姚一帆，張婷，劉秀紅，姚金根，張文軍，張明青

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221016；2.上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221016)

機(jī)制砂生產(chǎn)中洗砂泥水必須經(jīng)過(guò)凈化后循環(huán)使用,嚴(yán)禁外排的現(xiàn)狀[1]，聚丙烯酰胺(PAM)等混凝藥劑在機(jī)制砂加工行業(yè)被廣泛使用。姚雪濤、符惠玲等研究表明[2-3]，絮凝劑對(duì)機(jī)制砂的亞甲藍(lán)指標(biāo)、混凝土外加劑摻量、流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度等均有影響?？茖W(xué)調(diào)控加藥制度、減少洗砂循環(huán)水中藥劑殘余，對(duì)保障混凝土性能及建筑物質(zhì)量等具有重要意義。

本文模擬洗砂及單元沉降實(shí)驗(yàn)，考察了加藥對(duì)洗砂泥水沉降澄清效果及再生循環(huán)水中的藥劑殘余情況，以期為洗砂泥水循環(huán)利用工藝的優(yōu)化及運(yùn)行管理提供借鑒和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

細(xì)石粉,采自湖州新開元碎石有限公司制砂破碎車間的除塵器；機(jī)制砂,采自該公司的機(jī)制砂成品庫(kù)；陰離子型聚丙烯酰胺(PAM)，工業(yè)級(jí)(分子量為2 000萬(wàn)、水解度30%)；實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

島津TOC-L TNM-L CSN型總有機(jī)碳分析儀；NanoBrook Omni型Zeta電位分析儀；希瑪PH818型酸堿pH計(jì)；泥水單元沉降實(shí)驗(yàn)采用500 mL沉降筒。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PAM水溶液濃度與其TOC間的關(guān)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn) 用25 ℃的自來(lái)水配制了不同濃度的PAM水溶液，測(cè)定其TOC,建立PAM水溶液濃度與其TOC之間的定量關(guān)系。

1.2.2 沉降實(shí)驗(yàn) 用細(xì)石粉和25 ℃的自來(lái)水混合，配制濃度均為100 g/L、體積500 mL的泥水；加入濃度1‰的PAM水溶液4 mL，沉降時(shí)間為15 min時(shí)，采集用于上清液濁度及TOC分析的樣品，每次的采樣位置及采樣量均相同?？疾霵AM不同添加量時(shí)的泥水沉降速度、上清液濁度及其TOC。

1.2.3 模擬洗砂實(shí)驗(yàn) 將反復(fù)搓洗并篩除其中的-200目細(xì)粉的凈砂樣品烘干后，與細(xì)石粉按照質(zhì)量比9∶1混勻，配制含石粉待洗砂，每份待洗砂樣品的質(zhì)量均為500 g。將配制好的待洗砂樣品置于孔徑為200目的實(shí)驗(yàn)篩上，浸沒(méi)于500 mL的洗砂水中，振動(dòng)1 min，控干水后，收集篩下的泥水，用于絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，其中的1號(hào)待洗砂樣品直接采用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水作為洗砂水，而后續(xù)的待洗砂樣品均采用模擬循環(huán)水作為洗砂水，即用前一次的洗砂泥水經(jīng)絮凝沉降后所產(chǎn)生的再生澄清水并補(bǔ)充適量的自來(lái)水，以保持每次的洗砂用水量均為500 mL。洗砂泥水加入1‰濃度PAM水溶液4 mL，進(jìn)行絮凝沉降和澄清，以獲得后續(xù)洗砂用的循環(huán)水。在沉降15 min時(shí)，吸取5 mL上清液，用于其TOC測(cè)定,考察洗砂循環(huán)水中的PAM殘余情況。

1.3 分析方法

1.3.1 TOC測(cè)定 絮凝劑水溶液及沉降上清液的總有機(jī)碳(TOC)使用島津TOC-L TNM-L CSN型總有機(jī)碳分析儀測(cè)定。

1.3.2 Zeta電位測(cè)定 泥水中微細(xì)懸浮顆粒的Zeta電位采用NanoBrook Omni高靈敏度Zeta電位分析儀測(cè)定。

1.3.3 泥水pH值測(cè)定 泥水的pH采用?，擯H818型號(hào)酸堿pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)石粉及泥水的主要理化特性

由表1、表2、表3及圖1可知，細(xì)石粉的主要礦物成分為石英及長(zhǎng)石，主要化學(xué)成分為硅、鋁的氧化物；細(xì)石粉中的-0.045 mm部分微細(xì)顆粒含量超過(guò)了70%；分散在自來(lái)水中的微細(xì)石粉顆粒的Zeta電位為-18.49 mV；由細(xì)石粉與水配制的濃度100 g/L的模擬洗砂泥水的pH為8.32。

表1 細(xì)石粉的化學(xué)組成

表2 細(xì)石粉的粒度組成

表3 泥水中微細(xì)懸浮顆粒的Zeta電位

圖1 細(xì)石粉X射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction pattern of fine stone powder

2.2 PAM水溶液的濃度與其TOCs間的關(guān)系

由表4可知，實(shí)驗(yàn)所用自來(lái)水本身就含有微量的有機(jī)碳，即所用自來(lái)水的本征總有機(jī)碳(TOC0)為38.84 mg/L；不同濃度PAM水溶液的TOCs值與PAM的濃度C呈高度的正相關(guān)。表4中的數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合，確定溶液TOCs和PAM濃度C之間的關(guān)系，見式(1)，相關(guān)性指標(biāo)為R2=0.992 12。

