泥浆快速化学脱稳与固液分离试验研究

冷凡，庄迎春，刘世明，陈兵

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240;2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014)

铁路桥梁施工过程中的保护孔壁、井壁压力平衡和冷却钻头等处理工艺常需采用泥浆进行，这些废弃泥浆使用后留在施工现场，如储存池渗漏、溢出和淹没都会引起地下水和地表水污染，并危及周围的生态环境。因而，需对废弃泥浆进行无害化处理。固液分离法是国内外常用的膨润土废弃泥浆的处理方法，其中最具发展前景的固液分离法是利用化学脱稳与固液分离原理处理废弃泥浆，用该方法处理废弃泥浆，不仅可以有效地减少废弃泥浆的体积，同时也解决了废弃泥浆液对环境的污染问题。

现在国内外常用的固液分离方法有:1)通过机械物理方法脱稳［1］;2)利用工业石膏的水化作用［2］;3)添加高分子絮凝剂(或其他固化助剂)，加入废水中，产生压缩双电层，使废水中的悬浮微粒失去稳定性，胶粒物相互凝聚使微粒增大，形成絮凝体。絮凝体长大到一定体积后即在重力作用下脱离水相沉淀，从而去除废水中的大量悬浮物，从而达到水处理的效果［3］。以现有的泥浆脱水固化技术，为使泥浆可以进一步进行固化处理，对泥浆初步固液分离的程度有一定的要求，其初步要求的含水率在100%左右［4］，故本次实验以含水率100%作为絮凝脱稳的预期目标。

现有的泥浆固液分离研究主要集中在絮凝剂的选择上，且往往针对某种特定性质的较低含水率(通常低于150%)泥浆，而对不同机理絮凝剂的混合使用，以及助剂对高含水率泥浆絮凝效果的影响的研究还比较少。

本文在确定有机高分子絮凝剂作为主要絮凝剂的基础上，辅助添加一定量的助剂，通过考察在一定絮凝时间后剩余泥浆的含水率得到含水率的变化曲线，并观察上层清液的悬浮颗粒状况，比较了絮凝剂与助剂共同作用的絮凝脱稳效果，以期对工程实际中的泥浆处理提供一定的参考意见。

1 泥浆化学脱稳试验

1.1 原材料

1.1.1 絮凝剂

本研究中选用了4种高分子絮凝剂，如下:

1)絮凝剂A:聚环氧乙烷，分子量2 300×104，为白色粉末;

2)絮凝剂B:聚环氧乙烷，分子量4 500×104，为白色粉末;

3)絮凝剂C:聚环氧乙烷，分子量9 000×104，为白色粉末;

4)絮凝剂D:对比絮凝剂，即PAM(聚丙烯酰胺，分子量 150×104～2 000×104)，为白色粉末，是工业中常用高分子絮凝剂.

絮凝剂药液制备:分别取500 g水与1.5 g不同的絮凝剂，边搅拌边加入，经过几个小时，絮凝剂完全溶解形成浓度为0.3%的清液。

1.1.2 助剂

1)水泥:42.5级普通硅酸盐水泥，其28 d抗压强度为57.5 MPa，矿物组成见表1;

2)粉煤灰:上海吴泾发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，具体成分见表1;

3)减水剂:萘系高效减水剂，液态;

4)聚合氯化铝:黄色粉末。

表1 胶凝材料化学成分质量百分比Table 1 Chemical mass composition of cementitious materials %

1.1.3 泥浆泥样

泥样取自浙江一濒海工地，为粘性土，天然含水量较高，有机质的含量较高，将采集到的泥样烘干粉碎后，与水按照质量比调配制成含水率400%的泥浆备用。

1.2 试验方法

采用烧杯絮凝实验法，具体步骤为:取一定数量的烧杯，分别加入经充分混匀的调配泥样，以一定次序加入絮凝剂和助剂，快速搅拌20 s，慢速搅拌30 s，静置一段时间后，待有明显的固液分离现象之后，每隔一定时间，量取分层后的上层清液，用下式得到泥浆当前含水率:

