污泥焚燒過程中磷與重金屬共富集熱力學(xué)模擬開題報告

1、學(xué) 號2012041201084沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院畢業(yè)論文開題報告污泥焚燒過程中磷與重金屬共富集熱力學(xué)模擬學(xué)生姓名張進專業(yè)名稱環(huán)境工程指導(dǎo)教師李潤東2016 年 3月10日 畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告題目名稱××××××××（小4號黑體，20磅行距）：污泥焚燒過程中磷與重金屬共富集熱力學(xué)模擬1、 課題來源及研究的目的和意義磷是所有生物體的重要元素,不能更換。如果按目前的開采使用量估算，全球磷資源僅夠開采50年左右1，我國磷礦資源儲量全球第二，約占全世界磷資源的30%。截止2008年，已探明資源儲量1

2、77.62億噸，其中可采儲量13.58億噸，基礎(chǔ)儲量35.64億噸2。我國磷礦資源的特點是“豐而不富”，資源儲量大，但品質(zhì)低，平均P2O5含量只有17%，P2O5含量大于30%的富礦僅占總儲量的9.38%。其次，我國磷礦資源開采與利用難度大，絕大部分礦需經(jīng)選礦才能被利用，而我國磷礦易選礦少，難選膠磷礦多。所以如何有效地利用好磷資源，如何可持續(xù)地使用好僅剩的磷資源，成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)節(jié)3。污水處理過程中會產(chǎn)生污水處理量1%2%的污泥4,污泥含有大量的植物營養(yǎng)物質(zhì)(如有機質(zhì)、N、P、K等)5，所以可以將污泥應(yīng)用到土地利用之中，但污泥中含有的有機污染物和重金屬，加大了土地利用的可行性。由于

3、重金屬在高溫容易揮發(fā)，所以將污泥焚燒處理是去除污泥中重金屬的主要方法。2、 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀在污泥焚燒方面，中科學(xué)院工程熱物理研究所侯海盟博士研究了污泥焚燒過程中重金屬的形態(tài)和分布。通過化學(xué)熱力學(xué)平衡計算計算，研究污泥焚燒過程中Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Zn等重金屬元素形態(tài)和分布，探討S和Cl對其轉(zhuǎn)化的影響以及吸附劑的化學(xué)吸附效果。計算結(jié)果表明，污泥焚燒過程中Cd、Cu、Pb的揮發(fā)性較強，而Cr、Mn和Zn的揮發(fā)性較弱；由于生成了熔沸點較低的金屬氯化物，Cl會促進Cd、Cu、Pb、Mn和Zn的揮發(fā)；S會與Cd和Pb結(jié)合生成硫酸鹽，對其具有一定的吸附作用；Al

4、2O3和SiO2都對Cd和Pb有一定吸附作用，S和Cl會影響其吸附效果。不過缺少了磷的影響，這點將在本次試驗中加以驗證6。在重金屬轉(zhuǎn)化方面，趙英杰基于固定床熱解反應(yīng)器，研究了生物質(zhì)熱解過程中鉀元素的遷移轉(zhuǎn)化行為。選用稻稈、化學(xué)分級洗稻稈及添加氯化鉀等不同無機化合物的纖維素作為研究對象，考察了熱解過程中四種賦存狀態(tài)鉀的遷移轉(zhuǎn)化；結(jié)合熱力學(xué)模擬，考察了不同無機元素對鉀遷移轉(zhuǎn)化的影響。雖然只是在生物質(zhì)中進行研究，也缺少對鈣鎂等重金屬的遷移轉(zhuǎn)化的分析，但是細節(jié)豐富，對本次研究有重要的參考價值7。模擬軟件方面，東北大學(xué)辛雪倩基于熱力學(xué)計算軟件FactSage6.1，采用相圖計算與高溫相平衡實驗相結(jié)合的方

