張爍等
摘要:為了提高廢棄泥漿的壓濾脫水效率,選用PAM作為絮凝劑,采用物理—化學(xué)聯(lián)合的方法,研究不同類型、不同分子量和不同加藥量對鉆孔粘土泥漿壓濾脫水性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明,陰離子型PAM絮凝劑能明顯改善鉆孔粘土泥漿的脫水性能;相對分子量為1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑效果最優(yōu),并確定不同加藥量對鉆孔粘土泥漿壓濾脫水的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上建立最優(yōu)PAM絮凝劑壓濾脫水的數(shù)學(xué)模型,為指導(dǎo)鉆孔粘土廢棄泥漿的處理提供一定的參考價值。
關(guān)鍵詞:PAM絮凝劑;鉆孔粘土廢棄泥漿;壓濾脫水;數(shù)學(xué)模型
中圖分類號:X7991 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1672-1098(2014)01-0034-05
鉆孔灌注樁廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利等基礎(chǔ)工程,鉆孔泥漿用量一般為成孔體積的3~5倍[1]。泥漿中可加化學(xué)藥劑,使泥漿成為一種不易失水干結(jié),成分復(fù)雜,穩(wěn)定性好的膠體體系[2],因此,施工后會產(chǎn)生大量的廢棄泥漿。目前處理廢棄泥漿的一般方法是將其直接填埋,但很多泥漿被排放到田地、河道,嚴(yán)重污染土壤、河流,破壞城市生態(tài)環(huán)境,危害人的身體健康。處理廢棄泥漿成為了當(dāng)前工程建設(shè)一大難題。
國內(nèi)外對油田鉆井泥漿、礦山鉆井泥漿、城市污泥、河湖污泥和淤泥處理方法的研究較多,主要有物理、化學(xué)和物理—化學(xué)聯(lián)合等處理方法。目前,基于鉆孔廢棄泥漿的壓濾脫水研究很少,主要面臨是以下問題,①鉆孔粘土廢棄泥漿粘度大,顆粒細(xì)小,若直接采用物理的方法脫水,泥漿會堵塞脫水機(jī)濾孔,使泥漿固液難以分離;②若直接固化,鉆孔粘土廢棄泥漿含水率高,需加入大量的固化劑,成本較高;③由于每個地區(qū)土性差別較大,成分復(fù)雜,針對鉆孔粘土廢棄泥漿脫水處理使用的絮凝劑適應(yīng)性研究較為缺乏。
針對以上問題,本文采用物理—化學(xué)聯(lián)合的方法,研究PAM絮凝劑對鉆孔粘土廢棄泥漿脫水性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,提出符合壓濾脫水規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,為鉆孔粘土廢棄泥漿的處理提供科學(xué)依據(jù)。
1試驗(yàn)
11絮凝劑
選用PAM絮凝劑,分別是相對分子量1 000萬的陽離子型PAM絮凝劑(記為C1PAM)、相對分子
量1 000~1 800萬的陰離子型PAM絮凝劑(記為A1PAM~A5PAM)和相對分子量1 000萬的非離子型PAM絮凝劑(記為N1PAM)。
12試驗(yàn)設(shè)備
量筒、燒杯(1 000 mL)、秒表、攪拌器、精密電子天平、自制的液壓壓濾設(shè)備(見圖1)。
圖1自制的液壓壓濾設(shè)備
13試驗(yàn)方案
為了研究PAM絮凝劑的類型、相對分子量和加藥量對鉆孔粘土泥漿脫水性的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)了三個試驗(yàn)方案(見表1~表3),并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立符合壓濾脫水規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。
表1PAM絮凝劑類型的優(yōu)選
14試驗(yàn)步驟
按試驗(yàn)所需,用精密電子天平稱取PAM絮凝劑,分別于1 000 mL燒杯中加入500 mL攪拌均勻的鉆孔泥漿,投加絮凝劑,攪拌均勻,至有明顯絮體出現(xiàn)后停止;待靜置絮凝2 h后,將泥漿倒入自制的液壓壓濾設(shè)備,設(shè)定壓力值為08 MPa,泥漿厚度為4 cm,對泥漿進(jìn)行壓濾脫水處理;每5 min讀1次脫水量,30 min后,每15 min讀1次,壓濾時間持續(xù)180 min;記錄泥漿壓濾脫水量隨著壓濾時間的變化。按照以上步驟,即可得到每組試驗(yàn)的泥漿壓濾脫水量隨著壓濾時間的變化。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
