阴离子型聚丙烯酰胺在废弃桩基泥浆处理中的应用

Posted 2023-01-12 丙烯酰胺

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采用X射线衍射、激光粒度仪及微电泳仪对废弃桩基工程泥浆进行了性质分析。以阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)对其进行絮凝分离实验。分析了泥浆浓度对APAM最少投加用量的影响；研究了APAM投加量、分子量、泥浆pH值等因素及聚合氯化铝(PAC)与APAM复合使用对絮凝效果的影响。结果表明：泥浆为呈负电性、微米级硅铝酸盐类矿物微粒所形成的分散悬浮体系；泥浆含泥率低于20%时，APAM对其有较好的絮凝分离效果，APAM投加量及分子量的提升均会使絮团增大；PAC与APAM的复合使用可以降低上清液浊度，但形成的絮团会略有减小；泥浆pH值对上清液浊度影响明显，pH值为6.20时，浊度为76.0NTU，而在pH值为9.03时，浊度值高达345NTU。
0.引言
城市建设中桩基工程、隧道挖掘等施工作业通常会产生大量的废弃泥浆(文中以泥浆简称)，这些泥浆中通常包括废弃钻孔(井)浆液、泥沙及部分表层土等。泥浆通常具有一定的流动性，承载力弱，无法直接填埋，长期堆放占用大量土地，也常因其处理不当而造成河道淤塞，给环境造成了较大压力。国内外部分学者针对河湖淤泥、活性污泥资源化作了较多研究，但对桩基泥浆无害化的处理多以加入固结材料进行固化为主[3-5]，虽在一定程度上改变了泥浆的形态，提升了承载力，但在减量化、资源化再利用等方面仍存在诸多问题。实现泥浆的资源化再利用，脱水减量化是关键环节。将泥浆减量化处理，强化泥水分离过程，使其体积减小，承载力增加，这对于运输、储存及后期综合利用有重要意义。但当前研究仍多关注于泥浆的最终用途，关于泥浆脱水这一关键环节的系统研究仍较为缺乏。
聚丙烯酰胺(PAM)因其优异的特性，近年来在污泥调质脱水领域得到广泛应用[6-8]。而阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)具有较高的分子量，相对较低的价格，对大规模工程应用较为有利。本文尝试将APAM应用于废弃桩基工程泥浆的絮凝分离处理，研究APAM对桩基泥浆的絮凝效果，以期为后继工程减量化处理提供参数上的支持。
1.实验部分
1.1实验材料及仪器设备
1.1.1实验材料
实验用桩基泥浆取自无锡某建筑工地施工现场，其外观呈浅黄色，pH值为7.2～8.8，含泥率为15%～25%，相对密度为1.12～1.20，有机质质量分数小于0.5%。
APAM为JDZ_A型(江苏江达生态科技有限公司)，分子量为600万～1600万系列样品，呈白色粉末状，使用前24h内溶解，溶液质量分数为0.1%。聚合氯化铝(PolyaluminiumChloride，PAC)，宜兴市天娇净水剂有限公司。
1.1.2实验仪器
MalvernMS2000激光衍射法粒度分析仪，英国马尔文公司；BrukerD2Phaser型X衍射仪，德国布鲁克公司；JS94H型微电泳仪，上海中晨数字设备有限公司；TA6-4六联程控搅拌器，武汉恒岭科技有限公司；GDS-3C浊度仪，无锡科达仪器厂；PHS-3C型精密数显酸度计，上海康宁电光技术有限公司。
1.2实验方案及步骤
1.2.1泥浆的泥质测定
在BRUKERD2PHASER型X射线衍射仪上对泥样进行分析，分析其矿物组成；以MalvernMS2000激光粒度仪对泥浆进行粒径分析，获取其粒径分布数据；采用JS94H型微电泳仪测定泥浆悬浮微粒的ζ电位值。
1.2.2APAM在泥浆处理中的应用
将絮凝剂按预定方式与选定浓度的泥浆混匀，上清液和絮团之间将形成清晰的沉降界面，测定初始沉降时间、上清液浊度和压实层体积，表征絮凝性能，操作步骤如下。
分别于250mL烧杯中加入200mL泥样，在250r/min转速下搅拌，投加絮凝剂，至有明显絮体微粒形成时停止搅拌，静置沉降，观察上清液和絮团间清晰的界面，记录界面从量筒刻度值(200mL)降到下一刻度值(175mL)的时间，记为第1刻度沉降时间，以s表示。经静置沉降10min后，测定上清液浊度，以NTU记，并记录压实层体积，以mL表示。
絮凝剂的投加量直接影响到使用成本，同一絮凝剂溶液，应按照以上步骤，逐渐加大投加剂量，清晰沉降界面初次出现时确定为絮凝剂最少投加用量。
选用分子量为800万～1000万的JDZ_A型APAM为絮凝剂，在相同条件下考察泥浆浓度对絮凝剂最少投加用量的影响、投加量对絮凝效果的影响、PAC与APAM复合使用对絮凝效果的影响及pH值对絮凝效果的影响；筛选JDZ_A型同一系列相同水解度不同分子量的APAM絮凝剂，对比分析APAM分子量对絮凝效果的影响。
2.结果与讨论
2.1泥浆的性质测定
2.1.1泥浆主要矿物组成
取少量烘干泥样经研磨过筛后在BRUKERD2PHASER型X射线衍射仪上进行分析，其工作条件为：管电压为30kV，管电流为10mA，步长为0.02°，步时为0.1s，扫描范围为5～85°。XRD分析结果见图1。

