污泥制備陶粒輕集料及其熱動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、污泥(sewage sludge)是污水處理過(guò)程產(chǎn)生的主要副產(chǎn)物,因其含有大量致病菌和重金屬而往往具有長(zhǎng)期毒性和不可降解性,對(duì)于污泥的處理處置和資源化利用研究一直以來(lái)都是深受關(guān)注的重大課題。
　　 本次研究通過(guò)X射線衍射分析、傅里葉紅外光譜分析、激光粒徑分析、氮?dú)忪o態(tài)吸附比表面積測(cè)試與孔徑分析、原子吸收分光光度法、TG-DSC綜合熱分析法和量熱儀燃料熱值分析等技術(shù)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、化學(xué)及熱反

2、應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性表征;根據(jù)描述試樣物質(zhì)主要熱反應(yīng)階段特征的最概然機(jī)理函數(shù),采用二次多項(xiàng)式非線性擬合方法模擬TGA變化趨勢(shì)。
　　 根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,結(jié)合適宜燒制膨脹型陶粒的最佳原材料化學(xué)組成設(shè)計(jì)坯料配合比實(shí)驗(yàn),通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)找尋燒制污泥陶粒的最佳物料配合比;以正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法開(kāi)展弧葉型旋轉(zhuǎn)窯燒制陶粒輕集料的焙燒工藝參數(shù)最優(yōu)化研究,探索焙燒工藝參數(shù)影響陶粒主要產(chǎn)品性能品質(zhì)的變化規(guī)律。
　　 結(jié)合前文研究所得燒制污泥陶粒的最佳

3、原材料質(zhì)量配合比以及燒制污泥陶粒的弧葉型旋轉(zhuǎn)窯焙燒工藝參數(shù),依托中型弧葉型旋轉(zhuǎn)窯開(kāi)展燒制污泥陶粒輕集料放大實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究,分析焙燒流程煙道氣體產(chǎn)生特征;通過(guò)附帶X射線微區(qū)能譜分析設(shè)備的掃描電子顯微鏡觀察陶粒產(chǎn)品表面、剖面的微觀結(jié)構(gòu)特征以及產(chǎn)品微區(qū)元素含量分析;全面分析了污泥陶粒產(chǎn)品的建材特性品質(zhì)和環(huán)境安全性指標(biāo):簡(jiǎn)要論述了污泥陶粒的應(yīng)用范疇。
　　 通過(guò)以上各方面的研究得到以下主要結(jié)論:
　　 1)實(shí)驗(yàn)用污泥試樣的揮發(fā)性固

4、體含量約為32.09％:樣本的粒徑大致呈現(xiàn)正態(tài)分布,其粒徑處于39.9μm～1002.37μm范圍的污泥顆粒物占總量的89.1％,平均粒徑為235.793μm;BET比表面積較小,多孔結(jié)構(gòu)不明顯。污泥可能包含的官能團(tuán)物質(zhì)有:水合結(jié)晶物、CO32-、酰胺類C=O、SiO42-、-CH3、R2CH2和苯環(huán)異構(gòu)體基團(tuán)物質(zhì)等;干基污泥的結(jié)晶度不高,樣本中含有一定量砂粒,含有粘土類礦物質(zhì),所含晶體種類主要為α-石英相。
　　 2)隨著升溫

5、速率的增大,污泥試樣最大失重速率以及最大失重速率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化率單調(diào)減小,達(dá)到最大失重速率的溫度單調(diào)升高;試樣總失重率受升溫速率的影響無(wú)明顯規(guī)律可循;污泥試樣綜合燃盡特性指數(shù)隨升溫速率提高單調(diào)減小。試樣在空氣氛圍下的熱反應(yīng)過(guò)程遵循獨(dú)立而又平行開(kāi)展的簡(jiǎn)單熱反應(yīng)機(jī)理模式;最概然機(jī)理函數(shù)繪制的模擬TGA曲線能夠精確揭示實(shí)驗(yàn)TGA曲線的熱失重變化過(guò)程。污泥試樣的干燥無(wú)灰基熱值約為23.25 MJ/kg,具有燃料價(jià)值,能夠在一定條件下實(shí)現(xiàn)自持燃燒。<

