基于響應(yīng)面法優(yōu)化的飛灰中氯鹽磁化水浸出條件及機(jī)理研究

彭祥玉,田家怡,王宇斌,郝 銳,張 帥,李淑芹

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院,陜西 西安710055)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,城市垃圾產(chǎn)生量逐年增加。目前,我國垃圾無害化處理的主要方式有衛(wèi)生填埋、堆肥處理和焚燒發(fā)電等,其中焚燒處理技術(shù)應(yīng)用最廣[1-3]。然而,垃圾焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生3%～10%的副產(chǎn)物飛灰,這是一種含有大量有害物質(zhì)的粉狀細(xì)微顆粒,已被列為“危廢”(編號HW-18)[4]。因此,開展飛灰的資源化利用研究,對于實(shí)現(xiàn)飛灰的無害化和資源化具有重要意義。

飛灰無害化處置主要采用水泥固化技術(shù),該技術(shù)具有操作方便、設(shè)備簡單等優(yōu)勢,但飛灰中含有的高濃度氯鹽會(huì)降低水泥等資源化產(chǎn)品的質(zhì)量,導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備腐蝕結(jié)皮[5-6]。因此,降低飛灰中的氯鹽含量是實(shí)現(xiàn)飛灰無害化處置的關(guān)鍵。近年來,飛灰中氯鹽去除的方法主要有水洗法、化學(xué)浸提法和熱處理法等[7-8]。其中,水洗法是一種廉價(jià)、簡單的飛灰脫氯技術(shù),并已在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。羅智宇等[9]探索了利用水洗法去除飛灰中的氯鹽,結(jié)果表明,當(dāng)液固比為3、水洗時(shí)間為30 min時(shí),飛灰中氯鹽的去除率在85%左右。張曙光等[10]采用水浸法去除飛灰中的氯鹽,發(fā)現(xiàn)在浸泡1～3 d后才可進(jìn)入高溫煅燒工藝流程。水洗工藝去除飛灰中氯鹽的效率較低,且時(shí)間較長。為此,有些學(xué)者將膜分離技術(shù)和超聲預(yù)處理水技術(shù)用于去除飛灰中的氯鹽。雖然這些方法均可提高氯鹽的去除效率,但洗滌工藝操作復(fù)雜,且流程長,不利于飛灰的大規(guī)模工業(yè)化處理。因此,開發(fā)綠色低成本的輔助技術(shù)對飛灰的工業(yè)化處理具有現(xiàn)實(shí)意義。

磁化預(yù)處理技術(shù)作為一種物理手段具有環(huán)保、能耗低的優(yōu)點(diǎn),在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)以及凈化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。蔡明蕾等[11]研究發(fā)現(xiàn),為黃瓜幼苗澆灌磁化水具有改善其生長或生理活動(dòng)的作用。王真等[12]研究發(fā)現(xiàn),磁化水可提高輝鉬礦粗選作業(yè)的回收率。李淑芹等[13]研究發(fā)現(xiàn),利用交變頻磁場制備的磁化水可提高混凝土抗裂性能。相關(guān)研究[11-13]表明,對水進(jìn)行磁化預(yù)處理后,水中形成了新的氫鍵網(wǎng)絡(luò),從而改變了水的團(tuán)簇結(jié)構(gòu);磁化水與普通水相比,其密度、黏度較小,具有更強(qiáng)的活性以及更好的溶解能力和滲透能力。由此可見,通過磁化預(yù)處理可以改變水的性質(zhì)。

基于此,本文采用水洗工藝探究磁化水體系下飛灰中氯鹽的去除效果,設(shè)計(jì)了Box-Behnken試驗(yàn),建立了線圈匝數(shù)、電流頻率及固液比3個(gè)因素與飛灰中氯鹽浸出率之間的數(shù)學(xué)模型,并利用響應(yīng)面分析法分析各因素之間的交互作用,明確最佳工藝條件。通過表面張力和黏度分析,進(jìn)一步證實(shí)磁化水可以有效提高飛灰除氯效果。研究成果可為磁化水體系下飛灰中氯鹽的浸出研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用城市生活垃圾焚燒飛灰取自上海某垃圾焚燒發(fā)電廠,飛灰采用袋式除塵器收集,在105 ℃下干燥后密封保存;試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。為了解飛灰中主要元素的含量,對其進(jìn)行了化學(xué)多元素分析,結(jié)果見表1。