5、法，對四元氧化物體系的熱力學(xué)性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究?；谒臒崃W(xué)軟件的計算結(jié)果，溫度對CaO-SiO2-Al2O3(8.3%)-FeOX四元體系及其CaO-SiO2-FeOX、CaO-Al2O3-FeOX和SiO2-Al2O3-FeOX三元子體系液相線位置和相平衡關(guān)系影響較大8。田洪鵬等人以SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaO-MgO五元組分模擬灰作為研究對象。應(yīng)用FactSage得到不同CaO含量時體系的液含率和主要礦物質(zhì)含量，來預(yù)測CaO對熔融特性的影響。得出結(jié)論：在灰分焚燒過程中CaO是很好的助溶劑，而且本身也是高熔點氧化物，所以對于液含率的影響具有兩重性，在CaO含量為35%時液含率

6、達到最大值。這個發(fā)現(xiàn)對污泥的焚燒有很大幫助9。2.2國外研究現(xiàn)狀磷(P)是包括植物和動物在內(nèi)的所有生物體的重要元素,不能被取代。因此，農(nóng)業(yè)需要大量磷來生產(chǎn)糧食（在歐盟15個成員國每年消費超過120萬噸磷肥）。然而,磷是不可再生資源,在不久的將來成為稀缺資源,所以應(yīng)該回收含磷廢蒸汽中的應(yīng)用中的磷。污水污泥是磷的載體,但通常含有有機污染物和重金屬。因此,將污水污泥應(yīng)用到傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是一個有爭議的問題。為了保護農(nóng)田免受污染物的積累,污水污泥處理積極用于發(fā)電廠或水泥行業(yè),但對于重新利用技術(shù)來說在許多情況下是不可逆的。歐洲發(fā)現(xiàn)了污泥中磷的含量很高，已經(jīng)可以通過熱化學(xué)處理降低污泥中的重金屬含量，使得污泥中的磷

7、應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中作為肥料。研究表明在大約1000的操作溫度下，在不同的污水污泥中的重金屬可以有效地去除。滿足了大多數(shù)歐洲國家的肥料條例的法律限制。經(jīng)過熱化學(xué)處理的磷的生物利用率得到了明顯的提高，可以使磷在檸檬酸中溶解度達到100%10。3、 研究方法通過HSC Chemistry進行模擬。眾所周知，建立在熱力學(xué)三大定律基礎(chǔ)上的化學(xué)熱力學(xué)是人類經(jīng)驗的高度概括和總結(jié)，由它們導(dǎo)出的結(jié)論和結(jié)果的正確性與可靠性，古今中外還未遇到過任何例外11。運用熱力學(xué)原理解決問題，不但結(jié)論正確，結(jié)果可靠，而且解決問題的過程和方式也十分簡潔，因此化學(xué)熱力學(xué)已廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)的若干學(xué)科領(lǐng)域。HSC Chemistry是世界

8、上使用最廣泛的集成熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫軟件，由芬蘭奧托昆普(Outokumpu)研究中心開發(fā)研制，其最新的7.0版擁有一個超過20000種無機物詳細熱力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫以及針對不同應(yīng)用而設(shè)計的22個計算模塊，其模擬圖表可以被編輯，數(shù)據(jù)可以各種形式導(dǎo)出以便于第三方軟件進行分析和作圖。作為較成熟的綜合熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，HSC Chemistry軟件目前已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、冶金、材料、環(huán)保等多個領(lǐng)域。驗證此次實驗中污泥中的磷在高溫狀態(tài)下與重金屬氧化物在各種反應(yīng)條件下的生成物組成，主要是應(yīng)用HSC5.0版本中的平衡相組成的計算模塊，該模塊的計算原理為首先擬合出體系中各相的熱力學(xué)性質(zhì)表達式，在滿足物料平衡方程的

