泥漿快速化學(xué)脫穩(wěn)與固液分離試驗(yàn)研究

冷凡，莊迎春，劉世明，陳兵

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240;2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310014)

鐵路橋梁施工過程中的保護(hù)孔壁、井壁壓力平衡和冷卻鉆頭等處理工藝常需采用泥漿進(jìn)行，這些廢棄泥漿使用后留在施工現(xiàn)場，如儲存池滲漏、溢出和淹沒都會引起地下水和地表水污染，并危及周圍的生態(tài)環(huán)境。因而，需對廢棄泥漿進(jìn)行無害化處理。固液分離法是國內(nèi)外常用的膨潤土廢棄泥漿的處理方法，其中最具發(fā)展前景的固液分離法是利用化學(xué)脫穩(wěn)與固液分離原理處理廢棄泥漿，用該方法處理廢棄泥漿，不僅可以有效地減少廢棄泥漿的體積，同時也解決了廢棄泥漿液對環(huán)境的污染問題。

現(xiàn)在國內(nèi)外常用的固液分離方法有:1)通過機(jī)械物理方法脫穩(wěn)［1］;2)利用工業(yè)石膏的水化作用［2］;3)添加高分子絮凝劑(或其他固化助劑)，加入廢水中，產(chǎn)生壓縮雙電層，使廢水中的懸浮微粒失去穩(wěn)定性，膠粒物相互凝聚使微粒增大，形成絮凝體。絮凝體長大到一定體積后即在重力作用下脫離水相沉淀，從而去除廢水中的大量懸浮物，從而達(dá)到水處理的效果［3］。以現(xiàn)有的泥漿脫水固化技術(shù)，為使泥漿可以進(jìn)一步進(jìn)行固化處理，對泥漿初步固液分離的程度有一定的要求，其初步要求的含水率在100%左右［4］，故本次實(shí)驗(yàn)以含水率100%作為絮凝脫穩(wěn)的預(yù)期目標(biāo)。

現(xiàn)有的泥漿固液分離研究主要集中在絮凝劑的選擇上，且往往針對某種特定性質(zhì)的較低含水率(通常低于150%)泥漿，而對不同機(jī)理絮凝劑的混合使用，以及助劑對高含水率泥漿絮凝效果的影響的研究還比較少。

本文在確定有機(jī)高分子絮凝劑作為主要絮凝劑的基礎(chǔ)上，輔助添加一定量的助劑，通過考察在一定絮凝時間后剩余泥漿的含水率得到含水率的變化曲線，并觀察上層清液的懸浮顆粒狀況，比較了絮凝劑與助劑共同作用的絮凝脫穩(wěn)效果，以期對工程實(shí)際中的泥漿處理提供一定的參考意見。

1 泥漿化學(xué)脫穩(wěn)試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 絮凝劑

本研究中選用了4種高分子絮凝劑，如下:

1)絮凝劑A:聚環(huán)氧乙烷，分子量2 300×104，為白色粉末;

2)絮凝劑B:聚環(huán)氧乙烷，分子量4 500×104，為白色粉末;

3)絮凝劑C:聚環(huán)氧乙烷，分子量9 000×104，為白色粉末;

4)絮凝劑D:對比絮凝劑，即PAM(聚丙烯酰胺，分子量 150×104～2 000×104)，為白色粉末，是工業(yè)中常用高分子絮凝劑.

絮凝劑藥液制備:分別取500 g水與1.5 g不同的絮凝劑，邊攪拌邊加入，經(jīng)過幾個小時，絮凝劑完全溶解形成濃度為0.3%的清液。

1.1.2 助劑

1)水泥:42.5級普通硅酸鹽水泥，其28 d抗壓強(qiáng)度為57.5 MPa，礦物組成見表1;

2)粉煤灰:上海吳涇發(fā)電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，具體成分見表1;

3)減水劑:萘系高效減水劑，液態(tài);

