基于响应面法优化的飞灰中氯盐磁化水浸出条件及机理研究

彭祥玉,田家怡,王宇斌,郝 锐,张 帅,李淑芹

(西安建筑科技大学 资源工程学院,陕西 西安710055)

0 引言

随着我国城镇化进程的加快,城市垃圾产生量逐年增加。目前,我国垃圾无害化处理的主要方式有卫生填埋、堆肥处理和焚烧发电等,其中焚烧处理技术应用最广[1-3]。然而,垃圾焚烧过程中会产生3%～10%的副产物飞灰,这是一种含有大量有害物质的粉状细微颗粒,已被列为“危废”(编号HW-18)[4]。因此,开展飞灰的资源化利用研究,对于实现飞灰的无害化和资源化具有重要意义。

飞灰无害化处置主要采用水泥固化技术,该技术具有操作方便、设备简单等优势,但飞灰中含有的高浓度氯盐会降低水泥等资源化产品的质量,导致生产设备腐蚀结皮[5-6]。因此,降低飞灰中的氯盐含量是实现飞灰无害化处置的关键。近年来,飞灰中氯盐去除的方法主要有水洗法、化学浸提法和热处理法等[7-8]。其中,水洗法是一种廉价、简单的飞灰脱氯技术,并已在国内外得到了广泛应用。罗智宇等[9]探索了利用水洗法去除飞灰中的氯盐,结果表明,当液固比为3、水洗时间为30 min时,飞灰中氯盐的去除率在85%左右。张曙光等[10]采用水浸法去除飞灰中的氯盐,发现在浸泡1～3 d后才可进入高温煅烧工艺流程。水洗工艺去除飞灰中氯盐的效率较低,且时间较长。为此,有些学者将膜分离技术和超声预处理水技术用于去除飞灰中的氯盐。虽然这些方法均可提高氯盐的去除效率,但洗涤工艺操作复杂,且流程长,不利于飞灰的大规模工业化处理。因此,开发绿色低成本的辅助技术对飞灰的工业化处理具有现实意义。

磁化预处理技术作为一种物理手段具有环保、能耗低的优点,在农业、医学以及净化等领域得到了广泛应用。蔡明蕾等[11]研究发现,为黄瓜幼苗浇灌磁化水具有改善其生长或生理活动的作用。王真等[12]研究发现,磁化水可提高辉钼矿粗选作业的回收率。李淑芹等[13]研究发现,利用交变频磁场制备的磁化水可提高混凝土抗裂性能。相关研究[11-13]表明,对水进行磁化预处理后,水中形成了新的氢键网络,从而改变了水的团簇结构;磁化水与普通水相比,其密度、黏度较小,具有更强的活性以及更好的溶解能力和渗透能力。由此可见,通过磁化预处理可以改变水的性质。

基于此,本文采用水洗工艺探究磁化水体系下飞灰中氯盐的去除效果,设计了Box-Behnken试验,建立了线圈匝数、电流频率及固液比3个因素与飞灰中氯盐浸出率之间的数学模型,并利用响应面分析法分析各因素之间的交互作用,明确最佳工艺条件。通过表面张力和黏度分析,进一步证实磁化水可以有效提高飞灰除氯效果。研究成果可为磁化水体系下飞灰中氯盐的浸出研究提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用城市生活垃圾焚烧飞灰取自上海某垃圾焚烧发电厂,飞灰采用袋式除尘器收集,在105 ℃下干燥后密封保存;试验用水为实验室自来水。为了解飞灰中主要元素的含量,对其进行了化学多元素分析,结果见表1。

表1 飞灰化学多元素分析结果 单位:%

由表1可知:飞灰中的主要元素为Ca、Cl、Na等;CaO在飞灰中的质量分数最高,为27.94%;Cl的质量分数达到了18.72%,其可能以氯盐(KCl、NaCl等)的形式存在。由此可见,飞灰资源化利用前需要采用水浸工艺去除氯盐,以提高飞灰综合利用效率。

1.2 试验仪器

MHS-5200A型信号发生器,郑州明禾电子科技有限公司;S-75-24型整流器,浙江华晶整流器有限公司;24V/60W水泵,湖北晨光泵业股份有限公司;HJ-4B型双数显恒温磁力搅拌器,常州金坛精达仪器制造有限公司;TDL-80-2B台式离心机,上海安亭科学仪器厂;PIC-20型离子色谱仪,青岛普仁仪器有限公司;QBZY-2系列全自动表面张力仪,上海聚宏仪器设备有限公司;Haake Mars 40型旋转流变仪,赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

