浙江大学学报(工学版), 2020, 54(6): 1049-1057 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.06.001

土木工程

建筑废弃泥浆泥水分离过程与效果评价

王东星,, 伍林峰, 唐弈锴, 徐学勇

Mud-water separation process and performance evaluation of waste slurry from construction engineering

WANG Dong-xing,, WU Lin-feng, TANG Yi-kai, XU Xue-yong

收稿日期: 2019-05-6  

Received: 2019-05-6  

作者简介 About authors

王东星(1984—),男,副教授、博导,从事淤泥/污泥固化和软基处理等环境岩土工程研究.orcid.org/0000-0001-9935-6442.E-mail:dongxing-wang@whu.edu.cn , E-mail:dongxing-wang@whu.edu.cn

摘要

为明确建筑废弃泥浆泥水分离性能,提高泥浆泥水分离效率,选取有机、无机和复合3种化学絮凝方法,通过室内沉降柱、颗粒级配和扫描电镜试验,对比研究絮凝剂类型和投加量对泥浆泥水分离效果的影响及微观作用机理. 结果表明:有机和复合絮凝剂可有效促进快速泥水分离,有机絮凝剂按调理效果排序(根据上清液体积高低)依次为阴离子聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、两性离子聚丙烯酰胺、阳离子聚丙烯酰胺和聚二甲基二烯丙基氯化铵,适宜投加密度阴离子聚丙烯酰胺的泥水分离效果最佳,分离泥浆中水的质量分数小于76.8%;无机絮凝剂的泥水分离效果则相对较差;氯化铁和阴离子聚丙烯酰胺联合投加可以提高泥浆调理效果,有效发挥絮凝剂的电中和及网捕-卷扫作用;絮凝剂通过吸附架桥作用使泥浆颗粒发生明显聚集现象,即细颗粒减少、团聚粗颗粒增加. 扫描电镜图显示:原始泥浆颗粒倾向于平行方式沉积,投加絮凝剂使得泥浆颗粒团聚、絮体结构更加致密,揭示了絮凝作用诱发建筑泥浆泥水分离过程的微观机理,为泥浆快速泥水分离技术提供数据支撑和理论依据.

关键词: 建筑泥浆 ; 絮凝剂 ; 沉降柱 ; 泥水分离 ; 微观机理

Abstract

Three chemical flocculation methods including organic, inorganic and organic-inorganic composite were selected to treat slurry from construction engineering, in order to identify the mud-water separation process and to improve the mud-water separation efficiency. The effects of flocculant type (organic, inorganic and composite) and flocculant dosage on the mud-water separation process and its associated micro-mechanisms were compared through the indoor sedimentation column, particle grading and scanning electron microscopy tests. The experimental results show that the organic and composite flocculants can effectively promote the mud-water separation process, and the conditioning effect of organic flocculants is presented as follows according to the value of supernant volume: APAM>PAM>ACPAM>CPAM>HCA. The optimum performance of mud-water separation is identified at reasonable amount of APAM, and the water content of dewatered slurry is less than 76.8%. The effect of inorganic flocculants on mud-water separation is relatively poor, when compared to organic and composite flocculants. The combined formulation of FeCl3 and APAM can improve the conditioning performance of slurry, and play effectively the role of electro-neutralization and net capture-sweep. The flocculant caused an obvious agglomeration of fine particles in slurry through adsorption bridging, leading to a reduction in fraction of fine particles and an increase in amount of agglomerated coarse particles. The scanning electron microscopy images reveal that the original slurry particles tend to be deposited in a parallel manner, and the flocculant induces an agglomeration of fine particles and a denser flocculated microstructure. This study reveals the intrinsic microscopic mechanism of flocculation-induced mud-water separation process, and provides a theoretical basis for rapid mud-water separation technology of waste slurry from construction engineering.

