復(fù)合型絮凝劑CaCl-APAM-PAC快速處置高含水率泥漿試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：X799.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2025）04-0234-09

Experimental study on rapid disposal of high moisture content mud by composite floccunt CaCl₂ -APAM-PAC

MA Yingjian1a， FANG Zhou1a，CHENG Huifeng1b， SU Bin1b， PENG Xiaochuang2， NIEXiaoqing2，LIANG Dengqin1a，QIN Xinhao1a，HEBin1a （la.CollegeofCivil Engineering;1b.ColegeofChemical Engineeringand Technology，Taiuan UniversityofTechnology， Taiyuan O3O024，P.R.China;2.Shanxi Academy of Building Sciences Group Co.，Ltd.，Taiyuan O3Ooo1，P.R.China）

Abstract：In engineering construction，waste mud often contains an extremely high water content that car

Received：2023-04-01

significantly impact the environment.Addressng the issue of dehydration is therefore a primary concern.To address the problem of high water content mud water separation，this study selected three types of flocculants CaCl₂ ， anionic polyacrylamide （APAM）and poly aluminum chloride （PAC），and then designed a 3-factor and 4- level orthogonal experiment using the comprehensive balance method.Indicators such as the 48-hour dehydration amount and pH value of the supernatant were selected，and range analysis and variance analysis were conducted to find the optimal combination of composite flocculants.The flocculation mechanism was also discussed through orthogonal test results and SEM microanalysis. The experimental results showed that dividing the dehydration rate curve over time into high，medium，and low dehydration zones，as wellas fast and slow dehydration stages，led to adecrease in the overall mud dehydration rate.However，the high dehydration zone group had a higher dehydration rate at 12h ，which met the requirements for fast dehydration. Additionally， the three flocculants showed some synergistic effect.Through range analysis of variance analysis orthogonal tests，the optimal combination of composite flocculants was found to be 0.25gCaCl₂+0.12gAPAM+0.17g PAC per 100g total mass of slurry. Based on the mechanism analysis，the flocculation process of composite flocculants was divided into five stages： charge neutralization stage，bridging stage，adsorption agglomeration stage，network sedimentation stage，and solidification enhancement stage.

Keywords： orthogonal experiment; composite flocculant; high moisture content mud; flocculation mechanism

泥漿是一種泥水混合物，主要由水、外加劑、膨潤(rùn)土顆粒及黏性土顆粒組成[1。隨著城市化進(jìn)程的穩(wěn)步推進(jìn)，各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于發(fā)展的高峰期。泥漿由于其護(hù)壁、清孔等作用被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的廢棄泥漿，給環(huán)境治理帶來(lái)了難題[2]。廢棄泥漿主要來(lái)源于鉆孔灌注樁施工、地下連續(xù)墻施工及盾構(gòu)掘進(jìn)施工等，其中鉆孔灌注樁施工領(lǐng)域產(chǎn)生的廢棄泥漿最多[]。這種泥漿往往含水量極高，以黏性土顆粒為主，具有高孔隙率、低承載力和高壓縮性等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差，不能直接回收利用，自然堆放又會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大污染。由此可見(jiàn)，尋找一種合適的方法快速處理廢棄泥漿已刻不容緩。

目前，工程上對(duì)廢棄泥槳的治理方法主要有外運(yùn)自然干化法、直接排放法、絮凝固液分離法及固化就地掩埋法等[3]。其中，外運(yùn)自然干化法成本較高，對(duì)填埋場(chǎng)周邊環(huán)境污染大；直接排放法僅適用于對(duì)周邊環(huán)境無(wú)較大影響且各項(xiàng)排放指標(biāo)均符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的少量廢棄泥漿；固化就地掩埋法不適用于含水率較高的工程泥漿。因此，絮凝固液分離法是處理含水率較高廢棄泥漿的常用方法，能較好地降低其含水率，便于后續(xù)處理。李春林等4研究了聚丙烯酰胺（PAM）類(lèi)有機(jī)絮凝劑對(duì)黏粒含量較高廢棄泥漿脫水性能的影響，結(jié)果表明，不同種類(lèi)PAM類(lèi)絮凝劑對(duì)泥漿含水率有不同的影響；邱青長(zhǎng)等5通過(guò)量筒沉積試驗(yàn)研究了高分子聚合物對(duì)吹填淤泥沉積的影響，結(jié)果表明，高分子PAM具有良好的絮凝效果；宋苗苗等通過(guò)量筒沉積試驗(yàn)研究了鈣質(zhì)絮凝劑對(duì)含水率較高的吹填淤泥自重特性的影響，結(jié)果表明，鈣質(zhì)絮凝劑會(huì)減少沉積穩(wěn)定時(shí)間，而不同的絮凝劑性質(zhì)對(duì)沉積穩(wěn)定沉降量有不同的影響。總之，有關(guān)絮凝劑處理廢棄泥漿的研究并不少見(jiàn)，但大多是針對(duì)單一絮凝劑的研究。