21泥漿的物理性質(zhì)和礦物組成
通過儀器測得鉆孔泥漿的物理性質(zhì)和主要礦物成分(見表4~表5)。
從圖2~圖4可以看出,隨著壓濾時間的增加,泥漿的壓濾脫水量越來越高,壓濾脫水速度逐漸降低,泥漿的壓濾脫水曲線呈非線性增加的趨勢。三種不同類型的PAM絮凝劑在加藥量不同時,對泥漿的壓濾脫水效果的影響也不同。
泥漿壓濾脫水效果隨著C1PAM、N1PAM加藥量的增加先提升后下降(見圖2和圖4),脫水效果最好的加藥量均為10 g;隨著A1PAM加藥量的增加呈下降趨勢(見圖3),加藥量為05 g時泥漿的壓濾脫水效果最好,在45 min以后,脫水速率變快。
總之,隨著壓濾時間的延長,泥漿的壓濾脫水曲線呈非線性增大的趨勢;從脫水效果來看,陰離子型的PAM絮凝劑效果最好。
2) 最佳加藥量不同類型PAM絮凝劑的影響。對比分析最佳加藥量不同類型PAM絮凝劑對泥漿脫水性能的影響,結(jié)果如圖5所示。
t/min
1. A1PAM加藥量05 g; 2. C1PAM加藥量10 g;3. N1PAM加藥量10 g; 4. 純泥漿
圖5三種類型PAM絮凝劑最佳加藥量時泥漿壓濾脫水曲線
由圖5可以看出,在均為最佳加藥量的情況下,三種不同類型PAM絮凝劑的添加均能改善泥漿的壓濾脫水性能。A1PAM的添加加快了泥漿的脫水速率,對泥漿壓濾脫水性能改善效果最好,最終的壓濾脫水量也明顯高于純泥漿,C1PAM和N1PAM對泥漿壓濾脫水性能改善效果不明顯,最終的壓濾脫水量與純泥漿基本相等。
以上分析得出,適用于鉆孔粘土泥漿絮凝脫水的最優(yōu)PAM絮凝劑是A1PAM。
23不同相對分子量的陰離子型PAM絮凝劑的影響
在確定了最優(yōu)PAM絮凝劑的基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步優(yōu)選陰離子型PAM絮凝劑的相對分子量,選用A1PAM~A5PAM,加藥量均為05 g,泥漿壓濾脫水量隨壓濾時間的變化曲線如圖6所示。
t/min
1.A2PAM加藥量05 g; 2.A1PAM加藥量05 g; 3.純泥漿;
4. A4PAM加藥量05 g; 5. A3PAM加藥量05 g;6. A5PAM加藥量05 g
圖6添加A1PAM~A5PAM時泥漿的壓濾脫水曲線
由圖6可知,隨著陰離子型PAM絮凝劑相對分子量的增加,泥漿的壓濾脫水效果先提升后下降。
當(dāng)陰離子型PAM絮凝劑相對分子量小于1 200萬時,陰離子型PAM絮凝劑的添加對泥漿的脫水性能有所改善;當(dāng)相對分子量大于1 200萬時,隨著相對分子量的增加,泥漿的脫水效果反而越來越差。
分析原因,當(dāng)絮凝劑的相對分子量過小時,會造成泥漿不絮凝或者絮凝團(tuán)較小,會降低脫水的速度;當(dāng)絮凝劑的分子量過大時,PAM包裹泥漿微粒,絮團(tuán)間相互排斥造成絮凝效果差,其次泥漿粘度值過大,在壓濾過程中水分子通道堵塞,使絮團(tuán)束縛較多水難以通過泥漿絮凝團(tuán),壓濾脫水效果也比較差。
分別添加A1PAM和A2PAM的泥漿壓濾脫水效果都有明顯提高,改善效果也基本相同,考慮到經(jīng)濟(jì)效益,最終確定相對分子量1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑為最優(yōu)。
24最優(yōu)PAM絮凝劑加藥量的優(yōu)化及模型建立
1) 最優(yōu)PAM絮凝劑加藥量的優(yōu)化。A1PAM對于鉆孔粘土泥漿的壓濾脫水改善效果較為理想,最佳加藥量為下限05 g,為了進(jìn)一步優(yōu)選A1PAM的最佳加藥量,進(jìn)行加藥量細(xì)化的工作,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
t/min
1- 05 g;2- 008 g;3- 010 g;4- 006 g;5- 004 g
圖7A1PAM不同加藥量時泥漿的壓濾脫水曲線
由圖7可知,當(dāng)A1PAM的加藥量小于008 g時,泥漿的脫水效果隨著加藥量的增加越來越好;當(dāng)加藥量大于008 g時,隨著加藥量的繼續(xù)增加,泥漿的脫水效果沒有繼續(xù)得到改善,而是維持在一個較小的范圍內(nèi)波動。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,考慮工程應(yīng)用中的實(shí)際效益,A1PAM最佳加藥量為008 g,泥漿的體積為500 mL,即160 g/m3。
2) 最優(yōu)PAM絮凝劑壓濾脫水模型的建立。采用脫水率和時間的關(guān)系建立相應(yīng)的模型,試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線如圖8所示。