Keywords: construction slurry ; flocculants ; sedimentation column ; mud-water separation ; micromechanisms

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本文引用格式

王东星, 伍林峰, 唐弈锴, 徐学勇. 建筑废弃泥浆泥水分离过程与效果评价. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(6): 1049-1057 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.06.001

WANG Dong-xing, WU Lin-feng, TANG Yi-kai, XU Xue-yong. Mud-water separation process and performance evaluation of waste slurry from construction engineering. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(6): 1049-1057 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.06.001

地下连续墙、钻孔灌注桩、非开挖水平定向钻孔、泥水加压式盾构等工程施工过程均会不可避免地产生大量废弃工程泥浆. 随着我国工程建设规模的不断扩大,城市交通等基础设施不断向地下空间发展,导致建筑工程废弃泥浆的产量迅猛增加[1]. 据统计,仅上海地区2015年工程泥浆申报总量就达620万吨[2]. 废弃泥浆的现有处理方式主要是将其运输至郊外进行自然干化,存在效率低、成本高、周期长等缺点,甚至存在废弃泥浆偷排、乱排现象,造成河湖生态系统破坏并危及市民用水安全[3]. 因此,建筑工程废弃泥浆的无害化处理与资源化利用已成为当前工程界亟待解决的环境问题和社会问题.

国内外学者对工程废弃泥浆处理技术的探索主要集中在钻孔泥浆、道桥泥浆、河湖底泥和污水/自来水厂污泥等方面. 张忠苗等[4]提出了针对工程钻孔泥浆的振动筛分、化学絮凝和压滤处理技术,使废弃泥浆变为可再生利用工程材料. 周源等[5]提出了透气真空抽滤技术,该技术可实现水的质量分数为260%、黏粒质量分数>30%的疏浚淤泥快速脱水减容. 聚丙烯酰胺(PAM)价格低、用量少、效果好,近年来在泥浆脱水领域得到大规模应用. 杨春英等[6]选用8种PAM类絮凝剂进行泥浆脱水试验,揭示了泥浆絮凝脱水作用机理. 李冲等[7]研究了阴离子聚丙烯酰胺(APAM)分子量、投加量对絮凝效果影响,发现APAM投加量及分子量提升有助于絮凝脱水. 冷凡等[8]研究了PAM等4种高分子絮凝剂的掺量及投放顺序对泥浆快速化学脱稳的影响,证明高分子絮凝剂具有更优异的脱稳效能. 刘娟等[9]通过研究水分散型阳离子聚丙烯酰胺(CMTC-AM-DMC)在絮凝-解絮凝-再絮凝过程中絮体的宏观、微观变化,揭示了该絮凝剂的絮凝机理并发现絮体具有较强的可逆性. 武亚军等[10-11]开展了药剂真空预压法处理泥浆模型试验,明确了pH值、APAM种类及分子量对泥浆固液分离性能的影响. 丁伟文等[12]采用不同分子量的CPAM调理废弃钻孔泥浆,探明了泥浆絮凝过程中pH值、黏度和Zeta电位的演变规律. 于真真[13]研究发现,单独投加絮凝剂无法使稀释废弃钻井泥浆产生絮凝现象,PAM预处理并投加无机絮凝剂是絮体产生的先决条件. He等[14]研究了不同电荷类型及电荷密度的PAM对泥浆脱水效率的影响,认为电荷密度为15的CPAM对水的质量分数为500%的泥浆的减容效果最佳,以1.08 g/kg的CPAM对500 mL泥浆进行调理,发现10 min内泥浆体积可减少60%.

上述文献侧重分析单一或2种类型絮凝剂对泥浆泥水分离和沉降规律的影响,尚缺少关于有机、无机等多种类型絮凝剂及有机-无机组合系统的深入研究,尤其针对不同离子状态PAM絮凝效果评价方面的对比研究相对偏少. 鉴于此,本研究选取有机、无机、有机-无机复合等多种不同类型的絮凝剂,开展考虑絮凝剂类型及投加量等因素的批量沉降柱试验,借助上清液体积、泥水分离界面高度等指标分析絮凝作用下的泥浆泥水分离过程;通过颗粒级配和扫描电镜试验,定量描述投加絮凝剂后泥浆颗粒级配变化规律,揭示絮凝剂影响泥浆泥水分离过程的内在机理.

