高强度含碳源载体的制备及性能研究

摘要

针对目前一些城市河流存在低碳高氮的水污染问题，研发含碳源材料以提高河道碳氮比，去除氮污染，已成为新的研究热点。然而现有碳源材料不能兼具高强度和脱氮能力，且关于不同配比、养护等制备方式对碳源材料的强度、释碳脱氮等性能的影响研究较少。因此，本文通过制备一种高强度含碳源载体，旨在为水体提供外加碳源，为反硝化微生物提供稳定的生长空间，提高水体脱氮效果。首先，优化含碳源载体配比、养护等制备方式，使得载体强度较好;然后研究不同制备方式载体的释碳脱氮性能，并与传统材料进行对比;最终得到机械性能佳、释碳脱氮效果好的高强度含碳源载体，为碳源材料净化低碳氮比河道的工程应用提供技术参考。主要研究成果如下:　　(1)采用混料模型设计20种配比，考察不同原料配比对载体抗压强度的影响。结果发现，配比组成为水泥34％、沸石粉34％、硅藻土22％、膨润土7％、玉米芯3％的Y17载体和配比组成为水泥34％、粉煤灰10％、沸石粉21％、硅藻土23％、膨润土9％、玉米芯3％的Y18载体的强度最高。选择水泥X1、粉煤灰X2、沸石粉X3、硅藻土X4、膨润土X5含量作为自变量，抗压强度作为响应值，经拟合得到的多元二次方程能够合理反映抗压强度值与五种原料含量之间交互相应的关系，其中有显著影响的是:X3X4、X1X4、X2X4。通过优化得到的配比，预测值与实际值相近。　　(2)通过单因素实验，发现高强度含碳源载体抗压强度与水固比成反比，最佳洒水养护频次为3次/天，最佳养护龄期为3天，最佳养护温度为20～25℃。利用Design Expert软件进行中心组合设计，选择水固比、配比和养护温度作为自变量，载体的抗压强度作为响应值。经拟合得到的多元二次方程显著，能够合理反映抗压强度值与水固比、配比和养护温度三因素之间交互作用的关系，其中有显著影响的是:温度、水固比。通过软件优化得到的抗压强度较高的推荐制备方式为:水固比为0.5，配比为T4、温度为20℃，其实际强度为347.1N，与方程预测结果345.3N相差小。　　(3)通过不同制备方式的高强度含碳源载体的释碳脱氮研究，发现制备方式为水固比0.52、配比Y18、养护20℃的Z9载体机械强度高，释碳、脱氮效果好。电镜结果表明，Z9载体表面致密紧实，内部材料水化作用明显，机械强度最高。Z9载体的释碳过程更符合二级动力学特征和Fick扩散，单位质量的Z9载体在溶液中的饱和释碳量为129.87mg/L，传质系数为19.05mg·(h·L)-1。在温度为25℃，进水硝态氮浓度为20mg/L，Z9载体一周后的稳定出水硝态氮浓度为2.44mg/L，总氮浓度为2.904mg/L;与稻草、陶粒、沸石等传统材料相比，Z9载体的强度、释碳、脱氮性能具有优越性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究进展

1．2．1载体材料研究现状

1．2．2原料配比组成对载体材料性能的影响

1．2．3养护方式对载体材料性能的影响

1．2．4含碳源材料的释碳性能研究现状

1．2．5 含碳源材料的脱氮性能研究现状

1．3现有研究中存在的问题

1．4研究目的及意义

1．5研究内容与技术路线

1．5．1研究内容

1．5．2技术路线

1．6创新点

2高强度含碳源载体配比优化研究

2．1材料与方法

2．1．1试验材料及仪器

2．1．2试验方法

2．2结果与分析

2．2．1 不同配比对高强度含碳源载体抗压强度的影响

2．2．2 Mixture Optimal Design优化实验结果与分析

2．2．3 不同配比对高强度含碳源载体传质性能的影响

2．3本章小结

3高强度含碳源载体制备方式优化研究

3．1材料与方法

3．1．1试验材料及仪器

3．1．2试验方法

3．2结果与分析

3．2．1单因素实验

3．2．2响应面优化Central-Composite Design实验

3．2．3不同制备方式对高强度含碳源载体传质性能的影响

3．3本章小结

4高强度含碳源载体的释碳及脱氮性能研究

4．1材料与方法

4．1．1试验材料及仪器装置

4．1．2试验步骤及方法

4．2结果与分析

4．2．1高强度含碳源载体的表征

4．2．2高强度含碳源载体的释碳性能研究

4．2．3 高强度含碳源载体的脱氮性能研究

4．2．4高强度含碳源载体与现有材料性能对比

4．3本章小结

5结论与展望

5．1 结论

5．2展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果

致谢