學能源與環(huán)境學院)

干污泥表面形貌及孔隙分布規(guī)律*

張忠梅**1孫春華1樓 軍1金孝祥1趙培濤2葛仕福2劉長燕2

（1.浙江富春江環(huán)保熱電股份有限公司 2.東南大學能源與環(huán)境學院)

污泥干燥焚燒以回收其熱能的資源化利用正受到越來越多的關注。污泥干燥過程中，孔隙的大小及其分布直接影響污泥中液體及氣體的傳遞過程，進而影響干燥速率。為研究干污泥表面形貌及孔隙分布規(guī)律，采用掃描電子顯微鏡觀測了干污泥表面形貌，利用動態(tài)氮吸附法測量了干污泥的孔隙大小。利用數(shù)理統(tǒng)計方法研究了孔隙分布規(guī)律，研究結果表明干污泥的孔隙分布服從對數(shù)正態(tài)分布。建立了孔隙分布模型，求解了5種干污泥的孔隙分布特征參數(shù)，模型計算值與實際測量值吻合較好，均方根誤差小于18.2%，所建立的干污泥孔隙分布模型具有一定的通用性及準確性。

干燥 干污泥 表面形貌 孔隙分布規(guī)律

0 前言

污泥是污水處理的副產品，不僅產量大，而且成分極其復雜，若處理不當，會造成二次污染。同時，作為二次資源，其資源化利用已經成為當今國內外廣泛關注的課題之一。無論是熱能利用，制復合肥，還是用作建材或其它化工原料，減少含水率是關鍵，污泥干燥或半干燥成為污泥資源化利用的第一步[1]。絕大多數(shù)干污泥是多孔物料，研究多孔物料干燥機理常采用的Whitaker宏觀控制方程[2]，實際上是一種體積平均意義上的近似，它把實際過程的復雜性轉化到某些未知參數(shù) （如有效擴散系數(shù)、有效導熱系數(shù)等）上，這些參數(shù)無法直接測定。將多孔物料作為各向同性的介質來建立多相流傳熱傳質方程，本身存在一定的缺陷。事實上多孔物料固相具有一定的框架，絕不是各向同性，水分擴散必然會受框架的影響而改變大小及方向。因此，孔隙的大小及其分布規(guī)律是多孔物料的重要結構特征，它直接影響多孔物料中液體及氣體的傳遞過程[3-6]。通過對干污泥的形貌及孔隙分布展開研究，可以了解污泥干燥過程中的相關傳遞特性。

國內外在冶金、陶瓷、塑料、催化劑等多孔材料的孔徑測量方法及孔隙分布規(guī)律等方面進行了較多的研究。對材料孔徑及其分布的測定方法主要有：斷面直接觀測法、氣泡法、透過法、氣體吸附法、壓汞法、X射線和中子的小角度散射等[7-10]。但干污泥的孔隙采用何種方法測量沒有見過報道，對其孔隙分布規(guī)律的研究也較少。本文采用掃描電子顯微鏡對干污泥表面形貌進行觀察實驗，利用動態(tài)氮吸附法測量其孔隙大小，研究其分布規(guī)律，探究干污泥形態(tài)特征對干燥過程的影響，為污泥的資源化處理提供理論指導。

1 干污泥表面形貌實驗觀察

1.1 被測樣品

污泥取自不同污水處理廠的脫水間，采用惰性粒子流化床干燥后，再在80℃真空下烘干數(shù)小時，得到本文的研究樣品。不同樣品的來源及性質如表1所示。

表1 污泥樣品的來源及性質

1.2 觀察結果

采用Sirion 200型掃描電子顯微鏡 （scanning elactren microscope）對被測樣品表面形貌進行觀察實驗，其分辨率為1.5 nm，放大倍率為20萬～30萬倍。

