自剩余污泥中提取活性成分及其在酸洗清洁生产中的应用研究

摘要

剩余污泥是城市生活污水处理厂运行的副产物，如不妥善处置会对环境造成二次污染，然而它自身的特质又可视其为一种资源。剩余污泥中的微生物含有的大量氨基酸类物质可供回收利用，氨基酸类物质作为缓蚀剂具有效率较高、易生物降解，使用过程不会对环境产生负作用等特点。如将剩余污泥中氨基酸类物质提取出来作为缓蚀剂，既能解决酸洗过程中的金属的过腐蚀问题，又可以实现污泥的减量化及资源化。
　　本课题的目的是提取剩余污泥中的氨基酸类物质作为酸洗缓蚀剂。首先对活性提取物及氨基酸提取条件及影响因素进行实验优化，通过红外光谱和茚三酮染色法对活性提取物中氨基酸类进行表征。采用失重法、电化学极化曲线法以及扫面电镜(SEM)对A3碳钢在加入活性提取物的盐酸体系中的腐蚀性能，电化学性质以及表面形貌进行考察。通过活性提取物的在A3碳钢表面的吸附行为来分析缓蚀机理。以期为实现污泥减量化、资源化提供理论依据，探索剩余污泥高附加值资源化利用途径。
　　研究结果表明:超声辅助盐酸水热法能很好的将剩余污泥中的有机成分提取出来，在温度100±0.5℃，水解18h，加入盐酸10 ml，污泥含水率99.05％条件下活性提取物提取率达到87.53％，且通过对活性提取物的表征表明提取的活性成分中含有氨基酸类物质。在温度100±0.5℃，水解18 h，加入盐酸8 ml，污泥含水率95.91％条件下剩余污泥中的提取液中氨基酸浓度达到1.234 g/L。
　　剩余污泥活性提取物的缓蚀效率随浓度的增加而增大，随着温度的升高而降低。在30℃时，加入活性提取物0.186 g/L(15ml提取液)，对基体碳钢的缓蚀率能达到93％以上。对于带高温氧化层和自然锈蚀的碳钢样品，在盐酸溶液中加入活性提取物0.248g/L（20ml提取液）后，对他们的金属基质的缓蚀率分别达到82.93％和89.77％。电化学法实验结果与失重法基本一致，通过分析其极化曲线可知活性提取物对基体碳钢的阴极析氢和阳极金属溶解反应均有抑制作用，可判断出其是抑制阴极析氢反应为主的混合型缓蚀剂。
　　活性提取物在碳钢表面的吸附符合校正的Langmuir等温吸附模型，是介于物理和化学之间的的混合吸附。活性提取物在A3碳钢表面吸附过程为放热过程且会使吸附体系的总熵减增加，吸附体系混乱度增大。表观活化能Ea随着活性提取物浓度的增加而增大。说明加入活性提取物越多，可有效提高盐酸体系中钢铁基体与H+反应的能垒，抑制腐蚀反应的进行。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 剩余污泥处理现状

1．2．1 传统剩余污泥处理方法及存在的问题

1．2．2 污泥减量化

1．2．3 剩余污泥资源化利用研究进展

1．3 缓蚀剂的发展及使用现状

1．3．1 传统型缓蚀剂的局限性

1．3．2 新型绿色天然环保型缓蚀剂的优越性

1．3．3 氨基酸类缓蚀剂的研究进展

1．4 生物有机物质作为缓蚀剂的研究进展

1．4．1 国内外天然环保型缓蚀剂研究现状

1．5 A3碳钢高温氧化层及自然锈蚀层的形成及去除

1．5．1 高温氧化层的构成及去除

1．5．2 钢铁自然锈蚀及除锈方法

1．6 利用剩余污泥提取缓蚀剂的优点及可行性

1．7 本研究课题的选题背景及创新之处

1．8 本研究课题的总体思路

第二章 实验部分

2．1 实验材料

2．2 材料的制备方法

2．2．1 基体碳钢样品制备

2．2．2 高温氧化皮样品制备

2．2．3 自然锈蚀样品制备

2．3 实验仪器与试剂

2．4 实验方法

2．4．1 污泥基本性质的测定

2．4．2 影响活性成分提取的单因素试验

2．4．3 影响活性成分提取的实验条件优化

2．4．4 活性提取物的表征

2．4．5 腐蚀测试方法

2．4．6 碳钢表面形貌观察

2．4．7 碳钢高温氧化层及自然锈蚀层产物的表征

2．5 缓蚀实验方案

2．5．1 提取液的缓蚀作用失重实验方案

2．5．2 提取液的缓蚀作用电化学实验方案

2．6 缓蚀率相关计算公式

第三章 剩余污泥中活性物质的提取及其条件优化

3．1 单因素法对活性提取物提取率及氨基酸浓度的影响

3．1．1 污泥的基本性质的测定

3．1．2 超声辅助破碎悬浮污泥条件确定

3．1．3 影响水解的基本因素及氨基酸的提取效率

3．1．4 提取条件优化的正交实验

3．2 活性成分中物质的表征

3．2．1 红外光谱表征

3．2．2 氨基酸含量分析

3．3 本章小结

第四章 剩余污泥水解提取物的缓蚀行为研究

4．1 失重法验证活性提取物对A3碳钢的缓蚀作用

4．2 活性提取物在A3碳钢表面的电化学极化曲线

4．3 A3碳钢的表面形貌观察

4．4 本章小结

第五章 剩余污泥水解提取液的酸缓蚀机理研究

5．1 活性提取物在A3碳钢表面的吸附模型拟合

5．2 活性提取物在A3碳钢表面的吸附热力学分析

5．3 活性提取物在A3碳钢表面的吸附动力学分析

5．4 本章小结

第六章 酸洗清洁生产的关键因素及剩余污泥提取物的应用

6．1 高温氧化层及自然锈蚀层的成分分析

6．2 提取物对高温氧化层及自然锈蚀层的腐蚀行为

6．2．1 活性提取物对带氧化皮A3碳钢的腐蚀行为

6．2．2 活性提取物对自然锈蚀A3碳钢的腐蚀行为

6．3 本章小结

结论及展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