污泥微波热解及其固体产物制备微晶玻璃的效能与机制

摘要

污泥微波热解具有重金属固化效果好以及产物适合资源化利用等特点。然而其中污泥热解固体产物（Sewage sludge pyrolysis residues,SSPR）则被填埋或作为吸附剂使用，前者没有实现废物的资源化，后者没有达到最终处置。本文利用响应曲面法获得了污泥热解固体产物适合材料化利用且污泥有机质转化率高的热解条件；并以微波做能源，利用污泥热解固体产物制备微晶玻璃，实现其高比例资源化利用；通过与传统法制备的微晶玻璃对比考察污泥热解固体产物制备微晶玻璃的效能与机制，揭示了微波对微晶玻璃性能和析晶的促进机理。
　　文章分别考察了微波功率、污泥含水率以及吸波物质添加量对污泥热解及其固体产物的影响。微波功率、污泥含水率以及吸波物质添加量对污泥热解终温及污泥有机质转化率的影响较大。污泥有机质转化率随热解终温的升高而升高。污泥热解固体产物的产率及其中有机物的百分含量均随污泥有机质转化率的升高而降低。为获得适合材料化利用的污泥热解固体产物，以污泥含水率、吸波物质添加量以及微波功率为影响因素，以污泥有机质转化率和污泥热解固体产物中固定碳的百分含量为响应值，采用响应曲面法对污泥热解条件进行优化，当污泥含水率为79.28％、吸波物质添加量为0.12g/g干污泥、微波功率为1909W时，污泥有机质转化率为77.38%，固体产物中固定碳的百分含量为12.68%。该条件下得到的污泥热解固体产物经微波辐射氧化后适合进一步材料化利用。
　　根据污泥热解固体产物利用率以及CaO和SiO2引入量的不同，配制了四种CaO/SiO2比例的微晶玻璃原料。由于微晶玻璃原料在微波作用下不能达到玻璃熔融所需的温度，设计制造了微波反应器成功制备微晶玻璃。反应器由三层刚玉坩埚形成一个双层结构，内填不同的吸波物质，外层填充物质为SiC:Al2O3=1:1，内层填充物质为SiC:Al2O3=9:1。
　　在微晶玻璃熔制过程中，考察了CaO/SiO2对微晶玻璃析晶行为及性能的影响，当污泥热解固体产物利用率为80%、CaO/SiO2=0.33时，制得的微晶玻璃主晶相为钙长石和透辉石，晶粒大小均匀，排列紧密，密度和机械性能均优于其他CaO/SiO2的微晶玻璃。当CaO/SiO2=0.33时，分别利用微波法和传统法制备微晶玻璃。结果表明：微波法制备微晶玻璃大大减少了基础玻璃熔制的时间，降低了热处理温度、减少了热处理时间，节约了能耗；微波法制备的微晶玻璃的理化性能优于传统法制备的微晶玻璃。
　　为了探究微波辐射对微晶玻璃析晶及性能的促进机理，对微晶玻璃的析晶行为和析晶机理进行了深入的研究。对微晶玻璃的动力学分析结果表明，微波法基础玻璃比传统法基础玻璃的析晶活化能Ea低76kJ/mol，微波辐射降低了基础玻璃析晶反应的活化能。微波法和传统法基础玻璃的析晶动力学常数k(Tp)分别为0.24和0.29，k(Tp)越小则玻璃越稳定，进一步验证了微波法基础玻璃更容易析晶。传统法和微波法基础玻璃的Avrami常数n分别为1.74~1.89和3.01~3.45，说明微波辐射改变了基础玻璃的析晶机理，使基础玻璃从表面晶化开始的二维生长晶化变为整体核化引起的三维晶体生长。微波辐射促进了Si4+被Al3+取代、[AlO4]Ca[AlO4]的重排、[AlO4]Ca[AlO4]与[SiO4]的结合以及Mg2+移动，导致微波法制备的微晶玻璃样品中主晶相钙长石（CaAl2Si2O8）的含量高且有透辉石（Ca(Mg,Al)(Si,Al)2O6）生成。高晶相含量及致密的微观结构使微波法微晶玻璃具有更优良的理化性能。微波法制备微晶玻璃促进了重金属形态向残渣态转化，使重金属的固化效果良好。
　　本研究利用污泥热解固体产物制备微晶玻璃，实现了污泥热解固体产物的高比例资源化利用。利用微波做能源，节约了能耗，提高了微晶玻璃的理化性能和重金属固化效果，具有重要的研究及应用价值。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2污泥的来源及危害

1.3 污泥的处理利用

1.4 污泥热解技术研究现状

1.5 污泥的材料化利用

1.6 课题研究意义与内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验系统及装置

2.2 实验材料及仪器

2.3 分析测定方法

第3章 污泥微波热解条件的确定及固体产物成分分析

3.1 引言

3.2 热解条件对污泥热解过程的影响

3.3 热解条件对固体产物产率及组成的影响

3.4 响应曲面法优化污泥微波热解条件

3.5 污泥热解固体产物成分分析

3.6 本章小结

第4章 污泥热解固体产物微波熔融制备微晶玻璃

4.1 引言

4.2 基础玻璃的制备

4.3 热处理制度的确定

4.4 CaO/SiO2对微晶玻璃热处理过程的影响

4.5 本章小结

第5章 污泥热解固体产物制备微晶玻璃的能效分析与析晶机制

5.1 引言

5.2 不同热源制备微晶玻璃能效分析

5.3 污泥热解固体产物微晶玻璃析晶机制

5.4 重金属固化机理研究

5.5 本章小结

结论

本文创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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