1. 试验材料与方案

1.1. 试验材料

试验所用泥浆取自武汉某高层建筑施工工地,为钻孔灌注桩废弃泥浆. 泥浆的初始水的质量分数为91.4%,投加絮凝剂溶液后水的质量分数为106.3%,塑限为17.1%,液限为35.6%,塑性指数为18.5,颗粒相对密度为2.61,最大干密度为1.86 g/cm3,初始pH值为8.5. 如图1所示为原状泥浆的颗粒累计分布曲线,d为颗粒粒径,P为小于该粒径颗粒的质量分数,分析可知:泥浆中粒径>0.075 mm的砂粒占28%,粒径为0.005~0.075 mm的粉粒占65%,粒径<0.005 mm的黏粒占7%.

图 1

图 1   原状泥浆的累计颗粒分布曲线

Fig.1   Cumulative grain size distribution curve of natural slurry


为研究不同类型的絮凝剂对泥浆泥水分离效率的影响,选取氯化铁(FeCl3)、氢氧化钙(Ca(OH)2)这2种工程中普遍应用的无机絮凝剂,以及PAM、APAM、CPAM、两性离子聚丙烯酰胺(ACPAM)、聚二甲基二烯丙基氯化铵(HCA)这5种适于大规模工程应用的有机高分子絮凝剂,其中,PAM类絮凝剂的分子量均为1.4×107,HCA的分子量为7.0×105.

1.2. 试验方案

将不同离子类型的PAM颗粒与蒸馏水混合,经均匀搅拌后分别配制成1 000 mL质量浓度为1、2、3和4 g/L的PAM溶液. 取4个容积为2 000 mL的烧杯,且均倒入1 000 mL初始水的质量分数为91.4%的泥浆,按100、200、300和400 mg/L的投加密度,对应加入上述配制完成的100 mL PAM溶液;使用搅拌器以200 r/min的速度搅拌2 min,使絮凝剂与泥浆充分混合均匀. 将絮凝泥浆倒入容积为1 000 mL的量筒(直径为6 cm、高为35 cm)至刻度800 mL后静置7 d,观察并记录不同时刻的泥水分离界面移动情况,同时记录上清液体积随絮凝时间的变化规律. 考虑到沉降监测持时较长、晚间人工读数不便等因素,试验后期通常间隔3~4 h测读一次,隔夜测量时约10 h测读一次. 对于易与泥浆混合的FeCl3、Ca(OH)2、HCA絮凝剂,可将其直接加入泥浆,并保证所有泥浆试样的等效水的质量分数一致(即投加絮凝剂溶液后泥浆的水的质量分数一致). 絮凝泥浆的沉降柱试验如图2所示. 每批次絮凝调理泥浆的沉降柱试验中均设置一组原始泥浆对照试样(无絮凝剂).

图 2

图 2   有机絮凝剂调理泥浆沉降柱试验

Fig.2   Settlement column tests of organic flocculant-treated slurry


为分析絮凝前后泥浆颗粒的级配变化,选取筛分-密度计联合测定法对200 g代表性试样进行颗粒分析试验. 采用湿法筛分,将泥浆依次过孔径为2.000、1.000、0.500、0.250、0.075 mm的标准筛,采用烘干称重法测定各粒径的泥浆质量;依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007),采用密度计对粒径<0.075 mm的颗粒进行级配测量.

选取原始泥浆和典型絮凝泥浆试样,采用Zeiss SIGMA型扫描电镜仪(SEM)进行微观形态测试. 将试样在40 °C进行低温烘干后,对试样新鲜断面进行喷金处理,并将试样断面放大2×104倍后观察其内部的微观结构形貌特征.

2. 试验结果与分析

2.1. 泥浆泥水分离过程与规律

2.1.1. 无机絮凝剂

经絮凝处理、均匀搅拌且静置后,泥浆颗粒在自重作用下不断下沉,泥浆柱上端逐渐形成清晰泥水分离界面. 随着时间的推移,上清液体积慢慢累积,泥水分离界面逐渐下移. 与对照试样相比,投加絮凝剂的泥浆颗粒沉降速率更快,上清液更为清澈.

