基于TOC的洗砂工艺再生循环水PAM残余及影响研究

2022-08-05姚一帆张婷刘秀红姚金根张文军张明青

应用化工 2022年6期

姚一帆，张婷，刘秀红，姚金根，张文军，张明青

(1.中国矿业大学化工学院，江苏徐州 221016；2.上海建工建材科技集团股份有限公司，上海 200080；3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221016)

机制砂生产中洗砂泥水必须经过净化后循环使用,严禁外排的现状[1]，聚丙烯酰胺(PAM)等混凝药剂在机制砂加工行业被广泛使用。姚雪涛、符惠玲等研究表明[2-3]，絮凝剂对机制砂的亚甲蓝指标、混凝土外加剂掺量、流动性及抗压强度等均有影响。科学调控加药制度、减少洗砂循环水中药剂残余，对保障混凝土性能及建筑物质量等具有重要意义。

本文模拟洗砂及单元沉降实验，考察了加药对洗砂泥水沉降澄清效果及再生循环水中的药剂残余情况，以期为洗砂泥水循环利用工艺的优化及运行管理提供借鉴和指导。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

细石粉,采自湖州新开元碎石有限公司制砂破碎车间的除尘器；机制砂,采自该公司的机制砂成品库；阴离子型聚丙烯酰胺(PAM)，工业级(分子量为2 000万、水解度30%)；实验用水为实验室自来水。

岛津TOC-L TNM-L CSN型总有机碳分析仪；NanoBrook Omni型Zeta电位分析仪；希玛PH818型酸碱pH计；泥水单元沉降实验采用500 mL沉降筒。

1.2 实验方法

1.2.1 PAM水溶液浓度与其TOC间的关系标定实验用25 ℃的自来水配制了不同浓度的PAM水溶液，测定其TOC,建立PAM水溶液浓度与其TOC之间的定量关系。

1.2.2 沉降实验用细石粉和25 ℃的自来水混合，配制浓度均为100 g/L、体积500 mL的泥水；加入浓度1‰的PAM水溶液4 mL，沉降时间为15 min时，采集用于上清液浊度及TOC分析的样品，每次的采样位置及采样量均相同。考察PAM不同添加量时的泥水沉降速度、上清液浊度及其TOC。

1.2.3 模拟洗砂实验将反复搓洗并筛除其中的-200目细粉的净砂样品烘干后，与细石粉按照质量比9∶1混匀，配制含石粉待洗砂，每份待洗砂样品的质量均为500 g。将配制好的待洗砂样品置于孔径为200目的实验筛上，浸没于500 mL的洗砂水中，振动1 min，控干水后，收集筛下的泥水，用于絮凝沉降实验，其中的1号待洗砂样品直接采用实验室自来水作为洗砂水，而后续的待洗砂样品均采用模拟循环水作为洗砂水，即用前一次的洗砂泥水经絮凝沉降后所产生的再生澄清水并补充适量的自来水，以保持每次的洗砂用水量均为500 mL。洗砂泥水加入1‰浓度PAM水溶液4 mL，进行絮凝沉降和澄清，以获得后续洗砂用的循环水。在沉降15 min时，吸取5 mL上清液，用于其TOC测定,考察洗砂循环水中的PAM残余情况。

1.3 分析方法

1.3.1 TOC测定絮凝剂水溶液及沉降上清液的总有机碳(TOC)使用岛津TOC-L TNM-L CSN型总有机碳分析仪测定。

1.3.2 Zeta电位测定泥水中微细悬浮颗粒的Zeta电位采用NanoBrook Omni高灵敏度Zeta电位分析仪测定。

1.3.3 泥水pH值测定泥水的pH采用希玛PH818型号酸碱pH计进行测定。

2 结果与讨论

2.1 细石粉及泥水的主要理化特性

由表1、表2、表3及图1可知，细石粉的主要矿物成分为石英及长石，主要化学成分为硅、铝的氧化物；细石粉中的-0.045 mm部分微细颗粒含量超过了70%；分散在自来水中的微细石粉颗粒的Zeta电位为-18.49 mV；由细石粉与水配制的浓度100 g/L的模拟洗砂泥水的pH为8.32。