式中:m1为原体系中含水质量，m2为处理后上层清液质量，m为干土质量。

2 结果分析与讨论

2.1 EP 絮凝剂影响

在泥浆试样，分别加入絮凝剂A、B、C、D药液，药液投加量为泥浆总质量的0.02%，处理后泥浆含水率随时间变化曲线见图1。从图1可见:絮凝剂C的絮凝脱稳效果显著地优于其他絮凝剂，处理后的泥浆含水率较其他试样低50%～75%。根据高分子絮凝剂的作用机理，其中起主导作用的絮凝机理是“架桥”作用，即当有机高分子物质浓度较低时，吸附在颗粒表面上的高分子长链同时吸附在另一个颗粒的表面上，通过“架桥”的方式将2个或更多的微粒联在一起，形成比较大的絮团，从而导致絮团沉降，达到絮凝脱稳的效果［5］，絮凝机理如图2所示。

图1 4种高分子絮凝剂的絮凝效果Fig.1 The results of different flocculating agents

以絮凝剂C作为研究对象，探讨了其投放量对絮凝效果的影响。图3给出了絮凝剂C不同投放量对泥浆脱稳效果的影响。从图中可见，絮凝剂C存在一个最优投放量，并非其投放量越大其快速脱稳效果越佳，在本研究中，其最佳投放量为0.018%，在实验条件下，该试样较其他试样更快地降低了含水率，固液分离的效率更高，可见越高分子量的絮凝剂，脱稳效果越佳。

图2 絮凝机理示意图Fig.2 The mechanism of flocculation

图3 絮凝剂投放量对絮凝效果的影响Fig.3 Effects of dosages of flocculating agents

2.2 助剂的影响

2.2.1 助剂种类影响

考虑到泥浆脱稳后通常需要进行固化处理，而泥浆本身是一种稳定的胶体体系，加入一些无机的矿物成分，有助于打破这种胶体体系，加速其快速脱稳和固化。为此，本研究在选用絮凝剂C并采用最佳投放量的基础上，加入几种不同的无机助剂，投放顺序为首先投放满足最优投放比例的絮凝剂，充分搅拌之后加入一定量的助剂，投放量为泥浆质量的0.8%。不同助剂对泥浆快速脱稳效果影响，见图4。

水泥与聚合氯化铝在实验条件下都取得了不错的絮凝脱稳效果，处理后的泥浆含水率较单独添加减水剂的试样低25%，较单独添加粉煤灰的试样低200%;由于作用时间较短，反应不充分，粉煤灰并没有产生很明显的固液分离效果;单独添加减水剂，减小了絮团大小，上层清液更加清澈，但是对固液分离效果的提高并不十分明显。

聚合氯化铝:常用的无机絮凝剂，主要作用机理为电中和。在实验中，添加聚合氯化铝的试样的固液分离的效率较高，最终的脱稳效果较佳。

图4 4种助剂对絮凝效果的影响Fig.4 The results of different additives

粉煤灰:粉煤灰的主要氧化物组成为 SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等［6］。其中的铝，硫，硅都是无机絮凝剂的主要组成成分，加以一定条件下的处理，可作为絮凝剂使用［7］，粉煤灰所发挥的固液分离作用，主要在于其中溶出的铝、铁 等带正电荷的离子在泥浆胶体体系中，不仅能起到电中和的作用，而且与非离子表面活性剂形成高分子聚合物，随着缩聚反应的不断进行，聚合物的电荷会不断增加，最终使胶体脱稳凝聚。在实验中，并没有产生明显的效果，其絮凝效果反而比未加入无机助剂更差，其原因如下:1)单独添加的粉煤灰本身结构致密，未与原混合物中的物质发生化学反应，其中的活性成分未得到激活;2)絮凝剂发生絮凝反应，需要足够的土颗粒表面积，悬浮的粉煤灰附着于下层的土颗粒上，反而阻碍了絮凝剂与土颗粒的充分接触，从而减弱了絮凝效果。

水泥:普通硅酸盐水泥主要是由 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分组成［8］。水泥与泥浆混合后，与泥浆的水产生水化和水解作用，首先生成氢氧化钙和多水硅酸钙。二者都能迅速溶解与水中，逐渐使泥浆中自由水饱和形成胶体，另一方面，使水泥颗粒表面重新露出，再与土中的水发生作用形成水化物，如此反复，即通过水泥与水之间的化学反应结合自由水，从而使得其与泥土颗粒之间脱离，起到固液分离的作用。水泥的脱稳效果也比较显著，其曲线基本与聚合氯化铝相重合。