對(duì)于復(fù)合絮凝劑的研究，Zhang等通過(guò)正交試驗(yàn)，找出了復(fù)合絮凝劑陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺（CPAM）、陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）和聚合氯化鋁（PAC）處理污泥的最佳配比；耿朋飛等8通過(guò)正交設(shè)計(jì)，研究了復(fù)合絮凝劑（粉煤灰、十二烷基硫酸鈉等）對(duì)泥槳脫水性能的影響。但這些研究所用泥漿的含水率多在 50%～100% 之間，對(duì)于更高含水率泥漿的復(fù)合絮凝劑鮮有研究。

常見(jiàn)的絮凝劑包括有機(jī)絮凝劑和無(wú)機(jī)絮凝劑。鈣質(zhì)絮凝劑如（ CaCl₂ ）具有物美價(jià)廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)；APAM具有絮凝效果好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)；PAC雖然單獨(dú)添加的絮凝效果不太明顯，但有助于其他絮凝劑發(fā)揮作用[9]

筆者通過(guò)正交試驗(yàn)，找出處理高含水率泥漿（含水率約為 200% ）復(fù)合絮凝劑 CaCl₂ APAM和PAC的最佳配比；并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果及SEM微觀分析研究復(fù)合絮凝劑對(duì)高含水率泥漿脫水性能的影響及絮凝機(jī)理。

試驗(yàn)材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

1. 1.1 工程廢棄泥漿

試驗(yàn)所用廢棄泥漿取自甬臺(tái)溫高速至沿海高速溫嶺聯(lián)絡(luò)線工程的鉆孔灌注樁施工過(guò)程，施工孔號(hào)為ZKS147；該區(qū)域?yàn)楹７e平原區(qū)，系溫黃平原，以細(xì)粒土為主，因此取樣具有一定代表性。泥漿的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。根據(jù)《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》[%，該泥樣屬于高液限黏土（CH）。級(jí)配曲線如圖1所示。由圖1可知，不均勻系數(shù) C_u=8.35gt;5 ，但曲率系數(shù) C_c=0.73lt;1 ，因此泥樣級(jí)配不良；黏粒的含量約為 33% ，粉粒的含量約為 65% ，砂粒的含量約為 2% ，即粒徑小于 75μm 的顆粒含量約占98% ，是一種典型的細(xì)粒土，其中，約 80% 的顆粒粒徑小于絮凝臨界粒徑 30μm^[11] ，可以用于絮凝試驗(yàn)研究。

1.1.2 化學(xué)試劑

無(wú)水氯化鈣（ CaCl₂ 來(lái)自天津市北辰方正試劑廠，化學(xué)純；陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）來(lái)自鞏義市新奇聚合物有限公司， M_r=1800 萬(wàn)，白色粉末，溶解時(shí)間 45min ；聚合氯化鋁（PAC）來(lái)自鞏義市新奇聚合物有限公司，鹽基度 85.1% ，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30.0% ；試劑的外觀照片如圖2所示。

1.1.3 試驗(yàn)儀器

100mL 塑料量筒17個(gè)，頂置式攪拌機(jī)（IKAEUROSTAR200），防水電子天平（FA2004E（N）），掃描電子顯微鏡（EVO18），pH計(jì)（PHS-3C），玻璃棒和保鮮膜若干。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1泥漿初始含水率的測(cè)定

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]，由泥樣有機(jī)質(zhì)含量小于 5% 可知，可采用烘干法測(cè)定含水率。將試樣盒放在電子天平上，稱取質(zhì)量 m₀ ，取泥樣 20g 左右于稱量盒中，立即蓋好盒蓋，記錄讀數(shù) m₁ ；揭開(kāi)盒蓋放入烘箱中，保持溫度 105^°C 穩(wěn)定， ^10h 后拿出稱量盒，蓋上盒蓋，待冷卻至室溫后稱量質(zhì)量 m₂ ，則泥樣含水率計(jì)算公式為