图3展示了不同絮凝剂投加密度(ρ)下泥浆上清液体积V和归一化泥水分离界面高度H随絮凝作用时间t的变化规律. 初始沉降阶段,颗粒沉降速度较快、曲线斜率较大;随着时间的推移,泥浆与絮体进一步接触,颗粒间作用力明显增强,泥浆密实度增加,沉降速度逐渐变缓,曲线斜率随之变小;直至150 h后,变化趋于平稳,部分试样的上清液体积几乎不再变化,沉降过程基本完成. 对照试样的沉降性能相对较差,相同沉降时间内上清液体积显著偏小. 当投加1 200 mg/L的FeCl3(适宜投加密度)、1 600 mg/L的Ca(OH)2(适宜投加密度)时,经沉降168 h后,上清液体积分别达到53、42 mL(对照试样为31 mL),且FeCl3对泥浆的脱稳效果优于Ca(OH)2. 上述分析结果说明:投加无机絮凝剂可有效改善原始泥浆的沉降性能,显著提升泥水分离效率.

图 3

图 3   无机絮凝剂调理泥浆泥水分离过程对比

Fig.3   Comparison of mud-water separation process of inorganic flocculant-treated slurry


通过比较泥浆泥水界面水的质量分数w与整个沉降柱中水的质量分数w0,将颗粒沉积过程分为3个阶段,即絮凝阶段(w=w0)、沉降阶段(w>w0)和固结阶段(w<w0). 然而,对于所研究的建筑泥浆,如图3(b)(d)所示曲线仅有絮凝阶段和固结阶段,未发现快速沉降阶段(沉降阶段对应曲线在对数坐标系中表现出线性变化,沉降速率通常为0.1~0.7 cm/min[14],即3.2~22.6 mL/min,而此试验最大沉降速率约为0.017 mL/min,远小于沉降阶段的沉降速率). 究其原因如下:在絮凝开始时,颗粒逐渐聚集形成致密空间结构(泥浆的初始水的质量分数低、颗粒密度高、土颗粒分布较为密集,这一过程较为短暂,此时颗粒沉降状态为成层沉降阶段,上清液主要从絮体间隙中排出);当絮体结构密度与组成该絮体的泥浆颗粒密度相近时,絮体本身处于压密阶段,絮体颗粒空隙中排挤出的水分导致泥水分离界面下降,因而沉降阶段为一平滑曲线,没有短时间内快速下降的直线段[15].

图4(a)所示为泥浆上清液体积V随絮凝时间t(1~7 d)的变化过程. 对于Ca(OH)2和FeCl3絮凝泥浆,第1 d的上清液体积变化量最大,从0达到19、18 mL,分别达到相应总沉降量的45%和35%,之后呈缓慢升高趋势,但Ca(OH)2和FeCl3的脱稳泥浆泥水分离速率总体并不高. 原因如下:无机絮凝剂Ca(OH)2与FeCl3在沉降过程中可黏结吸附细颗粒,形成更大颗粒絮体,使得颗粒间分子力等作用进一步强化,因此沉降更快、速率更高,发挥了骨架构建和压实挤密作用. 泥浆颗粒骨架之间存在大孔隙,颗粒沉降实质上为颗粒骨架逐渐压密的过程,当土颗粒骨架压密至一定程度时,絮凝骨架受到破坏,宏观上表现为泥水界面进一步降低. 然而,所取建筑泥浆中砂粒和粉粒质量分数分别达到了28%、65%,无机絮凝剂黏附、架桥和交联等效应无法有效吸附颗粒粒径较大的粉粒和砂粒. 因此,无机絮凝剂无法有效提高该建筑泥浆的泥水分离效率.