9、前提下使恒溫、恒壓系統(tǒng)的吉布斯自由能最小，從而得到系統(tǒng)的平衡相組成。在計算過程中，只需輸入反應(yīng)系統(tǒng)的總壓和初始物質(zhì)的種類、數(shù)量、狀態(tài)以及在隨后變化過程中可能出現(xiàn)的穩(wěn)定相，就可以獲得在一定壓力和溫度條件下的平衡相組成。12需要指出的是由于沒有考慮到化學(xué)反應(yīng)的速率因素，因此HSC Chemistry并不能全面解決所有化學(xué)反應(yīng)的實際問題，然而在許多情況下該軟件仍不失為一款高效、綠色、經(jīng)濟及強有力的化學(xué)科研輔助工具，能為化學(xué)研究快速準(zhǔn)確尋找到理論上最佳的反應(yīng)條件和最高產(chǎn)率，已在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。134、 研究方案及進度安排，預(yù)期達到的目標(biāo)或成果4.1研究方案利用HSC Chemistry模擬軟件

10、進行實驗?zāi)M。選取一定量的原始污泥進行烘干處理，再經(jīng)過研磨過篩處理后作為實驗的樣品。采用SMT法測定污泥中磷的含量，作好記錄。本實驗中利用standards,measurements,and testing（SMT）方法來分離不同形態(tài)的磷。SMT方法是在威廉姆斯方法上改進而來的，此方法通過非連續(xù)提取將沉積物中的磷分為五種形態(tài)：總磷（TP），無機磷（IP），有機磷（OP），非磷灰石無機磷（NAIP）以及磷灰石無機磷（AP）。非磷灰石無機磷是鐵、鋁、錳的氧化物或氫氧化物與磷的結(jié)合物。磷灰石無機磷通常是磷與鈣的結(jié)合物。通過鉬藍比色法來測定五種形態(tài)磷的含量。已有研究利用此方法測定了污泥及沉積物種不同形

11、態(tài)的磷含量15-17。接下來取一定量污泥樣品進行熱處理，每隔50為一個工況，使溫度分別控制在750、800、850、900、950、1000，提取殘留物，用SMT法測量試驗后污泥中磷的含量，分析不同溫度對生成物組分的影響。然后在每組溫度下改變不同添加劑（主要是CaO和MgO）的量，把每組中CaO的百分含量控制在0%（用作參照實驗），5%，10%，15%，20%，測定生成物組分；同理添加MgO也按相同含量添加，測定生成物組分。利用HSC Chemistry模擬軟件進行數(shù)據(jù)模擬，分析不同因素對生成物組分的影響，對實驗進行驗證。4.2進度安排第一周（2016.2.29-2016.3.4）進行相關(guān)文獻

12、的查閱和整理；第二周（2016.3.7-2016.3.11）整理開題報告，初步設(shè)計實驗方案，進行開題答辯；第三周第四周（2016.3.14-2016.3.25）外出實習(xí)；第五周開始（2016.3.28），進行實驗的準(zhǔn)備，配合老師和學(xué)長進行實驗，收集分析數(shù)據(jù)，利用HSC Chemistry模擬軟件模擬理論數(shù)據(jù)，進行相關(guān)實驗驗證工作；之后進行數(shù)據(jù)處理和實驗補充階段，撰寫論文。4.3預(yù)期達到的目標(biāo)預(yù)計在五月中旬之前完成實驗和數(shù)據(jù)收集工作，把不同因素（主要是溫度、不同添加劑的量和不同磷的量）對生成物的影響的結(jié)果匯集整理，撰寫論文。5、 研究內(nèi)容利用HSC Chemistry模擬軟件，通過輸入原始污泥的

13、數(shù)據(jù)，即化學(xué)成分：氧化物的形式、化學(xué)元素的形式。通過改變原始數(shù)據(jù)中Ca的含量、Mg的含量、P的含量，模擬在不同的壓力、氣氛、溫度下，計算生成物的組成。6、 研究目的通過熱力學(xué)計算，理論模擬驗證磷在高溫時與重金屬的反應(yīng)情況。模擬不同溫度和不同添加劑下磷與重金屬的反映情況，驗證生成物的組成。7、主要參考文獻1中國國土資源部信息中心世界礦產(chǎn)資源年評M北京：地質(zhì)出版社，20092劉樹臣中國礦產(chǎn)資源年報R北京：北京國土資源部，20083鄢正華我國磷礦資源開發(fā)利用綜述J礦冶，2011，20(3)：21254Lester J N，Sterrit R M，Kirk PW WSignificance and b

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