TOCs=40.379+269.795C

(1)

2.3 加藥量對(duì)泥水絮凝沉降效果及上清液TOCr的影響

圖2、圖3分別為不同加藥量所對(duì)應(yīng)的初始沉降速度、上層澄清液濁度及其總有機(jī)碳(TOCr)的檢測(cè)結(jié)果。

圖2 加藥量對(duì)澄清水濁度(a)及初始沉降速度(b)的影響Fig.2 Effect of dosage on turbidity (a) and initial settling velocity (b) of clarified water

由圖2(a)可知，隨著加藥量的增加，初始沉降速度也隨之增大。對(duì)照組的初始沉降速度僅0.03 mm/s， 添加量2 mL時(shí)的初始沉降速度為0.17 mm/s，是對(duì)照組的近6倍，加藥量為6 mL時(shí)的初始沉降速度達(dá)到1.63 mm/s，是加藥量2 mL時(shí)的近10倍；沉降過(guò)程的絮體也逐漸由細(xì)小的顆粒狀向不規(guī)則的絮狀體變化，且絮團(tuán)粒度也隨加藥量的增大而逐漸增大。泥水自然沉降的速度慢是由于懸濁液中的顆粒粒度微細(xì)且表面帶有較高的負(fù)電荷，顆粒間因強(qiáng)烈的靜電排斥效應(yīng)難以聚并，所以泥水中微細(xì)顆粒的分散性比較好、自然沉降的速度慢、澄清效果很差。而當(dāng)泥水中加入PAM以后，其中的分散的微細(xì)顆粒通過(guò)吸附作用與有機(jī)高分子物質(zhì)架橋連接，凝集為較大的聚集體而脫穩(wěn)聚沉，加快了顆粒的沉降。

由圖2(b)可知，上層澄清液的濁度隨著加藥量的增加亦顯著下降，加藥量為6 mL時(shí)的濁度僅為加藥量2 mL時(shí)的一半。這是由于投加到泥水中的PAM因其高分子量和長(zhǎng)分子鏈[4]，在泥水中形成類似于空間濾網(wǎng)似的結(jié)構(gòu)，利用其卷掃和網(wǎng)捕效應(yīng),將泥水中的難沉降膠體顆粒和微細(xì)顆粒捕獲，改善了上清液的濁度。

圖3 絮凝劑不同用量時(shí)泥水沉降澄清液的TOCFig.3 TOC of slurry settling clarifier with different flocculant dosage

由圖3可知，無(wú)藥劑添加時(shí)，泥水自然沉降實(shí)驗(yàn)的澄清液的TOCr遠(yuǎn)高于自來(lái)水的本征值，這表明細(xì)石粉中本身也存在有對(duì)總有機(jī)碳指標(biāo)具有貢獻(xiàn)的成分；隨著PAM添加量的逐漸增加，上層沉降澄清液的TOCr呈明顯的上升趨勢(shì)，顯然，這部分總有機(jī)碳的增加量是源于上清液中所溶解的殘余PAM，即TOCr隨著PAM添加量的增大，上清液中的PAM殘余濃度亦呈上升趨勢(shì)。細(xì)石粉對(duì)TOC的貢獻(xiàn)可能源于制砂原料石中所混雜的風(fēng)化黏土中的有機(jī)質(zhì)，如泥土中的腐殖酸及土壤中的微生物及其代謝產(chǎn)物[5]。

綜合考察泥水沉降速度、絮體形狀、上清液濁度及TOC含量等指標(biāo)，后續(xù)絮凝沉降實(shí)驗(yàn)的PAM溶液加入量均按4 mL。

2.4 洗砂水再生循環(huán)過(guò)程對(duì)PAM殘余的影響

基于水中的TOC含量隨PAM濃度的關(guān)系(式1)，計(jì)算出洗砂循環(huán)水中的PAM殘余濃度(表5)。

從再生澄清循環(huán)水的TOCxs中剔除自來(lái)水和石粉對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)TOC0及TOCf，由PAM殘余所導(dǎo)致的TOCp隨泥水再生循環(huán)利用次數(shù)增加略有增加,但變化的相對(duì)幅度很小，即因洗砂水再生循環(huán)利用所造成的PAM殘余量的循環(huán)積聚效應(yīng)很弱。這是由于在泥水絮凝沉降再生過(guò)程中產(chǎn)生的循環(huán)水中有一定的藥劑殘余，但當(dāng)再生水返回洗砂作業(yè)時(shí)，其中所殘余的PAM會(huì)不同程度的粘附于砂表面或與洗砂水中的泥粉相互作用而消耗，故PAM隨泥水再生循環(huán)過(guò)程的積聚效應(yīng)很不明顯。

表5 模擬洗砂水沉降后的上清液中TOC含量的變化

3 結(jié)論

(1)水溶液中的PAM濃度與溶液的TOC具有強(qiáng)相關(guān)性，在明確來(lái)源的情況下，根據(jù)TOC的含量變化考察洗砂水中的PAM殘余情況是可行的。

(2)隨著絮凝劑添加濃度增加，上清液的TOC指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，即上清液中的PAM殘余隨著其添加濃度的增大而增大。

(3)隨著循環(huán)過(guò)程的進(jìn)行，循環(huán)水的PAM殘余變化不大，即PAM殘余在循環(huán)水中沒(méi)有明顯的積聚效應(yīng)。