6、br>　　 3)實(shí)驗(yàn)用粉煤灰的硅、鐵、鈣等主要元素的百分含量稍高于我國(guó)粉煤灰含量的平均值,鋁和氧元素的含量以及燒失量低于平均水平;粉煤灰的堆積密度為835.24 kg/m3,其粒徑分布大致呈現(xiàn)正態(tài)分布,平均粒徑為106.504μm;粉煤灰試樣的BET比表面積較小,約為0.56 m2/g,其BJH平均孔徑為7.4982 nm,孔容僅為0.001027 cm3/g,多孔結(jié)構(gòu)不明顯。粉煤灰試樣在空氣氛圍、不同升溫速率下存在一個(gè)主要的熱失重階

7、段。
　　 河道底泥主要氧化物含量與粘土背景值比較接近,主要存在碳酸鹽、硅酸鹽化學(xué)基團(tuán)物質(zhì);底泥樣本的BET約為13.0893m2/g,BJH平均孔徑為12.39552nm;孔容僅有0.041187cm3/g,試樣多孔結(jié)構(gòu)不明顯,樣本平均粒徑為38.25μm。試樣總的熱失重率較小且隨升溫速率的影響變化規(guī)律不明顯。
　　 4)實(shí)驗(yàn)獲得最佳坯料配合比干基(wt％)為:污泥/粉煤灰/河道底泥=25％/15％/60％,最優(yōu)化工藝

8、參數(shù)分別為:預(yù)熱溫度350℃、焙燒終溫1190℃、升溫速率36K·min-1、保溫時(shí)間1min以及窯體旋轉(zhuǎn)速率18π·min-1;按照坯料配比和最優(yōu)工藝參數(shù)開(kāi)展燒制污泥陶粒放大實(shí)驗(yàn)研究,制得陶粒產(chǎn)品外觀呈現(xiàn)淺棕褐色,產(chǎn)品圓潤(rùn)且顆粒大小相對(duì)均勻:測(cè)得焙燒流程煙道氣體最高溫度為306.75℃,煙道所含氣體濃度極大值分別為:SO2為30.07mg/m3,NO為17.93 mg/m3、NO2為2.06mg/m3、CO為88.39mg/m3;均符

9、合大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB16297-1996)之污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)濃度限值規(guī)定。
　　 5)測(cè)試了陶粒產(chǎn)品的主要建材品質(zhì)以及陶粒浸出毒性,結(jié)果顯示陶粒產(chǎn)品可做建材用且產(chǎn)品符合環(huán)境安全性要求;實(shí)驗(yàn)試配陶?；炷翉?qiáng)度等級(jí)LC30混凝土標(biāo)準(zhǔn)件,在室溫20±2℃,相對(duì)濕度為95％以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度為30.0MPa,符合LC30強(qiáng)度等級(jí)陶粒混凝土要求;干基混凝土試件的導(dǎo)熱系數(shù)為0.75 W-(m*K)-1保溫隔

10、熱性能優(yōu)異。
　　 6)配方坯料球試樣總的熱失重率隨升溫速率的增加而單調(diào)減小,DSC曲線峰值溫度隨升溫速率的提高而單調(diào)升高,綜合燃盡特性指數(shù)隨升溫速率提高單調(diào)減小,配方坯料球在空氣氛圍、不同升溫速率下的熱反應(yīng)服從各主要熱反應(yīng)進(jìn)程獨(dú)立而平行開(kāi)展的簡(jiǎn)單熱反應(yīng)機(jī)理模式,模擬TGA曲線準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)TGA曲線變化趨勢(shì)。陶粒產(chǎn)品主要的物相構(gòu)成包括石英(SiO2)、方石英(SiO2)、藍(lán)晶石(Al2SiO5)、高溫鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3I8)