脫水污泥制備聚合物合成“木材”的

脫水污泥制備聚合物合成“木材”的研究摘要：以污水處理廠脫水污泥和廢塑料為主要原料，通過污泥處理、聚合物改性，采用熱塑復(fù)合法可以制備出聚合物復(fù)合材料及對應(yīng)的微孔材料，影響材料性能的主要因素有污泥形態(tài)、廢塑料種類以及它們之間的質(zhì)量比等參數(shù)。最終材料表現(xiàn)出木材的很多性能，是一種使污泥高附加值利用的有效方法。關(guān)鍵字：污泥廢塑料復(fù)合材料據(jù)有關(guān)資料料顯示，目前前我國有大中中型污水處理理廠300多座，日污污水處理能力力達1千萬m3，日排污泥38萬m3；十五期間間，國家將投投資500億元，在全全國新建443座污水處理理廠，屆時污污水處理能力力將達到排水水量的80%左右，大量量污水處理設(shè)設(shè)施的運行將將有效地改善善水質(zhì)環(huán)境狀狀況?？砂殡S隨污水處理產(chǎn)產(chǎn)生的脫水污污泥又成為新新的環(huán)境問題題，污泥不同同于一般工業(yè)業(yè)固體廢物，其其物理、化學(xué)學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)穩(wěn)定，在堆存存、運輸和處處理過程中不不斷發(fā)生變化化，若處理處處置不當(dāng)，污污泥中的病菌菌、重金屬以以及腐化過程程中的廢氣可可通過多種途途徑對人畜和和環(huán)境造成危危害。20世紀(jì)80年代，在經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)發(fā)達達國家如美國國、日本、德德國、丹麥，已已開始重視污污泥處理和資資源化問題，并并努力將其培培育成一種新新興產(chǎn)業(yè)，目目前，全世界界已有70多個國家，150多個城市擁擁有污泥專門門開發(fā)機構(gòu)和和收集處理工工廠，年收集集污泥6500萬噸（干基基），年創(chuàng)收收達40億美元。我我國是世界上上的污泥資源源大國，僅污污水處理廠每每年可收集2500萬噸（干基基）以上，但但是，我國在在污泥處理和和利用方面的的總體水平很很低，由于認(rèn)認(rèn)識不充分，研研究不系統(tǒng)，管管理不健全，還還談不上污泥泥產(chǎn)業(yè)體系的的形成。脫水污泥處處理是世界上上很多國家共共同面臨的環(huán)環(huán)境問題。在在技術(shù)經(jīng)濟發(fā)發(fā)達國家采用用焚燒、發(fā)酵酵制氣，在發(fā)發(fā)展中國家一一般以填埋和和農(nóng)用（包括括肥料、燃料料）為主，污污泥建材利用用主要是作為為輔料制造水水泥、陶粒、建建筑磚。近年年來日本成功功地開發(fā)了用用污泥焚化渣渣制造結(jié)晶石石材，是一種種污泥高度減減容、無害和和資源化的代代表性技術(shù)。傳統(tǒng)的污污泥建材利用用技術(shù)具有投投資大，成本本高，產(chǎn)品附附加值低的問問題。如果不不經(jīng)過高溫處處理，污泥特特有的臭味難難以消除，衛(wèi)衛(wèi)生指標(biāo)不能能滿足應(yīng)用要要求。克服這這些不足，采采用新工藝，開開發(fā)低成本和和具有廣泛用用途的新材料料，是污泥資資源化的發(fā)展展方向。1污泥的基本本性質(zhì)分析1.1污泥化學(xué)學(xué)組成脫水污污泥的宏觀形形態(tài)是水、有有機質(zhì)、無機機物組成的復(fù)復(fù)雜混合物，含含水率為80%左右時呈粘滯滯態(tài)，顆粒細細小均勻；干干燥污泥是有有機質(zhì)、無機機物組成的混混合物；焚化化污泥是普通通的硅酸鹽化化合物。物理理狀態(tài)不同，表表現(xiàn)出不同的的性質(zhì)：脫水水污泥易酸敗敗發(fā)臭，干燥燥污泥可以燃燃燒，焚化污污泥相對較為為穩(wěn)定。污泥泥的組成還與與處理工藝、季季節(jié)氣候和污污水的變動狀狀態(tài)密切相關(guān)關(guān)。此外污泥泥農(nóng)用必須考考慮病菌、病病毒、寄生蟲蟲卵和重金屬屬含量。