t/min
圖8A1PAM加藥量為008 g時泥漿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線圖
根據(jù)壓濾脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線形狀,泥漿的壓濾脫水規(guī)律可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá):
w=a×(1-e-bt)c (1)
當(dāng)t趨于無窮大,e-bt等于0,w等于a,即為泥漿的最初含水率7153%;當(dāng)t等于0時,w等于0。表明此模型符合泥漿的壓濾脫水規(guī)律和泥漿的特性,根據(jù)最優(yōu)壓濾脫水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,系統(tǒng)參數(shù)b和c分別為-0003 45,0553 36。其模型表達(dá)為
w=7153×(1-e-000345t)055336 (2)
式中:w為脫水率;t為壓濾時間,min。
由圖8可見,式(2)能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時間之間的關(guān)系,模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高,較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。研究結(jié)果為泥漿的處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
3結(jié)論
PAM絮凝劑適用于鉆孔粘土泥漿并能夠有效改善泥漿脫水性能,最優(yōu)PAM絮凝劑為相對分子量1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑;泥漿的體積為500 mL時最佳加藥量為008 g,即160 g/m3。
根據(jù)最優(yōu)PAM絮凝劑泥漿壓濾脫水曲線,提出了脫水率與壓濾時間的表達(dá)式,建立相應(yīng)的模型,模型表達(dá)式能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時間之間的關(guān)系,模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高,能較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。
以上研究結(jié)果,為鉆孔粘土廢棄泥漿的高效處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
參考文獻(xiàn):
[1]吳波,馬希河,楊中喜,等.油田污泥固化研究進(jìn)展[J].國外建材科技,2003(4):66-67.
[2]譚蔚,于真真,高曉沖,等.鉆井廢棄鹽水泥漿無害化脫水處理研究[J].油田化學(xué),2011(2):126-129.
[3]范英宏,潘智,劉建華,等.高速鐵路橋梁施工廢棄泥漿處理工藝研究[J].鐵道建筑,2009(12):21-23.
[4]王樹芹,羅松濤,李國忠,等.陰離子型聚丙烯酰胺相對分子質(zhì)量和水解度對污泥脫水性能影響的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,31(8):1 706-1 712.
[5]BORAN J,HOUDKOVA L,ELSASSER T.Processing of sewage sludge: Dependence of sludge dewatering efficiency on amount of flocculant[J].Resources,Conservation and Recycling,2010,54(5):278-282.
[6]JIANPING WANG,SHIJIE YUAN,YI WANG,et al.Synthesis, characterization and application of a novel starch-based flocculant with high flocculation and dewatering properties[J].Water Research.Water Research,2013,47(8):2 643-2 648.
[7]丁明,王海波,郭學(xué)峰,等.鉆井廢棄泥漿無害化、資源化處理技術(shù)[J].建井技術(shù),2012,33(3):32-34.