减水剂:水泥加水拌合后，由于水泥颗粒分子引力的作用，使水泥浆形成絮凝结构，使10%～30%的拌合水被包裹在水泥颗粒之中，不能参与自由流动和润滑作用，从而影响了混凝土拌合物的流动性。当加入减水剂后，由于减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同一种电荷(通常为负电荷)，形成静电排斥作用，促使水泥颗粒相互分散，絮凝结构破坏，释放出被包裹的部分水，使之参与流动，从而有效地增加混凝土拌合物的流动性［9］，同时“打散”泥浆胶体体系与“水泥水化物笼”，使得絮凝剂高分子得以与泥土颗粒充分接触，自由水也得以排出。在单独添加减水剂的试样中，泥浆絮团明显较其他试样小，可见减水剂在其中起到了激发泥浆颗粒表面活性的作用。

综上，助剂所起的作用大致可分为2类:1)本身即作为絮凝剂参与泥浆脱稳，如聚合氯化铝和粉煤灰;2)在与水或者其他助剂的作用中，其产物一定程度上促进了絮凝剂与泥浆体系的相互反应，加速了泥浆胶体体系脱稳的进程，如水泥与减水剂。考虑到助剂本身的掺量不多以及成本问题，另外在工程实际中，水泥也常作为土壤固化剂应用，故此后的助剂实验主要围绕水泥展开。在此基础上，调整水泥的加入量:水泥投入量分别为泥浆质量的 0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.2%，实验结果见图 5，水泥的水化本身也会消耗部分自由水，使之变成结合水而难以脱离体系，因而泥浆处理后的含水率与水泥的投入量并非完全正相关，在实验条件下，最佳的水泥投入量为泥浆质量的1%，较之其他试样，固液分离的效果更高，而最终的含水率也低25%～100%。

而根据减水剂的作用机理，除减絮团大小，并使上层清液中固含量更低之外，在之后的固化处理中，其主要作为土壤颗粒分散剂，减小脱稳后泥样的孔隙大小，并使得孔隙分布更均匀，故在之后的实验中，在添加了水泥作为主要助剂的情况下，加入了适量的减水剂，以增强固液分离的效果，并为之后的固化处理做准备。

图5 水泥投入量对絮凝效果的影响Fig.5 The effects of dosages of cement

2.2.2 投放顺序的影响

在之前实验的基础之上，选择水泥，减水剂作为助剂，投入量分别为泥浆质量的1%(水泥);水泥质量4%(减水剂)，调整高分子絮凝剂与助剂的投放顺序:顺序1为首先加入絮凝剂C，充分搅拌后加入水泥，再次充分搅拌，最后再加入减水剂;顺序2为减水剂→水泥→絮凝剂C;顺序3为水泥→絮凝剂C→减水剂;顺序4为水泥→减水剂→絮凝剂C。实验结果见图6。

图6 助剂投放顺序对絮凝效果的影响Fig.6 The results of different sequences of additives

可见，顺序4较其他试样更快地降低了含水率，其固液分离的效率更高，在0～2 min，已经大幅地降低了泥浆的含水率，且其最终含水率也较其他试样低35%～85%，因而在本项目实验条件下，最优的投放顺序是顺序4，即:水泥→减水剂→絮凝剂。

根据污泥脱水相关研究［10］，水泥作为一种固化剂，在前期加入污泥之后，会减小泥饼的压缩性，并固定连通孔隙，使得絮凝处理后的自由水更容易通过孔隙排出。本实验中所用到的高含水率泥浆，在单独加入水泥后，得到了较好的固液分离效果，滤出上层清液之后，在下层的泥浆混合物中，水泥起到了一定骨架构建的作用，混合物中的孔隙被初步“固化”。而减水剂的加入，促使水泥颗粒相互分离，释放出被“骨架”所包裹的部分水，从而起到了连通孔隙的作用，二者共同起到了“助凝”的作用。反应机理环环相接，故存在较优投放顺序，若不按照一定的投放顺序，则相当于助剂与絮凝剂分别单独作用，并不能起到很好的混杂效应。

3 结论

通过实验研究得出如下结论:

1)通过实验确定了效果较好的絮凝剂，分子量大的絮凝剂有着更好的脱稳效果，通过调整絮凝剂的投入量，得到了絮凝剂C在实验条件下的最优投放量。

2)通过与不同助剂的混杂，得到了高分子絮凝剂与不同助剂间的混杂效应，其中，水泥有着较好的效果，当水泥掺量在泥浆质量的1%时，效果最佳。减水剂的加入可以减小絮团大小，对脱稳以及之后的固化处理也起着促进作用。

3)试剂的投放顺序对泥浆的絮凝脱稳效果也有着很大的影响。

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