4)聚合氯化鋁:黃色粉末。

表1 膠凝材料化學(xué)成分質(zhì)量百分比Table 1 Chemical mass composition of cementitious materials %

1.1.3 泥漿泥樣

泥樣取自浙江一瀕海工地，為粘性土，天然含水量較高，有機(jī)質(zhì)的含量較高，將采集到的泥樣烘干粉碎后，與水按照質(zhì)量比調(diào)配制成含水率400%的泥漿備用。

1.2 試驗(yàn)方法

采用燒杯絮凝實(shí)驗(yàn)法，具體步驟為:取一定數(shù)量的燒杯，分別加入經(jīng)充分混勻的調(diào)配泥樣，以一定次序加入絮凝劑和助劑，快速攪拌20 s，慢速攪拌30 s，靜置一段時間后，待有明顯的固液分離現(xiàn)象之后，每隔一定時間，量取分層后的上層清液，用下式得到泥漿當(dāng)前含水率:

式中:m1為原體系中含水質(zhì)量，m2為處理后上層清液質(zhì)量，m為干土質(zhì)量。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 EP 絮凝劑影響

在泥漿試樣，分別加入絮凝劑A、B、C、D藥液，藥液投加量為泥漿總質(zhì)量的0.02%，處理后泥漿含水率隨時間變化曲線見圖1。從圖1可見:絮凝劑C的絮凝脫穩(wěn)效果顯著地優(yōu)于其他絮凝劑，處理后的泥漿含水率較其他試樣低50%～75%。根據(jù)高分子絮凝劑的作用機(jī)理，其中起主導(dǎo)作用的絮凝機(jī)理是“架橋”作用，即當(dāng)有機(jī)高分子物質(zhì)濃度較低時，吸附在顆粒表面上的高分子長鏈同時吸附在另一個顆粒的表面上，通過“架橋”的方式將2個或更多的微粒聯(lián)在一起，形成比較大的絮團(tuán)，從而導(dǎo)致絮團(tuán)沉降，達(dá)到絮凝脫穩(wěn)的效果［5］，絮凝機(jī)理如圖2所示。

圖1 4種高分子絮凝劑的絮凝效果Fig.1 The results of different flocculating agents

以絮凝劑C作為研究對象，探討了其投放量對絮凝效果的影響。圖3給出了絮凝劑C不同投放量對泥漿脫穩(wěn)效果的影響。從圖中可見，絮凝劑C存在一個最優(yōu)投放量，并非其投放量越大其快速脫穩(wěn)效果越佳，在本研究中，其最佳投放量為0.018%，在實(shí)驗(yàn)條件下，該試樣較其他試樣更快地降低了含水率，固液分離的效率更高，可見越高分子量的絮凝劑，脫穩(wěn)效果越佳。

圖2 絮凝機(jī)理示意圖Fig.2 The mechanism of flocculation

圖3 絮凝劑投放量對絮凝效果的影響Fig.3 Effects of dosages of flocculating agents

2.2 助劑的影響

2.2.1 助劑種類影響

考慮到泥漿脫穩(wěn)后通常需要進(jìn)行固化處理，而泥漿本身是一種穩(wěn)定的膠體體系，加入一些無機(jī)的礦物成分，有助于打破這種膠體體系，加速其快速脫穩(wěn)和固化。為此，本研究在選用絮凝劑C并采用最佳投放量的基礎(chǔ)上，加入幾種不同的無機(jī)助劑，投放順序?yàn)槭紫韧斗艥M足最優(yōu)投放比例的絮凝劑，充分?jǐn)嚢柚蠹尤胍欢康闹鷦?，投放量為泥漿質(zhì)量的0.8%。不同助劑對泥漿快速脫穩(wěn)效果影響，見圖4。

水泥與聚合氯化鋁在實(shí)驗(yàn)條件下都取得了不錯的絮凝脫穩(wěn)效果，處理后的泥漿含水率較單獨(dú)添加減水劑的試樣低25%，較單獨(dú)添加粉煤灰的試樣低200%;由于作用時間較短，反應(yīng)不充分，粉煤灰并沒有產(chǎn)生很明顯的固液分離效果;單獨(dú)添加減水劑，減小了絮團(tuán)大小，上層清液更加清澈，但是對固液分離效果的提高并不十分明顯。