1.3 水浸试验

水浸试验所用的水需先作磁化预处理,具体步骤为:将500 mL自来水倒入缠绕铜漆包线的烧杯中,此烧杯外壁连接水泵(水循环)与信号发生器(可调节电流频率等参数),利用交变电流产生的交变磁场对烧杯内的水进行磁化,磁化装置见图1;将制备好的磁化水与飞灰按照一定比例在常温(25 ℃)下搅拌(400 r/min),并水浸20 min;水浸结束后进行过滤、洗涤,收集并测量滤液体积,采用离子色谱仪对滤液中氯离子进行测定,最后计算飞灰中氯盐的浸出率。

图1 磁化装置示意图

2 试验结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

在磁化时间为20 min、波形为正弦波的条件下,探索线圈匝数、电流频率及固液比对飞灰中氯盐浸出率的影响规律,试验结果见图2。

图2 各因素对氯盐浸出率的影响

据文献[14]报道,线圈内部的平均磁感应强度与线圈匝数成正比,外加磁场可引起水的性质发生改变,使水团簇结构内部的氢键断裂或重组,离子扩散速度加快[15]。由图2a可知:随着线圈匝数的增加,飞灰中氯盐的浸出率升高;当线圈匝数为130 N时,氯盐浸出率高达89.45%,随后增幅减小;当线圈匝数继续增至150 N时,氯盐浸出率为89.56%。因此,后续试验取线圈匝数为130 N。

据文献[16]报道,电流频率在一定范围内增大可以影响感应电流密度和磁感应强度的分布,从而影响氯盐浸出率。由图2b可知:当电流频率从0.30 kHz增至0.90 kHz时,飞灰中氯盐的浸出率增幅较小;当电流频率从0.90 kHz增至1.20 kHz时,飞灰中氯盐的浸出率增幅明显增大;当电流频率为1.50 kHz时,氯盐浸出率高达91.30%;继续增大电流频率,氯盐浸出率增幅变小。因此,后续试验取电流频率为1.50 kHz。

由图2c可知:随着固液比的增大,飞灰中氯盐的浸出率先升高后降低;当固液比为0.30时,飞灰中氯盐的浸出率最高,为92.25%;当固液比继续增大时,飞灰中氯盐浸出率逐渐降低。因此,后续试验取固液比为0.30。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 Box-Behnken设计与模型拟合

基于单因素试验结果,自变量线圈匝数(X1)、电流频率(X2)和固液比(X3)的取值见表2。采用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken Design(BBD)模型对3个因素进行试验,并以飞灰中氯盐浸出率为响应值Y,建立各因素与响应值之间的函数关系,试验结果见表3。对表3中的试验数据进行多元回归拟合分析,得到磁化水水浸飞灰中氯盐浸出率模型,其氯盐浸出率和因素水平值的二次多项式回归方程为:Y=70.245 49+0.370 21X1-14.115 46X2+32.019 57X3+0.035X1X2+0.137 5X1X3+52.583 33X2X3-2.057 93×10-3X12-3.285 43X22-126.782 61X32。此外,对表3中的试验数据进行方差分析和显著性检验,结果见表4。

表2 响应面设计因素及水平

表3 响应面试验设计及结果

表4 响应面试验回归方程方差分析结果

F值和P值被广泛用于判定模型项的显著性,F值越大、P值越小(<0.05)表示方程项越显著[17]。由表4可知,响应回归模型的F=40.21,P<0.000 1,表明此模型具有较高的显著性。另外,失拟项P=0.115 9>0.05,无显著性差异,说明该回归方程可信度高,模型拟合度较高。由表4中各因素水平的P值可以看出,对飞灰中氯盐浸出率的影响程度排序为X3>X2X3>X1X2>X1>X1X3>X2。其中,方程的一次项X3、交互项X2X3均为显著因子(P<0.01)。由此可见,在磁化水水浸飞灰过程中,固液比对氯盐去除效果的影响较大,其次为线圈匝数。

基于二次多项式回归方程,并结合表3中的试验参数,可得飞灰中氯盐的浸出率预测值,将其与试验实测值进行线性拟合分析,结果见图3。

图3 氯盐浸出率预测值与实测值对比

由图3可知,飞灰中氯盐的浸出率预测值与实测值吻合程度良好(R2=0.981 0),说明该模型拟合度较高,能反映各影响因素与响应值之间的相关关系。

2.2.2 响应曲面分析

为了更直观地了解各因素之间的交互作用对氯盐浸出率的影响,采用软件Design-Expert 8.0.6绘制不同组合因子与氯盐浸出率之间的等高线图和响应曲面图(见图4)。