图 4

图 4   无机絮凝剂絮凝时间及投加密度对泥浆上清液体积影响

Fig.4   Effect of flocculation time and dosage on supernatant volume of inorganic flocculant-treated slurry


图4(b)展示了泥浆上清液体积V随投加密度ρ的变化过程. 由图可知,2种无机絮凝剂投加密度的增加均能使絮凝脱稳效能有所提升,Ca(OH)2和FeCl3分别在投加密度为1 600、1 200 mg/L时达到最佳脱水性能,沉降量对应提升了31%和65%;若继续提高投加密度,则导致泥水分离效果变差. 这是因为无机絮凝剂提高了固体颗粒表面的电位,使得颗粒由分散状态经脱稳凝聚形成网状絮体,持续增加投加密度(低于适宜投加密度)可有效促进絮体沉积和泥水分离过程. 胶体体系稳定程度与颗粒表面电位绝对值成正比,随着投加密度进一步提高(超过适宜投加密度),颗粒表面电位绝对值越来越大,絮体会重新变成稳定胶体,絮凝剂难以发挥脱稳凝聚作用,导致脱水性能减弱[16].

2.1.2. 有机絮凝剂

图5(a)~(j)所示为经5种不同类型的有机絮凝剂作用的絮凝泥浆的归一化泥水分离界面高度H和上清液体积V随絮凝时间t的变化曲线. 相比对照试样,有机絮凝剂的投加可明显改善建筑泥浆的沉降效率,以实现快速泥水分离. 经168 h后,在不同絮凝剂适宜投加密度下,即:ρ(APAM)=300 mg/L、ρ(PAM)=300 mg/L、ρ(CPAM)=400 mg/L、ρ(CPAM)=400 mg/L、ρ(HCA)=400 mg/L,调理泥浆的上清液体积分别为84、80、74、74、51 mL(对照试样为31 mL),即絮凝剂脱稳性能优劣依次为APAM、CPAM、PAM、ACPAM、HCA. 由图5(b)(d)(f)(h)(j)中泥水界面高度变化曲线可知,絮凝泥浆沉降过程可分为絮凝阶段、固结阶段,在前200 min内并未发现快速的线性沉降阶段.

图 5

图 5   有机絮凝剂调理泥浆泥水分离过程对比

Fig.5   Comparison of mud-water separation process of organic flocculant-treated slurry


随着有机絮凝剂投加量的增加,絮凝泥浆脱稳效率有所提升,即上清液体积增加,泥水界面高度下降. 如图5(k)所示,对于CPAM和ACPAM,增加投加密度使得泥浆脱水性能迅速改善,且前期试验证明,投加密度进一步增加易造成絮凝剂难以溶解和泥浆结块严重. 基于上述2点,可认为这2种絮凝剂的适宜投加密度为400 mg/L. 对于APAM和PAM,当投加密度为300 mg/L时,泥浆泥水分离效果优于其他投加密度下的泥水分离效果. 究其原因,是由于有机高分子絮凝剂的絮凝调理作用主要通过长链架桥实现,适宜的投加密度促使絮凝剂分子链之间形成絮凝分子网,可有效网捕泥浆中细颗粒及胶体,引起絮团重力体积不断增加,从而显著加快絮团沉降[17]. 若絮凝剂投加密度过高,则其长分子链结构发生严重卷曲,形成线团状,絮体覆盖在卷曲后长链表面,长链上的活性基团无法继续吸附,导致架桥作用效果下降. 当采用HCA絮凝调理泥浆时(见图5(i)),泥浆沉降速率比使用其他4种有机絮凝剂更为缓慢,这是因为HCA在pH=5的环境中絮凝作用最强,碱性环境下其脱水效率大大降低,而试验所用泥浆的pH=8.5,呈弱碱性,导致泥浆絮凝脱水性能有所下降[18].

图6所示为单独投加5种絮凝剂时的泥浆絮凝效果对比曲线. 分析图6(a)可知,对于PAM类絮凝剂,在絮凝调理过程结束后,APAM絮凝泥浆中水的质量分数最低,CPAM絮凝泥浆中水的质量分数最高,即在4种PAM类絮凝剂中,APAM对泥浆的絮凝效果最佳,CPAM的絮凝效果最差.