式中： w 為泥樣含水率； m₀ 為盒子的質(zhì)量； m₁ 為初始泥樣和盒子總質(zhì)量； m₂ 為烘干后泥樣和盒子的總質(zhì)量。

分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取算術(shù)平均值。

1.2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了通過(guò)盡量少的試驗(yàn)次數(shù)找到3種絮凝劑的最優(yōu)組合，采用正交試驗(yàn)方法。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定各絮凝劑的摻量，如表2所示，其中，絮凝劑摻量為絮凝劑質(zhì)量與泥漿總質(zhì)量的比值。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3因素4水平正交試驗(yàn)，即 L₁₆（4³） ，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組[13]，如表3所示。

具體正交試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）取桶裝泥漿，上下晃動(dòng)，左右搖動(dòng)，避免試驗(yàn)過(guò)程中桶裝泥槳沉底，造成含水率的變化，故需一次性取夠試驗(yàn)?zāi)酀{，待桶裝泥漿混合均勻后，沿著杯壁緩緩倒入大燒杯中待用。

2）將 2000mL 塑料量杯放在電子天平上清零后，沿著杯壁緩緩倒入試驗(yàn)?zāi)酀{（可用玻璃棒引流），直至天平讀數(shù)約為 300g 。在取泥槳前可人工攪拌大燒杯中的泥漿，以防泥漿沉底。

3）根據(jù)所取試驗(yàn)?zāi)酀{實(shí)際量和表3的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻量百分比，計(jì)算所需試劑的質(zhì)量。用藥匙挖取試劑后，放在稱量紙上，用防水電子天平分別稱量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，為減少無(wú)水氯化鈣與空氣之中水分的接觸時(shí)間，可選擇最后稱取。

4）將稱量的試劑與試驗(yàn)?zāi)酀{混合，用攪拌機(jī)攪勻。設(shè)置頂置式攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速 600r/min ，時(shí)間 1min 。

5）沿著量筒壁（盡量避開(kāi)刻度位置，以便后續(xù)觀察）將攪拌后的泥漿緩緩倒人 100mL 塑料量筒中，使得泥漿液面與刻度線 100mL 齊平。為防止上層清液水分的蒸發(fā)，需用保鮮膜覆蓋塑料量筒的敞口段。

6）所有試驗(yàn)組均需按步驟2） ～5 ）操作，待所有試驗(yàn)量筒準(zhǔn)備就緒，可輕晃所有塑料量筒，以減少稱量試劑、攪拌泥漿等步驟引起的時(shí)間差造成的沉降誤差。輕晃后開(kāi)始計(jì)時(shí)，待其自然沉降，絮凝時(shí)間為 ^48h ，并按一定時(shí)間間隔記錄泥水界面對(duì)應(yīng)讀數(shù)。

7）48h后將保鮮膜拆除，用注射器吸取上清液，測(cè)試pH值，取絮凝效果較好組的底泥，曬干、過(guò)篩，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.3脫水量與清液pH值的測(cè)定

脫水量是評(píng)價(jià)泥漿絮凝好壞最直接的指標(biāo)，脫水量越大說(shuō)明絮凝效果越好，常用泥水分界線的變化來(lái)反映;pH值為排放污水質(zhì)量是否合格的重要指標(biāo)， pH 值宜在7左右，故選取脫水量和pH值作為評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果的指標(biāo)。間隔一定時(shí)間讀取泥水界面最低處對(duì)應(yīng)讀數(shù)，初始泥漿總體積減去讀數(shù)即為泥漿脫水量；停止計(jì)時(shí)后，分別取少量清液，用pH計(jì)測(cè)試清液的pH值，

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 絮凝效果分析

添加 CaCl₂ -APAM-PAC復(fù)合絮凝劑后，泥漿絮凝沉降試驗(yàn)照片如圖3所示，相隔一定時(shí)間記錄泥水分界面對(duì)應(yīng)讀數(shù)，得到脫水量隨時(shí)間變化的關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中脫水量隨時(shí)間變化如圖4所示。