图4 氯盐浸出率等高线图和响应曲面图

响应面等高线图可以直观地反映各因素对响应值的影响,以便找出最佳工艺参数。

相关研究[18-19]表明,响应面图的曲面坡度越陡、等高线图越接近椭圆形,则两因素的交互作用越显著,反之则越不显著。由图4可知,各因素的交互作用对飞灰中氯盐浸出率的影响在所选范围内均存在最大值,故各因素对浸出率都有较大影响。其中X1X2和X1X3坡面较平缓,X2X3曲面最陡,说明X2(电流频率)和X3(固液比)的交互作用对磁化水水浸飞灰氯盐的浸出率影响较大。另外,根据二阶回归方程中的交互项系数绝对值大小也可判断各因素交互作用对飞灰氯盐浸出率的影响程度。综上所述,在磁化水水浸飞灰氯盐过程中,各因素对浸出率影响最大的交互关系为X2(电流频率)和X3(固液比),这与表4中的方差分析结果一致。

2.3 优化条件下的验证试验结果

利用 Design-Expert 8.0.6软件对工艺参数进行优化组合,得到飞灰中氯盐浸出效果最佳工艺条件为:固液比0.40,线圈匝数116 N,电流频率1.50 kHz。在此条件下开展了3次验证试验,结果见表5。

表5 验证试验结果

由表5可知,飞灰中氯盐的浸出率平均值为92.90%,与预测值93.465%的相对误差仅为0.565%。由此可见,该模型可较准确地预测磁化水水浸飞灰氯盐的浸出率。

2.4 磁化水强化氯盐水浸效果的作用机理

为了揭示磁化预处理对水的性质及其对飞灰中氯盐浸出效果的影响,利用表面张力和黏度探索磁化预处理前后水性质的变化规律。由上可知,线圈匝数对氯盐浸出率的影响较大,因此对不同线圈匝数磁化水的表面张力和黏度性质进行检测,结果见图5。

图5 不同线圈匝数磁化水的表面张力和黏度检测结果

由图5a可知:随着线圈匝数的增加,磁化水的表面张力减小;当线圈匝数为0(未磁化预处理)时,水的表面张力为62.03 mN/m;线圈匝数增至130 N时,磁化水的表面张力为57.54 mN/m;若持续增加线圈匝数,磁化水的表面张力无明显减小。相关研究[20]表明,磁化预处理可以影响电子间相互作用,使水中部分氢键断裂从而导致氢键网络团簇结构发生改变,水分子间氢键作用不断弱化使得内部水分子对表面分子层分子的作用力减弱,水的表面张力减小。浸出溶液表面张力减小使得浸出溶液的运动阻力也减小,从而强化了浸出溶液的流动和传质作用[21]。由图5b可知:随着线圈匝数的增加,磁化水的黏度减小;当线圈匝数为0(未磁化预处理)时,水的黏度为1.136 66 mPa·s;当线圈匝数增至130 N时,磁化水的黏度最小,为0.848 01 mPa·s;继续增加线圈匝数,磁化水的黏度无明显变化。由此可见,磁化预处理使水分子间的相互作用减弱并使流体的黏滞性、阻力减小,加快了水分子在料浆中的扩散及水分子对飞灰颗粒孔隙的渗透,从而提高了飞灰中氯盐的浸出效果[22]。

3 结论

a.线圈匝数、电流频率及固液比与飞灰中氯盐的浸出率之间的回归方程为Y=70.245 49+0.370 21X1-14.115 46X2+32.019 57X3+0.035X1X2+0.137 5X1X3+52.583 33X2X3-2.057 93×10-3X12-3.285 43X22-126.782 61X32;在磁化水水浸飞灰过程中,3个因素对氯盐浸出率的影响程度由大到小依次为固液比、线圈匝数、电流频率。

b.响应面分析结果表明,磁化水水浸飞灰氯盐的最佳工艺条件为:固液比0.40,线圈匝数116 N,电流频率1.50 kHz。在此条件下进行了3次平行试验,氯盐的浸出率平均值为92.90%,与预测值接近。由此可见,基于响应面法建立的模型准确度较高。

c.磁化预处理水可以有效减小水溶液的表面张力和黏度,从而加快水分子在料浆中的扩散及水分子对飞灰颗粒孔隙的渗透,强化飞灰氯盐的浸出效果。