表1 细石粉的化学组成

表2 细石粉的粒度组成

表3 泥水中微细悬浮颗粒的Zeta电位

图1 细石粉X射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction pattern of fine stone powder

2.2 PAM水溶液的浓度与其TOCs间的关系

由表4可知，实验所用自来水本身就含有微量的有机碳，即所用自来水的本征总有机碳(TOC0)为38.84 mg/L；不同浓度PAM水溶液的TOCs值与PAM的浓度C呈高度的正相关。表4中的数据通过最小二乘法进行拟合，确定溶液TOCs和PAM浓度C之间的关系，见式(1)，相关性指标为R2=0.992 12。

TOCs=40.379+269.795C

(1)

2.3 加药量对泥水絮凝沉降效果及上清液TOCr的影响

图2、图3分别为不同加药量所对应的初始沉降速度、上层澄清液浊度及其总有机碳(TOCr)的检测结果。

图2 加药量对澄清水浊度(a)及初始沉降速度(b)的影响Fig.2 Effect of dosage on turbidity (a) and initial settling velocity (b) of clarified water

由图2(a)可知，随着加药量的增加，初始沉降速度也随之增大。对照组的初始沉降速度仅0.03 mm/s，添加量2 mL时的初始沉降速度为0.17 mm/s，是对照组的近6倍，加药量为6 mL时的初始沉降速度达到1.63 mm/s，是加药量2 mL时的近10倍；沉降过程的絮体也逐渐由细小的颗粒状向不规则的絮状体变化，且絮团粒度也随加药量的增大而逐渐增大。泥水自然沉降的速度慢是由于悬浊液中的颗粒粒度微细且表面带有较高的负电荷，颗粒间因强烈的静电排斥效应难以聚并，所以泥水中微细颗粒的分散性比较好、自然沉降的速度慢、澄清效果很差。而当泥水中加入PAM以后，其中的分散的微细颗粒通过吸附作用与有机高分子物质架桥连接，凝集为较大的聚集体而脱稳聚沉，加快了颗粒的沉降。

由图2(b)可知，上层澄清液的浊度随着加药量的增加亦显著下降，加药量为6 mL时的浊度仅为加药量2 mL时的一半。这是由于投加到泥水中的PAM因其高分子量和长分子链[4]，在泥水中形成类似于空间滤网似的结构，利用其卷扫和网捕效应,将泥水中的难沉降胶体颗粒和微细颗粒捕获，改善了上清液的浊度。

图3 絮凝剂不同用量时泥水沉降澄清液的TOCFig.3 TOC of slurry settling clarifier with different flocculant dosage

由图3可知，无药剂添加时，泥水自然沉降实验的澄清液的TOCr远高于自来水的本征值，这表明细石粉中本身也存在有对总有机碳指标具有贡献的成分；随着PAM添加量的逐渐增加，上层沉降澄清液的TOCr呈明显的上升趋势，显然，这部分总有机碳的增加量是源于上清液中所溶解的残余PAM，即TOCr随着PAM添加量的增大，上清液中的PAM残余浓度亦呈上升趋势。细石粉对TOC的贡献可能源于制砂原料石中所混杂的风化黏土中的有机质，如泥土中的腐殖酸及土壤中的微生物及其代谢产物[5]。

综合考察泥水沉降速度、絮体形状、上清液浊度及TOC含量等指标，后续絮凝沉降实验的PAM溶液加入量均按4 mL。

2.4 洗砂水再生循环过程对PAM残余的影响

基于水中的TOC含量随PAM浓度的关系(式1)，计算出洗砂循环水中的PAM残余浓度(表5)。

从再生澄清循环水的TOCxs中剔除自来水和石粉对总有机碳的贡献TOC0及TOCf，由PAM残余所导致的TOCp随泥水再生循环利用次数增加略有增加,但变化的相对幅度很小，即因洗砂水再生循环利用所造成的PAM残余量的循环积聚效应很弱。这是由于在泥水絮凝沉降再生过程中产生的循环水中有一定的药剂残余，但当再生水返回洗砂作业时，其中所残余的PAM会不同程度的粘附于砂表面或与洗砂水中的泥粉相互作用而消耗，故PAM随泥水再生循环过程的积聚效应很不明显。