由图1和对比查阅PDF粉晶衍射卡片可知，泥浆主要矿物组成为石英、云母及其它粘土类物质，属于层状硅铝酸盐类矿物。
2.1.2泥浆的粒径分布
泥浆微粒的粒径尺寸对其稳定性有较大影响，本实验采用湿法进样以MalvernMS2000激光粒度仪对泥浆进行粒径分析，其粒径分布数据见表1。

由表1可知，泥浆中的微粒均呈微米级别，D50为9.578μm，表面积当量径D[3，2]为3.657μm，体积当量径D[4，3]为17.660μm，表明泥浆中粒径小于10μm的微粒约占半数，微粒呈不规则状。
可见硅铝酸盐类矿物微粒水化后高度分散，形成了微米级的泥浆分散悬浮体系。
2.1.3泥浆微粒的表面荷电性
粘土类矿物的同晶质换通常会导致微粒带负电荷，进而形成双电层，双电层中吸附层与扩散层之间的电位差称为ζ电位[9-11]。通常电位差愈大，粘土微粒周围的水化膜愈厚，微粒之间愈不易因碰撞而粘结，使其难以脱稳和沉降。不同pH值下泥浆的ζ电位值见图2，考虑到工程中实际操作及脱水后泥浆的资源化利用，未对pH值进一步调整寻找等电点。

由图2可知，pH值愈高，ζ电位负值愈大，在泥浆初始pH值(7.2～8.8)下，其ζ电位在-12.686～-17.545mV范围内波动。
综上，废弃桩基泥浆是由带负电荷的、微米级别的硅铝酸盐类矿物微粒形成的高度分散混合悬浮体系。
2.2APAM在泥浆处理中的应用
2.2.1泥浆的自然沉降实验
以原泥浆上清液对泥浆试样进行稀释，制取不同含泥率的泥样，在1000mL量筒中加至满刻度进行静置自然沉降实验，不同浓度泥浆自然沉降的实验结果见图3。

由图3可知，在未投加任何药剂的情况下，泥浆浓度越高，自由沉降速度相对越慢，清液面高度值越大。含泥率为24.8%的泥浆在静置沉降450min后，清液面高度仍位于910mL处。可见，泥浆初始浓度愈高，因其粘土微粒间距愈小，微粒间的静电排斥力愈强，受扩散层水化膜的影响微粒间距难以进一步靠近，宏观上表现为清液面高度难以下降。
不外加絮凝剂仅依靠自然沉降对泥浆进行分离不具有工程上的可行性。
2.2.2泥浆浓度对APAM絮凝效果的影响
泥浆浓度不仅影响到泥浆分散体系的易脱稳性，同时对后继絮凝操作过程有直接影响，选定合适的泥浆浓度具有必要性。
以原泥浆上清液对泥样进行稀释，制取不同含泥率的泥样，研究不同泥浆浓度下的絮凝剂最少投加用量(绝对值)、第1刻度沉降时间及压实层体积等相关参数的变化趋势见图4～图6。

由图4可知，泥浆浓度对絮凝剂最少投加用量(绝对值)影响明显，泥浆浓度愈高，絮凝分离单位质量的泥浆微粒所需的APAM量愈大。这是由于微粒总有效表面积随浓度提升明显，影响到了高分子链对微粒表面的氢键结合及架桥絮凝。
图5、图6表明，含泥率低于20%时，在APAM最少投加用量下，均有较好的初始分离速度，但含泥率升至22%时，初始分离速度明显减缓，至26%时，第1刻度沉降时间高达180s，同时压实层体积高至170mL，可视为难以分离。综合考虑，拟选定含泥率为16%的泥浆为进一步实验对象，分析其它主要影响因子对絮凝效果的影响。
2.2.3APAM投加量对泥浆絮凝效果的影响
以含泥率为16%的泥浆为处理对象，分别投加不同量的絮凝剂，观察其絮凝效果，实验结果见图7、图8。