图 6

图 6   絮凝剂调理泥浆效果比较

Fig.6   Comparison of conditioning performance between slurry samples with different flocculants


当投加密度为300 mg/L时,絮凝结束后,单独采用APAM和CPAM调理的泥浆的水的质量分数分别为76.8%、83.2%. 依据图6(b),絮凝7 d后,APAM投加密度为300 mg/L的絮凝泥浆上清液体积为84 mL,优于无机絮凝剂FeCl3投加密度为1 200 mg/L的絮凝泥浆(53 mL). 当采用单掺絮凝剂时,有机絮凝剂APAM的脱水性能优于无机絮凝剂FeCl3,其适宜投加密度为300 mg/L.

2.1.3. 复合絮凝剂

依据上述单掺絮凝剂泥浆泥水分离结果,在4种絮凝剂对应适宜投加密度下开展复掺试验,即ρ(APAM)=300 mg/L、ρ(FeCl3)=1 200 mg/L、ρ(Ca(OH)2)=1 600 mg/L、ρ(HCA)=1 600 mg/L,探明复合絮凝剂对建筑泥浆调理脱水性能的影响. 4种复合絮凝剂组合如下:FeCl3+APAM、FeCl3+HCA、Ca(OH)2+APAM和Ca(OH)2+HCA,采用先投加小分子量无机絮凝剂再投加高分子量有机絮凝剂的方式. 值得注意的是,由于不同絮凝剂之间存在相互作用,在复合使用絮凝剂时,其适宜投加密度与单独使用絮凝剂时可能不完全一致. 如何利用正交试验等方法真正明确絮凝剂复合使用过程中的适宜投加组合及投加密度,是值得深入研究的系统工程,这部分试验将在后续开展.

图7所示为复合絮凝剂絮凝调理泥浆的沉降曲线. 图7(a)(b)是采用4种复合絮凝剂处理后的泥浆的上清液体积V和归一化泥水分离界面高度H随絮凝时间t的变化曲线. 絮凝结束后,采用4种复合絮凝剂FeCl3+APAM、FeCl3+HCA、Ca(OH)2+APAM和Ca(OH)2+HCA处理后的泥浆的上清液体积分别为81、62.5、79、60 mL(对照试样为50 mL),说明采用复合絮凝剂调理后的泥浆呈现更优沉降性能.

图 7

图 7   复合絮凝剂处理泥浆沉降过程

Fig.7   Settlement process of compound flocculant-treated slurry


为减小原始泥浆非同组搅拌引起的试验误差,在开展复合絮凝试验的同时,增加APAM和FeCl3单独絮凝试验,以便对比验证相同泥浆初始条件下单独絮凝和复合絮凝的脱水效果,其对比曲线如图7(c)所示. 研究发现:复合调理后絮体疏松多孔、韧性更好,滤液更为澄清;FeCl3+APAM联合投加调理的泥浆的脱水效果最好(上清液体积为81 mL),且优于APAM和FeCl3两种絮凝剂单独投加调理的泥浆脱水效果(上清液体积对应为78、61 mL). 这是由于泥浆胶粒所带负电荷较多,投加复合絮凝剂后,先投加的低分子无机混凝剂会水解生成水合络合物及带正电官能团,吸附表面带有负电荷的泥浆颗粒,发生电中和作用,使胶体颗粒体系脱稳絮凝,生成较为细小的絮体;接着,投加的高分子絮凝剂APAM发挥架桥作用,将处于分散状态的絮体逐渐桥联成整体,进而形成较大尺寸的疏松絮团. 在搅拌与沉降过程中,絮体转动又能发挥网捕和卷扫作用,继续捕捉细小颗粒及胶体,进一步提升泥浆泥水分离性能. 若先投加APAM,则无法充分发挥其吸附架桥作用,导致胶体颗粒与高分子长链活性基团上的氢键和化学键结合生成结构疏松的絮体;而后加入的FeCl3只能中和未被作用的胶体颗粒,压缩双电层作用更加微弱,投加效果不及第一种投加方式.

