污泥制備陶粒輕集料及其熱動力學特性研究.pdf

1、污泥(sewage sludge)是污水處理過程產(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期毒性和不可降解性,對于污泥的處理處置和資源化利用研究一直以來都是深受關注的重大課題。
　　 本次研究通過X射線衍射分析、傅里葉紅外光譜分析、激光粒徑分析、氮氣靜態(tài)吸附比表面積測試與孔徑分析、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、化學及熱反

2、應動力學特性表征;根據(jù)描述試樣物質主要熱反應階段特征的最概然機理函數(shù),采用二次多項式非線性擬合方法模擬TGA變化趨勢。
　　 根據(jù)正交實驗設計方法,結合適宜燒制膨脹型陶粒的最佳原材料化學組成設計坯料配合比實驗,通過重復實驗找尋燒制污泥陶粒的最佳物料配合比;以正交實驗設計方法開展弧葉型旋轉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)品性能品質的變化規(guī)律。
　　 結合前文研究所得燒制污泥陶粒的最佳

3、原材料質量配合比以及燒制污泥陶粒的弧葉型旋轉窯焙燒工藝參數(shù),依托中型弧葉型旋轉窯開展燒制污泥陶粒輕集料放大實驗實驗研究,分析焙燒流程煙道氣體產(chǎn)生特征;通過附帶X射線微區(qū)能譜分析設備的掃描電子顯微鏡觀察陶粒產(chǎn)品表面、剖面的微觀結構特征以及產(chǎn)品微區(qū)元素含量分析;全面分析了污泥陶粒產(chǎn)品的建材特性品質和環(huán)境安全性指標:簡要論述了污泥陶粒的應用范疇。
　　 通過以上各方面的研究得到以下主要結論:
　　 1)實驗用污泥試樣的揮發(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,多孔結構不明顯。污泥可能包含的官能團物質有:水合結晶物、CO32-、酰胺類C=O、SiO42-、-CH3、R2CH2和苯環(huán)異構體基團物質等;干基污泥的結晶度不高,樣本中含有一定量砂粒,含有粘土類礦物質,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應的轉化率單調減小,達到最大失重速率的溫度單調升高;試樣總失重率受升溫速率的影響無明顯規(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減小。試樣在空氣氛圍下的熱反應過程遵循獨立而又平行開展的簡單熱反應機理模式;最概然機理函數(shù)繪制的模擬TGA曲線能夠精確揭示實驗TGA曲線的熱失重變化過程。污泥試樣的干燥無灰基熱值約為23.25 MJ/kg,具有燃料價值,能夠在一定條件下實現(xiàn)自持燃燒。<

6、br>　　 3)實驗用粉煤灰的硅、鐵、鈣等主要元素的百分含量稍高于我國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,多孔結構不明顯。粉煤灰試樣在空氣氛圍、不同升溫速率下存在一個主要的熱失重階

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、硅酸鹽化學基團物質;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,試樣多孔結構不明顯,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)實驗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:預熱溫度350℃、焙燒終溫1190℃、升溫速率36K·min-1、保溫時間1min以及窯體旋轉速率18π·min-1;按照坯料配比和最優(yōu)工藝參數(shù)開展燒制污泥陶粒放大實驗研究,制得陶粒產(chǎn)品外觀呈現(xiàn)淺棕褐色,產(chǎn)品圓潤且顆粒大小相對均勻:測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準(GB16297-1996)之污染物綜合排放標準濃度限值規(guī)定。
　　 5)測試了陶粒產(chǎn)品的主要建材品質以及陶粒浸出毒性,結果顯示陶粒產(chǎn)品可做建材用且產(chǎn)品符合環(huán)境安全性要求;實驗試配陶?；炷翉姸鹊燃塋C30混凝土標準件,在室溫20±2℃,相對濕度為95％以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28天后的抗壓強度為30.0MPa,符合LC30強度等級陶?；炷烈?干基混凝土試件的導熱系數(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減小,DSC曲線峰值溫度隨升溫速率的提高而單調升高,綜合燃盡特性指數(shù)隨升溫速率提高單調減小,配方坯料球在空氣氛圍、不同升溫速率下的熱反應服從各主要熱反應進程獨立而平行開展的簡單熱反應機理模式,模擬TGA曲線準確描述實驗TGA曲線變化趨勢。陶粒產(chǎn)品主要的物相構成包括石英(SiO2)、方石英(SiO2)、藍晶石(Al2SiO5)、高溫鈉長石(NaAlSi3I8)