表1 飛灰化學(xué)多元素分析結(jié)果 單位:%

由表1可知:飛灰中的主要元素為Ca、Cl、Na等;CaO在飛灰中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為27.94%;Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了18.72%,其可能以氯鹽(KCl、NaCl等)的形式存在。由此可見,飛灰資源化利用前需要采用水浸工藝去除氯鹽,以提高飛灰綜合利用效率。

1.2 試驗(yàn)儀器

MHS-5200A型信號發(fā)生器,鄭州明禾電子科技有限公司;S-75-24型整流器,浙江華晶整流器有限公司;24V/60W水泵,湖北晨光泵業(yè)股份有限公司;HJ-4B型雙數(shù)顯恒溫磁力攪拌器,常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司;TDL-80-2B臺式離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠;PIC-20型離子色譜儀,青島普仁儀器有限公司;QBZY-2系列全自動(dòng)表面張力儀,上海聚宏儀器設(shè)備有限公司;Haake Mars 40型旋轉(zhuǎn)流變儀,賽默飛世爾科技(中國)有限公司。

1.3 水浸試驗(yàn)

水浸試驗(yàn)所用的水需先作磁化預(yù)處理,具體步驟為:將500 mL自來水倒入纏繞銅漆包線的燒杯中,此燒杯外壁連接水泵(水循環(huán))與信號發(fā)生器(可調(diào)節(jié)電流頻率等參數(shù)),利用交變電流產(chǎn)生的交變磁場對燒杯內(nèi)的水進(jìn)行磁化,磁化裝置見圖1;將制備好的磁化水與飛灰按照一定比例在常溫(25 ℃)下攪拌(400 r/min),并水浸20 min;水浸結(jié)束后進(jìn)行過濾、洗滌,收集并測量濾液體積,采用離子色譜儀對濾液中氯離子進(jìn)行測定,最后計(jì)算飛灰中氯鹽的浸出率。

圖1 磁化裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

在磁化時(shí)間為20 min、波形為正弦波的條件下,探索線圈匝數(shù)、電流頻率及固液比對飛灰中氯鹽浸出率的影響規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 各因素對氯鹽浸出率的影響

據(jù)文獻(xiàn)[14]報(bào)道,線圈內(nèi)部的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)成正比,外加磁場可引起水的性質(zhì)發(fā)生改變,使水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氫鍵斷裂或重組,離子擴(kuò)散速度加快[15]。由圖2a可知:隨著線圈匝數(shù)的增加,飛灰中氯鹽的浸出率升高;當(dāng)線圈匝數(shù)為130 N時(shí),氯鹽浸出率高達(dá)89.45%,隨后增幅減小;當(dāng)線圈匝數(shù)繼續(xù)增至150 N時(shí),氯鹽浸出率為89.56%。因此,后續(xù)試驗(yàn)取線圈匝數(shù)為130 N。

據(jù)文獻(xiàn)[16]報(bào)道,電流頻率在一定范圍內(nèi)增大可以影響感應(yīng)電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布,從而影響氯鹽浸出率。由圖2b可知:當(dāng)電流頻率從0.30 kHz增至0.90 kHz時(shí),飛灰中氯鹽的浸出率增幅較小;當(dāng)電流頻率從0.90 kHz增至1.20 kHz時(shí),飛灰中氯鹽的浸出率增幅明顯增大;當(dāng)電流頻率為1.50 kHz時(shí),氯鹽浸出率高達(dá)91.30%;繼續(xù)增大電流頻率,氯鹽浸出率增幅變小。因此,后續(xù)試驗(yàn)取電流頻率為1.50 kHz。