投加复合絮凝剂Ca(OH)2+HCA、Ca(OH)2+APAM达到的泥浆脱稳效能相比单独添加Ca(OH)2好,但与单独投加HCA、APAM时相比却无提高,甚至更差. 这种现象可能是由于Ca(OH)2的掺入提高了溶液中的OH质量分数,引起高分子絮凝剂长链周围阴离子之间静电斥力增强,造成絮凝剂长链之间相互胶连,导致絮凝剂吸附架桥能力降低,絮凝作用随之减弱.

2.2. 絮凝泥浆颗粒粒径演化规律

综上所述,投加絮凝剂使得泥浆中细小颗粒絮凝团聚,形成更大粒径颗粒,引起泥浆颗粒更快地沉淀密实,这是絮凝泥浆颗粒粒径发生变化的根本原因. 值得注意的是,絮凝剂无法对几乎不存在联结力的砂粒进行作用,其发挥作用的主要对象为黏粒、粉粒和泥浆中的悬浮胶体.

为研究絮凝泥浆的粒径分布规律,对粒径>0.075 mm的颗粒,采用烘干称重法测定泥浆各粒径组分质量;对于粒径<0.075 mm的颗粒,采用密度计法测量其粒径质量分数. 絮凝前、后的泥浆颗粒级配结果如图8(a)所示. 可以看出,添加絮凝剂后泥浆颗粒粒径分布曲线明显向左侧移动(<0.075 mm),即添加絮凝剂使此粒径范围内的颗粒(黏粒、粉粒)质量分数减小,而该粒径范围外的大颗粒粒径质量分数显著增加.

图 8

图 8   絮凝作用诱发泥浆颗粒粒径演变

Fig.8   Chang in particle size of slurry caused by flocculation


为定量分析絮凝泥浆颗粒粒径变化,将粒径<0.25 mm的颗粒(即处于絮凝剂作用有效粒径范围的颗粒)划分为4个区间:0~0.008 5、0.008 5~0.050 0、0.050 0~0.075 0、0.075 0~0.250 0 mm,图8(b)展示了不同粒径区间对应的颗粒组分质量分数值Pn. 对于粒径为0~0.008 5、0.008 5~0.050 0 mm的颗粒,原状泥浆中该粒径组分质量分数分别为22%、28%,均高于絮凝泥浆. 对于粒径为0.050~0.075 mm的颗粒,原状泥浆中该粒径组分质量分数小于絮凝泥浆,即APAM(28%)>FeCl3(26%)>HCA(25%)=Ca(OH)2(25%)>原状泥浆(24%). 对于粒径>0.075 mm的颗粒,该粒径组分质量分数排序为APAM(12%)> FeCl3(11%)> HCA(9.5%)>原状泥浆(6.8%)> Ca(OH)2(6.6%),絮凝泥浆占比普遍更高. 分析可知:絮凝作用使泥浆中粒径<0.05 mm的细颗粒黏结凝聚形成更大颗粒,导致细颗粒质量分数降低、粗颗粒质量分数增加,进而使颗粒分散性降低,这是絮凝剂调理泥浆快速沉降的主要机理.

相比于原状泥浆,APAM絮凝泥浆中粒径<0.05 mm的颗粒组分占比降低了7%,高于其他絮凝剂对应的降低幅度(HCA(3%)、FeCl3(6%)、Ca(OH)2(4%)). 究其原因,是由于APAM相对分子质量较大,其分子链上存在很多带电活性基团,能与泥浆颗粒表面氢键互相吸附,促进絮凝剂与细颗粒结合;此外,分子链活性基团间的静电斥力作用使分子链充分舒展,有利于发挥高分子链的架桥作用,从而生成粒径更大的絮体. 同时,由于高分子长链之间相互缠绕,絮体与絮体更易接触结合形成絮团,导致絮团粒径进一步增大. Ca(OH)2絮凝泥浆在各粒径范围内的颗粒质量分数变化很小,即Ca(OH)2并不能显著增大原始泥浆中的颗粒粒径. 然而,相关研究证实,在真空作用下,Ca(OH)2对颗粒胶结形成骨架起重要作用,可显著提高泥浆泥水分离效率[10].