聚合氯化鋁:常用的無機(jī)絮凝劑，主要作用機(jī)理為電中和。在實(shí)驗(yàn)中，添加聚合氯化鋁的試樣的固液分離的效率較高，最終的脫穩(wěn)效果較佳。

圖4 4種助劑對絮凝效果的影響Fig.4 The results of different additives

粉煤灰:粉煤灰的主要氧化物組成為 SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等［6］。其中的鋁，硫，硅都是無機(jī)絮凝劑的主要組成成分，加以一定條件下的處理，可作為絮凝劑使用［7］，粉煤灰所發(fā)揮的固液分離作用，主要在于其中溶出的鋁、鐵 等帶正電荷的離子在泥漿膠體體系中，不僅能起到電中和的作用，而且與非離子表面活性劑形成高分子聚合物，隨著縮聚反應(yīng)的不斷進(jìn)行，聚合物的電荷會不斷增加，最終使膠體脫穩(wěn)凝聚。在實(shí)驗(yàn)中，并沒有產(chǎn)生明顯的效果，其絮凝效果反而比未加入無機(jī)助劑更差，其原因如下:1)單獨(dú)添加的粉煤灰本身結(jié)構(gòu)致密，未與原混合物中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其中的活性成分未得到激活;2)絮凝劑發(fā)生絮凝反應(yīng)，需要足夠的土顆粒表面積，懸浮的粉煤灰附著于下層的土顆粒上，反而阻礙了絮凝劑與土顆粒的充分接觸，從而減弱了絮凝效果。

水泥:普通硅酸鹽水泥主要是由 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分組成［8］。水泥與泥漿混合后，與泥漿的水產(chǎn)生水化和水解作用，首先生成氫氧化鈣和多水硅酸鈣。二者都能迅速溶解與水中，逐漸使泥漿中自由水飽和形成膠體，另一方面，使水泥顆粒表面重新露出，再與土中的水發(fā)生作用形成水化物，如此反復(fù)，即通過水泥與水之間的化學(xué)反應(yīng)結(jié)合自由水，從而使得其與泥土顆粒之間脫離，起到固液分離的作用。水泥的脫穩(wěn)效果也比較顯著，其曲線基本與聚合氯化鋁相重合。

減水劑:水泥加水拌合后，由于水泥顆粒分子引力的作用，使水泥漿形成絮凝結(jié)構(gòu)，使10%～30%的拌合水被包裹在水泥顆粒之中，不能參與自由流動和潤滑作用，從而影響了混凝土拌合物的流動性。當(dāng)加入減水劑后，由于減水劑分子能定向吸附于水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同一種電荷(通常為負(fù)電荷)，形成靜電排斥作用，促使水泥顆粒相互分散，絮凝結(jié)構(gòu)破壞，釋放出被包裹的部分水，使之參與流動，從而有效地增加混凝土拌合物的流動性［9］，同時“打散”泥漿膠體體系與“水泥水化物籠”，使得絮凝劑高分子得以與泥土顆粒充分接觸，自由水也得以排出。在單獨(dú)添加減水劑的試樣中，泥漿絮團(tuán)明顯較其他試樣小，可見減水劑在其中起到了激發(fā)泥漿顆粒表面活性的作用。