由圖4可知，脫水量隨絮凝劑加入時(shí)間不斷增大，根據(jù)最終脫水量及脫水速率的變化規(guī)律，可將整個(gè)絮凝脫水過(guò)程劃分為3分區(qū)和2階段：高、中、低脫水區(qū)和快速脫水、慢速脫水階段。初始階段，絮凝劑的加人對(duì)脫水影響顯著，脫水量呈直線上升趨勢(shì)。但隨著時(shí)間的增加，各試樣的脫水曲線出現(xiàn)較為明顯的差異，其中，高脫水區(qū)曲線在 12h 時(shí)脫水量也較高，即符合快速脫水的要求。從開(kāi)始絮凝到試驗(yàn)結(jié)束，高脫水區(qū)的最終脫水量分別為52.5（T1）、49.6（T3）、48.7（T5）、56.8（T6）、49.1（T7）、47.6（T12）、41.6（T13）mL/（ 100mL ）泥漿，可以看出， T6 的累計(jì)脫水量最大，與T13相比，提高了36.5% 。

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

多指標(biāo)正交試驗(yàn)問(wèn)題一般有兩種處理方法，即綜合評(píng)分法和綜合平衡法，綜合評(píng)分法是根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系確定一個(gè)綜合指標(biāo)，進(jìn)而將多指標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)問(wèn)題，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。但由于綜合指標(biāo)的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式往往難以確定，因此評(píng)定結(jié)果往往缺乏公平性；綜合平衡法是先找出各個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)解，而后兼顧各個(gè)指標(biāo)，確定最優(yōu)組合[14]。試驗(yàn)采用綜合平衡法，并結(jié)合方差分析和極差分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)。首先假設(shè)3種絮凝劑對(duì)相互的絮凝過(guò)程沒(méi)有交互作用；試驗(yàn)誤差相互獨(dú)立且遵循正態(tài)分布，將試驗(yàn)結(jié)果分解為平均水平、3種水平效應(yīng)與誤差值的線性疊加，建立線性模型[14]。

2.2.1 極差分析

極差分析可以直觀地比較各影響因素對(duì)絮凝結(jié)果好壞的影響程度以及同一因素下的最佳水平，從而可以找到最優(yōu)的絮凝劑組合。以 48h 脫水量為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4；以 48h 時(shí)上清液pH值為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5；考慮到快速絮凝的情況，同時(shí)選取 12h 時(shí)脫水量為指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

極差 R 越大，因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度就越大。由表4可知，對(duì) 48h 脫水量影響因素的重要程度為 CaCl₂gt;APAMgt;PAC ，最優(yōu)組合為 A₂B₁C₄ ；由表5可知，上清液 pH 值影響因素的重要程度為CaCl₂gt; APAM gt; PAC，最優(yōu)組合為 A₃B₃C₃ 或A₄B₃C₃ ;由表6可知，對(duì) 12h 脫水量影響因素的重要程度為 CaCl₂gt;APAMgt;PAC ，最優(yōu)組合為 A₂B₁C₄ 但 A₂、B₁ 和 C₄ 對(duì)應(yīng)的pH值與各組中最佳pH值相差不大，且根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB8978—1996）[15]，所有排污單位污染物 pH 值應(yīng)在 6～9 ，試驗(yàn)所測(cè)所有組上清液均滿足要求； A₂，B₁ 的絮凝劑用量較少，具有一定的經(jīng)濟(jì)性，總體看來(lái)，最佳絮凝劑組合為 A₂B₁C₄ ，即最佳復(fù)合絮凝劑為 0.25% CaCl₂+0.12% APAM +0.17% PAC。

2.2.2方差分析

極差分析往往具有較大的誤差，而方差分析利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法大大減小了誤差。

首先，求得各因素的 k₁，k₂，k₃ 和 k₄ 值與總體試驗(yàn)均值之差的平方和，與各自自由度的比值即為均方，然后進(jìn)行 F 檢驗(yàn)，具體計(jì)算公式如下：