由圖2c可知:隨著固液比的增大,飛灰中氯鹽的浸出率先升高后降低;當(dāng)固液比為0.30時(shí),飛灰中氯鹽的浸出率最高,為92.25%;當(dāng)固液比繼續(xù)增大時(shí),飛灰中氯鹽浸出率逐漸降低。因此,后續(xù)試驗(yàn)取固液比為0.30。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 Box-Behnken設(shè)計(jì)與模型擬合

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果,自變量線圈匝數(shù)(X1)、電流頻率(X2)和固液比(X3)的取值見表2。采用Design-Expert 8.0.6軟件中的Box-Behnken Design(BBD)模型對3個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn),并以飛灰中氯鹽浸出率為響應(yīng)值Y,建立各因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果見表3。對表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析,得到磁化水水浸飛灰中氯鹽浸出率模型,其氯鹽浸出率和因素水平值的二次多項(xiàng)式回歸方程為:Y=70.245 49+0.370 21X1-14.115 46X2+32.019 57X3+0.035X1X2+0.137 5X1X3+52.583 33X2X3-2.057 93×10-3X12-3.285 43X22-126.782 61X32。此外,對表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見表4。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素及水平

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)回歸方程方差分析結(jié)果

F值和P值被廣泛用于判定模型項(xiàng)的顯著性,F值越大、P值越小(<0.05)表示方程項(xiàng)越顯著[17]。由表4可知,響應(yīng)回歸模型的F=40.21,P<0.000 1,表明此模型具有較高的顯著性。另外,失擬項(xiàng)P=0.115 9>0.05,無顯著性差異,說明該回歸方程可信度高,模型擬合度較高。由表4中各因素水平的P值可以看出,對飛灰中氯鹽浸出率的影響程度排序?yàn)閄3>X2X3>X1X2>X1>X1X3>X2。其中,方程的一次項(xiàng)X3、交互項(xiàng)X2X3均為顯著因子(P<0.01)。由此可見,在磁化水水浸飛灰過程中,固液比對氯鹽去除效果的影響較大,其次為線圈匝數(shù)。

基于二次多項(xiàng)式回歸方程,并結(jié)合表3中的試驗(yàn)參數(shù),可得飛灰中氯鹽的浸出率預(yù)測值,將其與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行線性擬合分析,結(jié)果見圖3。

圖3 氯鹽浸出率預(yù)測值與實(shí)測值對比

由圖3可知,飛灰中氯鹽的浸出率預(yù)測值與實(shí)測值吻合程度良好(R2=0.981 0),說明該模型擬合度較高,能反映各影響因素與響應(yīng)值之間的相關(guān)關(guān)系。

2.2.2 響應(yīng)曲面分析

為了更直觀地了解各因素之間的交互作用對氯鹽浸出率的影響,采用軟件Design-Expert 8.0.6繪制不同組合因子與氯鹽浸出率之間的等高線圖和響應(yīng)曲面圖(見圖4)。

圖4 氯鹽浸出率等高線圖和響應(yīng)曲面圖

響應(yīng)面等高線圖可以直觀地反映各因素對響應(yīng)值的影響,以便找出最佳工藝參數(shù)。

相關(guān)研究[18-19]表明,響應(yīng)面圖的曲面坡度越陡、等高線圖越接近橢圓形,則兩因素的交互作用越顯著,反之則越不顯著。由圖4可知,各因素的交互作用對飛灰中氯鹽浸出率的影響在所選范圍內(nèi)均存在最大值,故各因素對浸出率都有較大影響。其中X1X2和X1X3坡面較平緩,X2X3曲面最陡,說明X2(電流頻率)和X3(固液比)的交互作用對磁化水水浸飛灰氯鹽的浸出率影響較大。另外,根據(jù)二階回歸方程中的交互項(xiàng)系數(shù)絕對值大小也可判斷各因素交互作用對飛灰氯鹽浸出率的影響程度。綜上所述,在磁化水水浸飛灰氯鹽過程中,各因素對浸出率影響最大的交互關(guān)系為X2(電流頻率)和X3(固液比),這與表4中的方差分析結(jié)果一致。