綜上，助劑所起的作用大致可分為2類:1)本身即作為絮凝劑參與泥漿脫穩(wěn)，如聚合氯化鋁和粉煤灰;2)在與水或者其他助劑的作用中，其產(chǎn)物一定程度上促進(jìn)了絮凝劑與泥漿體系的相互反應(yīng)，加速了泥漿膠體體系脫穩(wěn)的進(jìn)程，如水泥與減水劑?？紤]到助劑本身的摻量不多以及成本問題，另外在工程實(shí)際中，水泥也常作為土壤固化劑應(yīng)用，故此后的助劑實(shí)驗(yàn)主要圍繞水泥展開。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整水泥的加入量:水泥投入量分別為泥漿質(zhì)量的 0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.2%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 5，水泥的水化本身也會消耗部分自由水，使之變成結(jié)合水而難以脫離體系，因而泥漿處理后的含水率與水泥的投入量并非完全正相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)條件下，最佳的水泥投入量為泥漿質(zhì)量的1%，較之其他試樣，固液分離的效果更高，而最終的含水率也低25%～100%。

而根據(jù)減水劑的作用機(jī)理，除減絮團(tuán)大小，并使上層清液中固含量更低之外，在之后的固化處理中，其主要作為土壤顆粒分散劑，減小脫穩(wěn)后泥樣的孔隙大小，并使得孔隙分布更均勻，故在之后的實(shí)驗(yàn)中，在添加了水泥作為主要助劑的情況下，加入了適量的減水劑，以增強(qiáng)固液分離的效果，并為之后的固化處理做準(zhǔn)備。

圖5 水泥投入量對絮凝效果的影響Fig.5 The effects of dosages of cement

2.2.2 投放順序的影響

在之前實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，選擇水泥，減水劑作為助劑，投入量分別為泥漿質(zhì)量的1%(水泥);水泥質(zhì)量4%(減水劑)，調(diào)整高分子絮凝劑與助劑的投放順序:順序1為首先加入絮凝劑C，充分?jǐn)嚢韬蠹尤胨?，再次充分?jǐn)嚢瑁詈笤偌尤霚p水劑;順序2為減水劑→水泥→絮凝劑C;順序3為水泥→絮凝劑C→減水劑;順序4為水泥→減水劑→絮凝劑C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 助劑投放順序?qū)π跄Ч挠绊慒ig.6 The results of different sequences of additives

可見，順序4較其他試樣更快地降低了含水率，其固液分離的效率更高，在0～2 min，已經(jīng)大幅地降低了泥漿的含水率，且其最終含水率也較其他試樣低35%～85%，因而在本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)條件下，最優(yōu)的投放順序是順序4，即:水泥→減水劑→絮凝劑。

根據(jù)污泥脫水相關(guān)研究［10］，水泥作為一種固化劑，在前期加入污泥之后，會減小泥餅的壓縮性，并固定連通孔隙，使得絮凝處理后的自由水更容易通過孔隙排出。本實(shí)驗(yàn)中所用到的高含水率泥漿，在單獨(dú)加入水泥后，得到了較好的固液分離效果，濾出上層清液之后，在下層的泥漿混合物中，水泥起到了一定骨架構(gòu)建的作用，混合物中的孔隙被初步“固化”。而減水劑的加入，促使水泥顆粒相互分離，釋放出被“骨架”所包裹的部分水，從而起到了連通孔隙的作用，二者共同起到了“助凝”的作用。反應(yīng)機(jī)理環(huán)環(huán)相接，故存在較優(yōu)投放順序，若不按照一定的投放順序，則相當(dāng)于助劑與絮凝劑分別單獨(dú)作用，并不能起到很好的混雜效應(yīng)。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:

1)通過實(shí)驗(yàn)確定了效果較好的絮凝劑，分子量大的絮凝劑有著更好的脫穩(wěn)效果，通過調(diào)整絮凝劑的投入量，得到了絮凝劑C在實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)投放量。

2)通過與不同助劑的混雜，得到了高分子絮凝劑與不同助劑間的混雜效應(yīng)，其中，水泥有著較好的效果，當(dāng)水泥摻量在泥漿質(zhì)量的1%時，效果最佳。減水劑的加入可以減小絮團(tuán)大小，對脫穩(wěn)以及之后的固化處理也起著促進(jìn)作用。

3)試劑的投放順序?qū)δ酀{的絮凝脫穩(wěn)效果也有著很大的影響。

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