第 i 個(gè)元素的平方和為

式中： S_i 為第 i 個(gè)元素的平方和；k、 k₂ⁱ 、 k₃ⁱ 、 k₄ⁱ 分別為第 i 個(gè)元素 1～4 水平均值與總體均值的差值的平方。

自由度計(jì)算

式中 ?f_i 為第 i 個(gè)元素的自由度； f_e 為誤差的自由度。

第 i 個(gè)元素均方計(jì)算

式中： T_i 為第 i 個(gè)元素的均方。

48h 上清液脫水量方差分析結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，以 48h 脫水量為指標(biāo)可得， CaCl₂ 摻量為顯著性影響因素，APAM和PAC為非顯著性影響因素，但由 F_APAM 接近 F_0.1 可知，APAM對(duì)指標(biāo)有一定的影響[16]。由均方及平方和的大小關(guān)系可知，對(duì) 48h 脫水量影響因素的重要程度為 CaCl₂gt; APAM gt; PAC，與極差分析結(jié)果一致。

2.2.3交互作用分析

方差分析和極差分析都假設(shè)3種絮凝劑對(duì)彼此的絮凝過(guò)程沒(méi)有影響，考慮到絮凝劑之間的交互作用，以 48h 脫水量為指標(biāo)，在表4中分別找到每組設(shè)計(jì)水平對(duì)應(yīng)效應(yīng)，求和后得到新的指標(biāo)，如第1組即將3因素的 k₁ 相加，根據(jù)指標(biāo)對(duì)各組絮凝效果重新排列，如表8所示。由于新指標(biāo)未考慮交互作用，故與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比能說(shuō)明交互作用的強(qiáng)弱。

由表8可知，低脫水區(qū)絮凝劑之間的交互作用較弱，中脫水區(qū)和高脫水區(qū)絮凝劑的交互作用較強(qiáng)。在低脫水區(qū)， CaCl₂ 的摻量較高，為 0.35%～ 0.45% ，且 CaCl₂ 摻量的變化對(duì)脫水量的影響較大，故此階段過(guò)量的 CaCl₂ 使絮凝的促進(jìn)作用降低，由圖4可知，甚至?xí)霈F(xiàn)一定的抑制作用。在中、高脫水區(qū)，由12組和13組可知，APAM和PAC的共同作用會(huì)“緩解” CaCl₂ 抑制作用，增大其脫水量；由第6組實(shí)際脫水量大于第5組且第6組APAM和PAC的水平效應(yīng)均低于第5組可知，3種絮凝劑之間存在協(xié)同作用，且這種協(xié)同作用甚至大于因單一絮凝劑變化引起的效應(yīng)。

2.3 SEM分析

研究絮凝作用時(shí)，可以采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析的方式觀察固態(tài)物質(zhì)表面超微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和組成。分別取試驗(yàn)前原狀泥漿及第6組經(jīng)48h 絮凝后的底部泥漿，經(jīng)過(guò)過(guò)篩和噴金處理，達(dá)到控制顆粒大小和使土樣帶上電荷的自的，使其可以產(chǎn)生荷電效應(yīng)，從而使得電子掃描時(shí)圖像更加穩(wěn)定，最終得出試驗(yàn)圖片。在絮凝過(guò)程前，其主要的狀態(tài)如圖5（a）所示，顆粒分布較為分散，沒(méi)有明顯的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，此時(shí)進(jìn)行泥槳處理需要的時(shí)間較長(zhǎng)，使用復(fù)合絮凝劑對(duì)泥漿進(jìn)行處理后，根據(jù)圖5（b），可以明顯看出，泥漿顆粒分布緊密，對(duì)應(yīng)的宏觀表現(xiàn)則是 48h 脫水量明顯提高；微觀面貌展現(xiàn)出絮凝劑對(duì)于泥漿分離的顯著影響，即形成明顯絮團(tuán)，有明顯絲狀結(jié)構(gòu)包裹。

3 絮凝機(jī)理探討

3.1 基本組成元素分析

對(duì)土樣進(jìn)行元素分析，采用EDS色散譜，可以得到土樣中的元素，主要有O、Si、K，除此之外，還有F、Fe、Ca、Na、Ti等元素，由此可以得出，泥漿中明顯存在著許多離子組成，主要的陽(yáng)離子為 K⁺ ！Ca²⁺，F(xiàn)e³⁺，F(xiàn)e²⁺ 等。