表1，表2是我公司第第三污水處理理廠脫水污泥泥在不同狀態(tài)態(tài)下的化學(xué)組組成。表1污泥的化化學(xué)成分組成%污泥種類SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3其它水燒失量脫水污泥3.401.010.810.100.980.3981.893.3干燥污泥18.75.564.450.555.402.1363.2焚化污泥50.815.112.11.514.75.8表2污泥重金金屬含量重金屬ZnCuMnBMoPbCdAsHgCrNiMg/kg463520865311123315020350.5361001.2污泥干干燥與焚化對對污泥進行干干燥是為進一一步利用提供供條件，圖1干燥曲線表表明：溫度越越高，干燥速速度越快，達達到相同脫水水效果所需要要的時間越短短。用干燥曲曲線圖還可計計算出在污泥泥含水率為81.8~~40%，處于衡速速干燥；然后后處于減速干干燥，最終達達到平衡狀態(tài)態(tài)，如果溫度度的推動力高高，可以使結(jié)結(jié)晶水進一步步脫出。焚化的目的的是為了進行行最終處理。污污泥的熱值可可以通過實際際測試，也可可以通過經(jīng)驗驗公式進行估估算。經(jīng)經(jīng)測試，當(dāng)干干燥污泥中的的灰份為31.055%時，發(fā)熱量量為1194..98kccal/kgg。并可進一一步計算出含含水率為82%時脫水污泥泥的熱值為215.11kcall/kg。通過熱量量衡算，污泥泥自身的發(fā)熱熱值不能滿足足干燥脫水需需要的能量，因因此污泥的干干燥必須外加加能源。含水污泥維維持自燃的基基本條件是含含水率與揮發(fā)發(fā)固體之比應(yīng)應(yīng)小于3.5，而脫水污污泥中含水率率與揮發(fā)固體體之比為7.1，因此，脫脫水污泥不能能自燃。通過過物料衡算可可以得出可維維持自燃的污污泥含水率需需小于69%。要達到該該條件，必須須首先脫出總總水量的51%。因此污泥泥的焚燒必須須外加燃料。無論是干干燥或焚化污污泥，當(dāng)溫度度在200～900C0之間，在處處理過程中都都不可避免地地產(chǎn)生惡臭氣氣體和廢水，煙煙氣需進行吸吸收洗滌，廢廢水需氧化、脫脫色、脫臭和和過濾后才能能達到排放標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。污泥處處理過程中的的環(huán)保技術(shù)是是污泥處理方方案必須考慮慮的前提條件件。2實驗原理、過過程與研究方方法2.1原理熱熱塑性聚合物物如廢塑料在在熔化溫度下下，具有流動動性和粘結(jié)性性，在較大范范圍內(nèi)可以和和其它顆粒材材料（如污泥泥）進行共混混獲得聚合物物復(fù)合材料；；在復(fù)合過程程中，對聚合合物材料進行行交聯(lián)改性和和發(fā)泡，抑制制氣體不能逸逸出則可使復(fù)復(fù)合材料微孔孔化；由于聚聚合物材料的的包覆，污泥泥得以固化；；由于污泥顆顆粒的強化，使使所得到的微微孔聚合物材材料在保持輕輕質(zhì)的前提下下仍具有較好好的剛度和強強度。最終材材料表現(xiàn)出混混凝土的剛度度和聚合物的的韌性，具有有木材的性質(zhì)質(zhì)，可鋸、可可釘、可切割割、可裝飾。經(jīng)經(jīng)過聚合物固固化和表面處處理，污泥中中的重金屬不不會滲出，污污泥特有的氣氣味可以消除除，從而可以以使這種材料料在工業(yè)及民民用建筑領(lǐng)域域得到應(yīng)用。2.2工藝過程以經(jīng)過脫水處理、表面處理、穩(wěn)定處理后的污泥為填充材料，以經(jīng)過清潔處理、接枝改性后的廢塑料為基體材料，在少量功能性添加劑（偶聯(lián)劑、發(fā)泡劑、潤滑劑、防老劑、交聯(lián)劑）的配合下，通過計量、混合、擠出、成型、冷卻成為聚合物復(fù)合材料及多孔材料。