(責(zé)任編輯:何學(xué)華,吳曉紅)
圖6添加A1PAM~A5PAM時泥漿的壓濾脫水曲線
由圖6可知,隨著陰離子型PAM絮凝劑相對分子量的增加,泥漿的壓濾脫水效果先提升后下降。
當(dāng)陰離子型PAM絮凝劑相對分子量小于1 200萬時,陰離子型PAM絮凝劑的添加對泥漿的脫水性能有所改善;當(dāng)相對分子量大于1 200萬時,隨著相對分子量的增加,泥漿的脫水效果反而越來越差。
分析原因,當(dāng)絮凝劑的相對分子量過小時,會造成泥漿不絮凝或者絮凝團(tuán)較小,會降低脫水的速度;當(dāng)絮凝劑的分子量過大時,PAM包裹泥漿微粒,絮團(tuán)間相互排斥造成絮凝效果差,其次泥漿粘度值過大,在壓濾過程中水分子通道堵塞,使絮團(tuán)束縛較多水難以通過泥漿絮凝團(tuán),壓濾脫水效果也比較差。
分別添加A1PAM和A2PAM的泥漿壓濾脫水效果都有明顯提高,改善效果也基本相同,考慮到經(jīng)濟(jì)效益,最終確定相對分子量1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑為最優(yōu)。
24最優(yōu)PAM絮凝劑加藥量的優(yōu)化及模型建立
1) 最優(yōu)PAM絮凝劑加藥量的優(yōu)化。A1PAM對于鉆孔粘土泥漿的壓濾脫水改善效果較為理想,最佳加藥量為下限05 g,為了進(jìn)一步優(yōu)選A1PAM的最佳加藥量,進(jìn)行加藥量細(xì)化的工作,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
t/min
1- 05 g;2- 008 g;3- 010 g;4- 006 g;5- 004 g
圖7A1PAM不同加藥量時泥漿的壓濾脫水曲線
由圖7可知,當(dāng)A1PAM的加藥量小于008 g時,泥漿的脫水效果隨著加藥量的增加越來越好;當(dāng)加藥量大于008 g時,隨著加藥量的繼續(xù)增加,泥漿的脫水效果沒有繼續(xù)得到改善,而是維持在一個較小的范圍內(nèi)波動。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,考慮工程應(yīng)用中的實(shí)際效益,A1PAM最佳加藥量為008 g,泥漿的體積為500 mL,即160 g/m3。
2) 最優(yōu)PAM絮凝劑壓濾脫水模型的建立。采用脫水率和時間的關(guān)系建立相應(yīng)的模型,試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線如圖8所示。
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圖8A1PAM加藥量為008 g時泥漿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線圖
根據(jù)壓濾脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線形狀,泥漿的壓濾脫水規(guī)律可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá):
w=a×(1-e-bt)c (1)
當(dāng)t趨于無窮大,e-bt等于0,w等于a,即為泥漿的最初含水率7153%;當(dāng)t等于0時,w等于0。表明此模型符合泥漿的壓濾脫水規(guī)律和泥漿的特性,根據(jù)最優(yōu)壓濾脫水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,系統(tǒng)參數(shù)b和c分別為-0003 45,0553 36。其模型表達(dá)為
w=7153×(1-e-000345t)055336 (2)
式中:w為脫水率;t為壓濾時間,min。
由圖8可見,式(2)能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時間之間的關(guān)系,模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高,較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。研究結(jié)果為泥漿的處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
3結(jié)論
PAM絮凝劑適用于鉆孔粘土泥漿并能夠有效改善泥漿脫水性能,最優(yōu)PAM絮凝劑為相對分子量1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑;泥漿的體積為500 mL時最佳加藥量為008 g,即160 g/m3。
根據(jù)最優(yōu)PAM絮凝劑泥漿壓濾脫水曲線,提出了脫水率與壓濾時間的表達(dá)式,建立相應(yīng)的模型,模型表達(dá)式能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時間之間的關(guān)系,模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高,能較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。
以上研究結(jié)果,為鉆孔粘土廢棄泥漿的高效處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
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[6]JIANPING WANG,SHIJIE YUAN,YI WANG,et al.Synthesis, characterization and application of a novel starch-based flocculant with high flocculation and dewatering properties[J].Water Research.Water Research,2013,47(8):2 643-2 648.
[7]丁明,王海波,郭學(xué)峰,等.鉆井廢棄泥漿無害化、資源化處理技術(shù)[J].建井技術(shù),2012,33(3):32-34.