由图7、图8(烧杯最小刻度值间距为7.0mm，a，b，c及d分别为4种投加量下的絮体)可知，絮凝剂投加量约为58mg/L时，沉降界面初步形成，因絮团小而松散，初始沉速缓慢，压实层体积相对较大；当投加量升至约为70mg/L时，因絮团增大，沉速加大，压实层体积有所降低(可视此浓度为絮凝剂最少投加用量)。随着絮凝剂用量的继续加大，粘土微粒会同时附着在多个分子链上，产生空间位阻作用，压实层密度变小，压实层体积增大。
2.2.4PAC与APAM复合使用对絮凝效果的影响
在APAM投加量70mg/L时，PAC与APAM复合使用对絮凝效果的影响见图9。

由图9可知，在APAM投加量不变的情况下，随着PAC的投加量的增加，上清液浊度明显降低，PAC投加量升至300mg/L时，上清液浊度低于10NTU。这是由于粘土类微粒能吸附PAC在水溶液中产生的Al3+化合物和多种多核羟基络离子，被吸附的带正电的多核羟基络离子对微粒的双电层有压缩作用，降低了ζ电位，促进了微粒的聚集作用，从而提升了上清液的澄清度，同时微粒间斥力的减弱也在一定程度上减小了絮团的体积。
2.2.5泥浆pH值对絮凝效果的影响
由于高分子有机物絮凝分离的机理除大分子链的捕获外亦受微粒表面的ζ电位的影响，考虑到粘土表面所带电荷的性质通常与溶液pH值有关，通过调整pH值以获得相应的效果在实际应用中具有一定的意义。
以稀盐酸和氢氧化钠溶液调整泥浆pH值，获得不同pH值的泥浆试样，分析pH值对絮凝剂最少用量及上清液浊度的影响，实验结果见图10。

由图10可知，在pH值为6.20时，浊度为76.0NTU，而在pH值为9.03时，浊度值高达345NTU。随着pH值的降低，微粒负电势有所减弱，微粒间斥力减弱，易于脱稳而被絮凝分离，上清液浊度下降明显。
絮凝剂用量随着pH值下降而略有提升，而pH值增高时呈相反状态。原因是在低pH值下，微粒表面负电荷相对较少，同时APAM的解离也受到影响，与微粒表面多呈点接触链序状吸附，桥连作用不强，生成的絮体相对较小，絮凝剂用量稍稍增加；pH值升高，粘土颗粒表面负电荷增加，同时APAM的解离加强，分子链上-COO-基团间静电排斥力加强，APAM分子链更为舒展，更易架桥絮凝，但同时微粒与APAM斥力也相对加强，易生成较大絮团。
2.2.6不同分子量APAM絮凝效果对比
为对比分析APAM分子量对絮凝效果的影响，参照1.1中800万～1000万分子量APAM，合成同一系列相同水解度不同分子量的APAM絮凝剂，在相同条件下进行絮凝实验，基本实验数据见表2。

由表2可知，絮凝剂最少投加用量、上清液浊度并不与分子量呈较好的相关性，但絮团尺寸、压实层体积与分子量呈较好的正相关性，随着分子量的提升，絮团尺寸增大，压实层体积增大。分子量为1400万以上的APAM的絮团通常整体呈海绵状，这是因为长分子链同时吸附多个微粒，产生桥联作用，形成较大絮团，但因此过程一般并不改变微粒表面的电性质，微粒之间仍因负电性存在较大斥力，致使形成的絮团大而蓬松，分子链愈长，现象愈明显。
3.结论
废弃桩基泥浆是由带负电荷、微米级别硅铝酸盐类矿物微粒形成的高度分散混合悬浮体系，静置难以自然沉降分离。
泥浆含泥率在低于20%时，APAM对其有较好的絮凝分离效果，APAM投加量的提升及分子量的增加均会致使絮团增大，但APAM最少用量并不与其分子量呈现直接相关性。
PAC+APAM复合使用可以降低上清液浊度，通过调整pH值亦可获得类似结果，但形成的絮团会略有减小。
以APAM为絮凝剂对废弃桩基泥浆进行絮凝分离处理效果明显，作为减量化处理的前期工作具有一定的可行性。