圖1、圖2分別示出了樣品1、樣品5干燥后的形貌放大圖?？梢钥闯觯涸诜糯蟊稊?shù)較小時，孔隙分布不明顯；但當放大倍數(shù)較大時，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，干污泥是由大小不等的孔隙構成的多孔介質。

圖1 印染污泥干品 （樣品1）放大形貌

圖2 造紙污泥干品 （樣品5）放大形貌

2 干污泥孔隙半徑的測量

2.1 測試方法和儀器

為了保證測量精度，對于不同的孔徑范圍應采用不同的測量方法。在干燥過程中，可將物料中的孔隙通道視為當量毛細管，其大小可用當量毛細管半徑r來表示。毛細管中潤濕壁面的液體與汽（氣）體之間的界面呈下彎的凹液面形，此彎曲液面上的飽和蒸汽壓pv與平液面上的飽和蒸汽壓ps是不相同的。Kelvin定律將彎曲液面上的蒸汽分壓pv與平液面上的飽和蒸汽壓ps的關系表示成下式：

式中，σl、R、ρl、T分別為表面張力、氣體常數(shù)、液體密度和溫度。對于水和水蒸氣，標準狀態(tài)下其值 分 別 為 0.073 1 N/m、 461.5 J/（kg·K）、 998.2 kg/m3、 293 K。

假設液態(tài)水在毛細管中保持完全潤濕狀態(tài)，即潤濕角θ=0，則在標準狀態(tài)下式 （1）可寫成：

從式（2）可知：當 r=1×10-7m 時， φ=0.99， 說明孔隙中水液面蒸汽分壓pv與平液面上的飽和蒸汽壓ps基本相同。以r=10-7m為界，可將毛細管分為微毛細管 (r＜10-7m)和大毛細管 (r＞10-7m)。對于污泥干燥過程，影響內部傳遞特性的主要是微毛細管，該范圍孔徑的測量通常采用靈敏度高、技術先進的動態(tài)氮吸附法測定。

本文采用動態(tài)氮吸附測量儀測量干污泥的孔隙半徑，所用的氮氣壓力比pv/ps調節(jié)范圍為0.05～0.98，控制精度達99.9%，氮、氦氣體的純度大于99.99%，測試精度高、重現(xiàn)性好，重復性誤差小于3%。

2.2 干污泥孔隙半徑的測量結果

采用動態(tài)氮吸附法對表1中5種樣品的孔隙半徑進行了測量，圖3示出了樣品1的孔隙分布曲線。由圖3可見，在線性坐標系中，孔隙大小分布為非線性關系。為研究孔隙分布特征，應在非線性坐標系中研究孔隙分布規(guī)律。

圖3 樣品1的孔隙分布曲線

3 干污泥孔隙分布規(guī)律

為了尋找孔隙分布規(guī)律，將樣品1（見圖3）及其它樣品的孔隙分布曲線分別作在不同的坐標系中，結果發(fā)現(xiàn)，在對數(shù)正態(tài)坐標系中，孔隙分布函數(shù)與孔隙直徑呈線性關系，如圖4所示。在對數(shù)正態(tài)坐標系中，對5種樣品的孔隙分布進行線性回歸，求取每種樣品的相關統(tǒng)計參數(shù)，結果如表2所示?？梢钥闯觯?種樣品中，線性相關系數(shù)R2最小的是樣品4，為0.946，其余樣品的線性相關系數(shù)R2均大于0.987，說明這幾種干污泥的孔隙分布基本上都服從對數(shù)正態(tài)分布，這與其他研究者對土壤、脫硫劑孔隙分布的研究結果一致[11-16]。

為了獲得孔隙分布的數(shù)學表達式，假設干污泥的孔隙的半徑分布是連續(xù)的，孔的形狀為圓柱形，且孔隙分布函數(shù)f(r)具有對數(shù)正態(tài)分布形式，為：