(責(zé)任編輯:何學(xué)華,吳曉紅)
圖6添加A1PAM~A5PAM時泥漿的壓濾脫水曲線
由圖6可知,隨著陰離子型PAM絮凝劑相對分子量的增加,泥漿的壓濾脫水效果先提升后下降。
當(dāng)陰離子型PAM絮凝劑相對分子量小于1 200萬時,陰離子型PAM絮凝劑的添加對泥漿的脫水性能有所改善;當(dāng)相對分子量大于1 200萬時,隨著相對分子量的增加,泥漿的脫水效果反而越來越差。
分析原因,當(dāng)絮凝劑的相對分子量過小時,會造成泥漿不絮凝或者絮凝團(tuán)較小,會降低脫水的速度;當(dāng)絮凝劑的分子量過大時,PAM包裹泥漿微粒,絮團(tuán)間相互排斥造成絮凝效果差,其次泥漿粘度值過大,在壓濾過程中水分子通道堵塞,使絮團(tuán)束縛較多水難以通過泥漿絮凝團(tuán),壓濾脫水效果也比較差。
分別添加A1PAM和A2PAM的泥漿壓濾脫水效果都有明顯提高,改善效果也基本相同,考慮到經(jīng)濟(jì)效益,最終確定相對分子量1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑為最優(yōu)。
24最優(yōu)PAM絮凝劑加藥量的優(yōu)化及模型建立
1) 最優(yōu)PAM絮凝劑加藥量的優(yōu)化。A1PAM對于鉆孔粘土泥漿的壓濾脫水改善效果較為理想,最佳加藥量為下限05 g,為了進(jìn)一步優(yōu)選A1PAM的最佳加藥量,進(jìn)行加藥量細(xì)化的工作,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
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1- 05 g;2- 008 g;3- 010 g;4- 006 g;5- 004 g
圖7A1PAM不同加藥量時泥漿的壓濾脫水曲線
由圖7可知,當(dāng)A1PAM的加藥量小于008 g時,泥漿的脫水效果隨著加藥量的增加越來越好;當(dāng)加藥量大于008 g時,隨著加藥量的繼續(xù)增加,泥漿的脫水效果沒有繼續(xù)得到改善,而是維持在一個較小的范圍內(nèi)波動。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,考慮工程應(yīng)用中的實(shí)際效益,A1PAM最佳加藥量為008 g,泥漿的體積為500 mL,即160 g/m3。
2) 最優(yōu)PAM絮凝劑壓濾脫水模型的建立。采用脫水率和時間的關(guān)系建立相應(yīng)的模型,試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線如圖8所示。
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圖8A1PAM加藥量為008 g時泥漿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線圖
根據(jù)壓濾脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線形狀,泥漿的壓濾脫水規(guī)律可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá):
w=a×(1-e-bt)c (1)
當(dāng)t趨于無窮大,e-bt等于0,w等于a,即為泥漿的最初含水率7153%;當(dāng)t等于0時,w等于0。表明此模型符合泥漿的壓濾脫水規(guī)律和泥漿的特性,根據(jù)最優(yōu)壓濾脫水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合,系統(tǒng)參數(shù)b和c分別為-0003 45,0553 36。其模型表達(dá)為
w=7153×(1-e-000345t)055336 (2)
式中:w為脫水率;t為壓濾時間,min。
由圖8可見,式(2)能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時間之間的關(guān)系,模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高,較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。研究結(jié)果為泥漿的處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
3結(jié)論
PAM絮凝劑適用于鉆孔粘土泥漿并能夠有效改善泥漿脫水性能,最優(yōu)PAM絮凝劑為相對分子量1 000萬的陰離子型PAM絮凝劑;泥漿的體積為500 mL時最佳加藥量為008 g,即160 g/m3。
根據(jù)最優(yōu)PAM絮凝劑泥漿壓濾脫水曲線,提出了脫水率與壓濾時間的表達(dá)式,建立相應(yīng)的模型,模型表達(dá)式能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時間之間的關(guān)系,模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高,能較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。
以上研究結(jié)果,為鉆孔粘土廢棄泥漿的高效處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
參考文獻(xiàn):
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(責(zé)任編輯:何學(xué)華,吳曉紅)