3.2 絮凝劑的作用分析

復(fù)合絮凝劑由 CaCl₂ 、APAM、PAC組成。其中，APAM的分子鏈中含有極性基團(tuán)，能較快速地起到連接懸浮土顆粒的作用，通過(guò)吸附團(tuán)聚的方式將黏土連接成絮團(tuán)；APAM中主要存在陰離子基團(tuán)[1]，而黏土顆粒表面帶有負(fù)電荷，因此APAM的電中和作用相對(duì)較弱，即對(duì)泥漿的Zeta電位影響較小4；同時(shí)高分子鏈條可以連接泥漿中黏土顆粒，進(jìn)行架橋，形成大尺寸的絮團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)快速沉淀[18-19]。在試驗(yàn)過(guò)程中，APAM摻量的增加會(huì)使絮凝效果降低，是因?yàn)檫^(guò)量的APAM懸浮液中會(huì)生成大塊的絮凝體并包裹在土顆粒表面，阻礙了土顆粒的相互靠近和液體排出，該過(guò)程稱之為“膠體保護(hù)”作用[20]。PAC的作用機(jī)理與APAM相似，其長(zhǎng)鏈對(duì)水中的土顆粒起橋連和電中和作用[21]。同時(shí)，PAC是常用的無(wú)機(jī)絮凝劑，加入水后自身首先會(huì)水解出Al³⁺ 離子， Al³⁺ 離子進(jìn)一步水解，產(chǎn)生氫離子，使溶液呈弱酸性，具有中和泥漿堿性的能力。與APAM單獨(dú)作用相比，PAC可以中和APAM用量增大時(shí)造成的堿性影響，增強(qiáng)泥槳的脫水能力，但當(dāng)高分子絮凝劑（PAC + APAM）含量較高時(shí)，其不能充分伸展，只能包圍土顆粒，因而不能充分發(fā)揮其高分子絮凝劑的優(yōu)勢(shì)，例如架橋作用等[22]。且泥水明顯增稠，在泥漿中生成含泥量較少的絮團(tuán)，此時(shí)絮團(tuán)較難形成較大比重，形成的絮團(tuán)在試驗(yàn)條件下還會(huì)占據(jù)有限的量筒下部空間，阻礙了沉淀絮凝的發(fā)生。通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析可以看出，隨著 CaCl₂ 摻量的增加，絮凝效果先增大后減小，這是由于黏土表面的負(fù)電荷逐漸被中和，中和的時(shí)候恰好為最佳摻量，之后鈣離子的增加會(huì)使黏土表面帶正電荷，同種電荷相互排斥，此時(shí)絮凝效果反而降低。由正交試驗(yàn)的結(jié)果分析可得，當(dāng) CaCl₂ 的摻量在0.35%～0.45% 時(shí)，其對(duì)絮凝效果有一定的抑制作用，即 CaCl₂ 的濃度超過(guò)電中和的數(shù)值后，會(huì)反過(guò)來(lái)抑制反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)復(fù)合絮凝劑聯(lián)合作用時(shí)， CaCl₂ 會(huì)首先中和土顆粒周?chē)碾妼?，促進(jìn)隨后的APAM、PAC吸附架橋作用的發(fā)生[23]。

3.3 絮凝機(jī)理分析

對(duì)絮凝的機(jī)理進(jìn)行探討，認(rèn)為其可以分為5個(gè)階段，原理示意圖如圖6所示。

1）電中和階段。在高含水率的情況下，泥漿會(huì)形成高度分散的混合懸浮體系。 Ca²⁺ 、PAC水解酸性產(chǎn)物 Al³⁺ 分別與黏土表面的負(fù)電荷實(shí)現(xiàn)中和，降低顆粒表面的電動(dòng)位，從而減小相鄰顆粒的排斥作用，使相鄰顆粒擁有更大的接觸可能性。

2）架橋階段。APAM和PAC的長(zhǎng)分子鏈在水中溶解、粘連、連接，長(zhǎng)鏈會(huì)黏結(jié)固定在土顆粒表面上。連接若干土顆粒后成橋，橋聯(lián)足夠多的微粒之后，沉降速度會(huì)明顯變快，能更快達(dá)到較大的比重，從而達(dá)到集體快速沉降的目的[24]。

3）吸附成團(tuán)階段。 CaCl₂ 水解產(chǎn)生的帶正電的氫氧化物會(huì)和APAM分子鏈中的極性基團(tuán)共同吸附土顆粒，形成大絮團(tuán)土顆粒，在沉降的過(guò)程中還可以吸附黏聚懸浮的土顆粒，同時(shí)，APAM作為包裹體包裹在顆粒周?chē)?/p>