2.3研究方法（1）首先用不同形態(tài)的污泥與廢塑料共混制備出聚合物復(fù)合材料，分別考察不同配方、工藝參數(shù)對性能的影響；（2）對聚合物復(fù)合材料進行微孔化處理，重點考察聚合物復(fù)合材料的性能、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑對材料的強度、密度、吸水率的影響。3實驗結(jié)果與與分析作為材料中中的重要組成成部分，聚合合物微孔材料料的強度、密密度、吸水率率、顆粒形態(tài)態(tài)都直接影響響最終材料的的性能。而影影響聚合物微微孔材料性能能的主要因素素有廢塑料的的性能和質(zhì)量量比，污泥種種類、質(zhì)量比比，添加劑種種類和比例，以以及制備工藝藝參數(shù)。3..1聚合物復(fù)復(fù)合材料性能能的影響分析析圖2說明，廢塑塑料的種類不不同，所制備備的聚合物材材料性能有所所差異，但都都在理想范圍圍之內(nèi)，由于于這幾種廢塑塑料都是形成成白色污染的的主要組成部部分，原料廉廉價易得，而而且共混改性性容易，所以以，只要老化化不嚴(yán)重，雜雜質(zhì)含量低，均均可作為理想想原材料使用用。圖3說明，在工工藝條件相同同的情況下，隨隨著聚合物材材料質(zhì)量比例例的提高，污污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)的減少，材材料的抗彎強強度、拉伸強強度呈上升趨趨勢，而抗壓壓強度則下降降。其原因是是在顆粒增強強的聚合物復(fù)復(fù)合材料中，應(yīng)應(yīng)對拉伸和彎彎曲強度產(chǎn)生生貢獻的強化化材料（污泥泥）本身強度度可以視為零零，因此復(fù)合合材料的強度度主要取決于于基體材料本本身的性能和和質(zhì)量比。而而抗壓強度則則不同，由于于顆粒材料的的體積強化，減減少了空隙，提提高了抵抗外外力形變的能能力，所以表表現(xiàn)出隨著污污泥用量增加加，抗壓強度度在一定范圍圍內(nèi)平穩(wěn)提高高的現(xiàn)象。而而當(dāng)污泥用量量超過一臨界界值時，由于于顆粒材料周周圍沒有足夠夠的樹脂，造造成填充材料料的過剩和堆堆積，并導(dǎo)致致性能急劇惡惡化。圖圖4表明，污泥泥的表面狀況況對材料性能能也有較大影影響，在相同同狀態(tài)下，干干燥污泥的抗抗彎強度和拉拉伸強度比焚焚化污泥好；；經(jīng)過表面處處理后，性能能有所改善提提高。其原因因是：干燥污污泥在加工溫溫度下，因干干餾而產(chǎn)生低低分子樹脂狀狀物，提高了了與聚合物材材料的相容性性，從而強化化了復(fù)合效果果；對污泥進進行表面處理理的目的是增增加聚合物對對顆粒材料的的浸潤，降低低相界面張力力，使明顯的的界面變成具具有亞層結(jié)構(gòu)構(gòu)的過渡區(qū)域域。本研究中中使用的復(fù)合合添加劑是偶偶聯(lián)劑、潤滑滑劑、增塑劑劑和抗熱氧分分解劑的共混混物，它們的的協(xié)同作用不不僅使材料的的力學(xué)性能有有所提高，而而且使加工性性能得以有效效改善。3.2聚合物物微孔材料性性能的影響分分析研究表明明：在工藝一一定的條件下下，直接影響響材料性能的的主要因素有有LDPE//HDPE、聚合物/污泥、發(fā)泡泡劑、交聯(lián)劑劑等，實驗過過程選取了L9（43）正交表進進行實驗，方方案和實驗結(jié)結(jié)果見表3。表3L9（443）正交實驗驗方案和結(jié)果果因素水平LDPE/HDDPE聚合物/污泥發(fā)泡劑交聯(lián)劑性能考核指標(biāo)1A1B1C1D1密度2A2B2C2D2吸水率3A3B3C3D3抗彎強度實驗方案及結(jié)果果序號ABCD抗彎強度MPaa吸水率%密度g/cm331113218.71.60.972211118.01.71.053312315.62.10.974122112.81.30.895223315.40.50.886321217.20.60.887131313.00.80.798232215.71.10.869333115.81.30.72抗彎強度位級和和I144.452.348.346.6I249.245.544.151.6I348.644.449.844.0級差4.87.85.77.6密度位級和I12.652.992.722.66I22.792.652.722.71I32.572.372.572.64級差0.220.620.150.07吸水率位級和I13.805.443.124.28I23.322.454.613.38I34.033.263.423.49級差0.712.991.490.90在正交方案案中，A和B因素所代表表的是本體復(fù)復(fù)合材料的性性能，從級差差之和可以看看出：它們對對材料的密度度、強度、吸吸水率具有決決定性影響。