2.3 優(yōu)化條件下的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

利用 Design-Expert 8.0.6軟件對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合,得到飛灰中氯鹽浸出效果最佳工藝條件為:固液比0.40,線圈匝數(shù)116 N,電流頻率1.50 kHz。在此條件下開展了3次驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果見表5。

表5 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,飛灰中氯鹽的浸出率平均值為92.90%,與預(yù)測值93.465%的相對誤差僅為0.565%。由此可見,該模型可較準(zhǔn)確地預(yù)測磁化水水浸飛灰氯鹽的浸出率。

2.4 磁化水強(qiáng)化氯鹽水浸效果的作用機(jī)理

為了揭示磁化預(yù)處理對水的性質(zhì)及其對飛灰中氯鹽浸出效果的影響,利用表面張力和黏度探索磁化預(yù)處理前后水性質(zhì)的變化規(guī)律。由上可知,線圈匝數(shù)對氯鹽浸出率的影響較大,因此對不同線圈匝數(shù)磁化水的表面張力和黏度性質(zhì)進(jìn)行檢測,結(jié)果見圖5。

圖5 不同線圈匝數(shù)磁化水的表面張力和黏度檢測結(jié)果

由圖5a可知:隨著線圈匝數(shù)的增加,磁化水的表面張力減小;當(dāng)線圈匝數(shù)為0(未磁化預(yù)處理)時(shí),水的表面張力為62.03 mN/m;線圈匝數(shù)增至130 N時(shí),磁化水的表面張力為57.54 mN/m;若持續(xù)增加線圈匝數(shù),磁化水的表面張力無明顯減小。相關(guān)研究[20]表明,磁化預(yù)處理可以影響電子間相互作用,使水中部分氫鍵斷裂從而導(dǎo)致氫鍵網(wǎng)絡(luò)團(tuán)簇結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,水分子間氫鍵作用不斷弱化使得內(nèi)部水分子對表面分子層分子的作用力減弱,水的表面張力減小。浸出溶液表面張力減小使得浸出溶液的運(yùn)動(dòng)阻力也減小,從而強(qiáng)化了浸出溶液的流動(dòng)和傳質(zhì)作用[21]。由圖5b可知:隨著線圈匝數(shù)的增加,磁化水的黏度減小;當(dāng)線圈匝數(shù)為0(未磁化預(yù)處理)時(shí),水的黏度為1.136 66 mPa·s;當(dāng)線圈匝數(shù)增至130 N時(shí),磁化水的黏度最小,為0.848 01 mPa·s;繼續(xù)增加線圈匝數(shù),磁化水的黏度無明顯變化。由此可見,磁化預(yù)處理使水分子間的相互作用減弱并使流體的黏滯性、阻力減小,加快了水分子在料漿中的擴(kuò)散及水分子對飛灰顆?？紫兜臐B透,從而提高了飛灰中氯鹽的浸出效果[22]。

3 結(jié)論

a.線圈匝數(shù)、電流頻率及固液比與飛灰中氯鹽的浸出率之間的回歸方程為Y=70.245 49+0.370 21X1-14.115 46X2+32.019 57X3+0.035X1X2+0.137 5X1X3+52.583 33X2X3-2.057 93×10-3X12-3.285 43X22-126.782 61X32;在磁化水水浸飛灰過程中,3個(gè)因素對氯鹽浸出率的影響程度由大到小依次為固液比、線圈匝數(shù)、電流頻率。

b.響應(yīng)面分析結(jié)果表明,磁化水水浸飛灰氯鹽的最佳工藝條件為:固液比0.40,線圈匝數(shù)116 N,電流頻率1.50 kHz。在此條件下進(jìn)行了3次平行試驗(yàn),氯鹽的浸出率平均值為92.90%,與預(yù)測值接近。由此可見,基于響應(yīng)面法建立的模型準(zhǔn)確度較高。

c.磁化預(yù)處理水可以有效減小水溶液的表面張力和黏度,從而加快水分子在料漿中的擴(kuò)散及水分子對飛灰顆?？紫兜臐B透,強(qiáng)化飛灰氯鹽的浸出效果。