圖4 對數(shù)正態(tài)坐標系中干污泥樣品的孔隙分布

表2 線性回歸結果

式中，μ為孔隙分布函數(shù)的均值，代表了孔隙半徑的取值中心；σ為孔隙分布函數(shù)的方差，代表了孔隙半徑r的可能取值與均值μ的偏差的疏密程度。

模型方程 （4）中的均值μ、方差σ與對數(shù)正態(tài)坐標系中回歸的直線斜率K、截距B的關系為：

將表2中的線性回歸結果代入式（5）及式（6），即可求得各樣品孔隙分布函數(shù)的特征參數(shù)。

根據(jù)上述方法，求得各樣品孔隙分布特征參數(shù)如表3所示?？梢钥闯觯?種樣品的孔隙均值在2～4.5 nm之間，屬于微孔范圍。一般來講，均值μ大的多孔物料，其平均孔隙半徑大，內部擴散阻力小，且降速干燥的傳質勢 （即毛細管中液面蒸汽分壓pv）大，所以降速干燥速率大，降速干燥時間短；方差σ小的多孔物料，孔隙半徑集中在均值μ附近，特別小的孔隙所占份額少，降速干燥時間短。5個樣品中，樣品1的均值最大且方差最小，相同條件下，降速干燥速率最大，干燥處理最容易；樣品4的均值最小且方差最大，干燥處理最困難。

表3 干污泥孔隙分布函數(shù)的σ、μ值

將表3中的方差σ和平均值μ代入式 （4），可求解不同孔隙直徑下的累計孔隙率Φ (r)。將計算值Φ (r)與實際測得的孔隙半徑r所對應的孔隙率相比較，如圖5所示。5種樣品中，實際測量值與理論計算值相比，最大標準誤差僅為18.2%，其中的3種小于9%，可見理論預測值與實際測量值吻合度較好，文中建立的干污泥孔隙分布模型具有一定的通用性和準確性。

圖5 幾種干污泥孔徑分布的測量值與理論值的比較

4 結論

（1）采用掃描電子顯微鏡對干污泥表面形貌進行觀察，得到了印染污泥及造紙污泥干燥后的形貌放大圖，發(fā)現(xiàn)干污泥是由大小不等的孔隙構成的多孔介質。

（2）采用動態(tài)氮吸附法測量了5種干污泥的孔隙半徑，結果表明5種污泥樣品的孔隙均值為2～4.5 nm，屬于微孔范圍。

（3）干污泥的孔隙分布基本服從對數(shù)正態(tài)分布，建立了孔隙分布數(shù)學模型，求解了5種干污泥的孔隙分布特征參數(shù)。

（4）比較了模型方程的計算值與實際測量值，兩者均方根誤差最大僅為18.2%，兩者吻合度較好，所建立的干污泥孔隙分布模型具有一定的通用性和準確性。

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Surface Morphology and Pore Size Distribution of Dried Sludge

Zhang Zhongmei Sun Chunhua Lou Jun Jin Xiaoxiang Zhao Peitao Ge Shifu Liu Changyan

Sludge drying and incineration for energy recovering has

more and more attention in recent years.The size and distribution of pores directly affect the transfer properties of liquid and gas in the sludge during drying process.In this paper,SEM (scanning electron microscope)was employed to observe the surface morphology and the Dynamic-Nitrogen-Adsorption method was used to measure pore size of the dried sludge.Then the data was analyzed with mathematical statistics.The results showed that the pore distribution of dried sludge obeyed the lognormal distribution.A theoretical model was built to solve the pore distribution parameters of five kinds of dried sludges.The root mean square error was less than 18.2%,implying a good agreement was reached between the experimental data and the theoretical calculating values.It also indicated that the model proposed in this study was accurate and practicable.

Drying;Dried sludge;Surface morphology;Pore distribution

TQ 028.6

水體污染控制與治理科技重大專項 （2010ZX07319-002）。

**張忠梅，男，1962年生，工程師。富陽市，311418。

2012-08-03）