通通過適度交聯(lián)聯(lián)，提高了本本體材料的剛剛度和強度，可可以消除因發(fā)發(fā)泡而產(chǎn)生的的強度下降，使使最終材料在在保持輕質(zhì)的的情況下仍然然具有理想的的強度。作為泡沫材材料的制備，在在工藝參數(shù)和和成型機理方方面與本體材材料具有顯著著不同，傳統(tǒng)統(tǒng)的熱壓化學(xué)學(xué)發(fā)泡雖然能能夠得到具有有理想氣孔形形態(tài)的泡沫材材料，但由于于污泥中的雜雜質(zhì)異常復(fù)雜雜，可能會抑抑制各種添加加劑效能的發(fā)發(fā)揮。而污泥泥中含有大量量難以脫出的的水本身就是是發(fā)泡劑。在在實驗過程中中發(fā)現(xiàn)，采用用輥煉混料，熱熱壓成型的工工藝并不合適適，因為在輥輥煉過程中，一一方面要讓聚聚合物熔化，但但又要限制發(fā)發(fā)泡劑分解和和逸出，而在在聚合物熔化化溫度下，水水已經(jīng)汽化，再再由于尚未達達到交聯(lián)溫度度，材料無法法提供足夠的的粘彈性保持持氣體的存在在。所以在表表3中，發(fā)泡劑劑水（代表了了污泥的不同同含水率）雖雖然都有一定定的作用，但但是從測試的的密度值看出出，沒有明顯顯差別。吸水率與孔孔的結(jié)構(gòu)有關(guān)關(guān)，實際上作作為聚合物材材料本身的吸吸水率是比較較低的，如果果有連通孔，水水進入后裝滿滿孔洞，短時時間內(nèi)不能流流出，則引起起吸水率增大大的假現(xiàn)象。此此外，吸水率率與材料的表表面加工有關(guān)關(guān)，光滑而未未加工過的樣樣品吸水率低低，機械切割割后引起吸水水率增大。通過提高高交聯(lián)度，改改變成型方式式，并對污泥泥進行穩(wěn)定處處理，可以得得到孔徑1mm以下均勻閉閉孔結(jié)構(gòu)，密密度小于0.4g／cm3的微孔材料料。4技術(shù)經(jīng)濟分分析4.1材料的的技術(shù)指標(biāo)和和應(yīng)用途徑（見見表4）表4材料的技技術(shù)性能和應(yīng)應(yīng)用途徑材料項目聚合物復(fù)合材料料聚合物微孔材料料性能指標(biāo)1、抗彎強度MMPa>150.52、抗壓強度MMPa251.83、吸水率%<1<24、密度g/ccm31.5<0.45、導(dǎo)熱系數(shù)ww/m.k0.290.11應(yīng)用途徑建筑板材、模板板、下水管道道；市政工程程道路磚，流流水石，隔離離樁；水下材材料；化工廠廠耐腐蝕地磚磚；隔音材料，保溫溫材料，漂浮浮材料，緩沖沖材料，水上上種植載體，建建筑用房屋隔隔斷材料，設(shè)設(shè)備包裝材料料4.2社會及及經(jīng)濟效益分分析昆明市每每年排放脫水水污泥10萬噸，廢塑塑料7萬噸以上，目目前均以填埋埋為主，僅處處置費就達850萬元以上，占占用填埋空間間近20萬m3，還存在潛潛在的二次污污染和爆炸危危險性。日積積月累，必將將產(chǎn)生嚴(yán)重的的生態(tài)問題。本項目所所采用的原料料是以污泥、廢廢塑料為主的的固體廢物，廢廢物綜合利用用率達到95%以上。生產(chǎn)產(chǎn)聚合物材料料的成本一般般為1500元/噸，而銷售售價格可達2400元/噸左右。工工藝具有很好好的柔性化功功能，材料用用途廣泛，附附加值高。技技術(shù)產(chǎn)業(yè)化在在資源節(jié)約和和環(huán)境保護方方面具有積極極意義。5結(jié)論（1）污水處理理廠脫水污泥泥含水率高達達80%左右，在利利用前都必須須進行處理，干干燥和焚化都都