4）網(wǎng)絡(luò)沉降階段。投加過(guò)量 CaC1₂ 水解產(chǎn)生的氫氧化物相互黏結(jié)，在水中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)物理化學(xué)作用將前兩階段形成的橋狀鏈接物和絮團(tuán)網(wǎng)卷掃捕，最終使這些大分子發(fā)生共聚沉降[20]。

5）固化增強(qiáng)，形成骨架。通過(guò)SEM圖像可以看到明顯的針狀結(jié)晶，加入足夠量的氯化鈣溶液之后，游離的鈣離子會(huì)和泥漿中的活性礦物成分發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的堅(jiān)硬針狀鈣鹽。這種沉淀會(huì)在泥槳中起到支撐作用，同時(shí)，鈣離子與泥槳中的活性成分反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)，與PAC水解生成的鋁膠共同作用，形成土骨架，起到填充和進(jìn)一步膠結(jié)的作用。軟弱的絮團(tuán)強(qiáng)度很低，這種骨架會(huì)大大增強(qiáng)體系的剛度。

3.4關(guān)于反應(yīng)中存在快慢反應(yīng)的分析

根據(jù)脫水量變化曲線，將絮凝反應(yīng)過(guò)程分為快速反應(yīng)階段和慢速反應(yīng)階段。反應(yīng)速率關(guān)系可以將動(dòng)力學(xué)方程表示為

r=kC_A^αC_B^β

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)； C_A，C_B 為反應(yīng)物的濃度； α 、β 為反應(yīng)級(jí)數(shù)； r 為化學(xué)反應(yīng)速率。

加人絮凝劑并充分溶解后，絮凝立刻發(fā)生，為快速反應(yīng)階段。隨后，由于反應(yīng)不斷發(fā)生，絮凝劑的濃度減少，對(duì)反應(yīng)速度造成了影響，反應(yīng)速度減慢。

同時(shí)，絮團(tuán)的形成也對(duì)反應(yīng)速率造成了影響。在高分子絮凝劑發(fā)揮吸附架橋階段，使得顆粒發(fā)生明顯的聚集，對(duì)泥漿顆粒產(chǎn)生包裹作用，不同顆粒之間接觸的可能性變低，從而影響了反應(yīng)的進(jìn)行。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)含水率為 203.8% 的泥漿進(jìn)行正交試驗(yàn)研究、方差分析和極差分析以及SEM分析，對(duì)復(fù)合絮凝劑的絮凝機(jī)理進(jìn)行討論，得出以下結(jié)論：

1）設(shè)置 L₁₆（4³） 正交試驗(yàn) + 一組對(duì)照組，通過(guò)脫水量隨時(shí)間的變化曲線發(fā)現(xiàn)，總體上泥漿脫水速率隨著時(shí)間逐漸減小，將泥漿脫水過(guò)程分為快速脫水階段和慢速脫水階段，通過(guò)最終脫水量將各組劃分為高脫水區(qū)、中脫水區(qū)和低脫水區(qū)。其中高脫水區(qū)組同時(shí)也具有快速脫水優(yōu)勢(shì)。

2）通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，得出復(fù)合絮凝劑最佳配比為每 100g 泥漿摻量為 0.25gCaCl₂+0.12gAPAM+0.17gPAC 以 48h 脫水量 ?12h 脫水量和 48h 時(shí)上清液pH值為指標(biāo)，則3種絮凝劑按影響程度從大到小依次排列為 CaCl₂ 、APAM、PAC;以 ^48h 脫水量為指標(biāo)，CaCl₂ 為顯著性影響因素，APAM有一定顯著性，而PAC為非顯著性影響因素。

3）通過(guò)SEM分析可以發(fā)現(xiàn)，添加復(fù)合絮凝劑后，泥漿沉淀會(huì)產(chǎn)生更多的絮團(tuán)，復(fù)合絮凝劑促進(jìn)了泥漿土顆粒沉降。

4）通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，APAM、PAC和 CaCl₂ 三種絮凝劑存在一定的協(xié)同作用，這種協(xié)同作用甚至?xí)?qiáng)于單一絮凝劑引起的絮凝效應(yīng)。

5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析，泥漿脫水過(guò)程分為5個(gè)階段：電中和階段、架橋階段、吸附成團(tuán)階段、網(wǎng)絡(luò)沉降階段和固化增強(qiáng)階段。

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（編輯胡玲）