2.3. 絮凝泥浆微观机理

图9所示为絮凝泥浆试样放大2×104倍后的微观形貌. 图9(a)中原始泥浆试样的粒径分布较为均匀且细颗粒较多,泥浆颗粒倾向于平行方式沉积,此时颗粒间相互排斥作用占据主导地位,颗粒间以面对面方式接触. 经絮凝作用后,从图9(b)(d)中可明显观察到颗粒黏结团聚现象,即细颗粒明显偏少、粗颗粒显著增多,这与上述颗粒粒径分析结果一致. 值得注意的是,随着絮凝时间的延长,生成的团聚体数量逐渐增多,团聚体在泥浆颗粒间的无序排列导致颗粒间形成明显孔隙.

图 9

图 9   絮凝剂处理泥浆扫描电镜图(放大2×104倍)

Fig.9   SEM images of flocculant-treated slurry magnified by 2×104 times


经FeCl3絮凝后,泥浆的微观结构如图9(b)所示,颗粒在絮凝剂絮凝作用下慢慢聚集,此时粒子间相互吸引力占主导地位,细小颗粒聚集形成更大团絮体,絮凝体间易产生空隙,土颗粒接触方式更加随机.

与FeCl3絮凝泥浆相比,经APAM絮凝后,泥浆颗粒聚集现象更为明显(见图9(c)),即如前所述,APAM絮凝作用优于FeCl3. 原因如下:APAM分子主链上的酞胺基具有很强的化学活性,能与泥浆中的悬浮泥浆颗粒反应,生成各种聚丙烯酰胺的衍生物,形成团聚体. APAM分子中相邻官能团间的离子静电斥力及分子与颗粒表面间的斥力随pH值的升高而增大,试验用泥浆呈弱碱性(pH=8.5),可提高分子间静电斥力,使分子链更为舒展,扩大其吸附范围,增强长分子链的架桥絮凝能力,使更多颗粒被吸附至分子链上,进而使絮团进一步增大.

分析图9(d)中APAM+FeCl3絮凝泥浆试样发现,泥浆絮体结构更加密实紧凑、排列更加随机. 这是由于泥浆中无机黏土矿物的质量分数较高,而APAM和泥浆颗粒都带有负电荷,絮凝过程中基本不可能发生电中和作用,主要是通过吸附架桥作用产生坚固、难以分离的更大块状体,加入FeCl3可增强絮凝过程中的电中和作用,使絮凝效果更加显著[19].

3. 结 论

(1)无机絮凝剂通过改变泥浆颗粒表面的电位,发挥骨架构建作用,使颗粒脱稳重新凝聚形成网状絮体,有效改善了原始泥浆沉降性能. 试验结果证明:FeCl3絮凝效果优于Ca(OH)2,适宜投加密度为1 200 mg/L.

(2)有机絮凝剂通过其高分子长链,网捕和卷扫泥浆中细小颗粒,可显著加快絮团沉降,但投加密度过高会导致分子链发生卷曲,抑制架桥作用,调理效果变差. 当单独投加有机絮凝剂时,300 mg/L的APAM的絮凝泥浆调理效果最佳.

(3)无机絮凝剂的电中和作用与有机絮凝剂的架桥作用有效结合,使得复合絮凝剂对泥浆的絮凝效果优于单掺絮凝剂,其中,APAM+FeCl3组合的絮凝效果最好.

(4)在高分子长链作用下,细颗粒(粉粒、黏粒)有效黏结团聚,形成粒径更大絮体,长链间的相互缠绕使絮体与絮体结合形成絮团,粒径进一步增大,导致细粒组分占比减少,粗粒组分占比增加.

本研究通过研究泥浆泥水分离规律,探究絮凝剂添加类型及投加密度对泥浆脱水性能的影响,明确了絮凝剂作用原理和絮凝泥浆粒径变化规律,为武汉地区现场钻孔灌注桩废弃泥浆脱水处理技术提供参考依据.

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