淤泥固化剂及使用淤泥固化剂的淤泥固化方法

摘要

本发明公开了一种淤泥固化剂及使用淤泥固化剂的淤泥固化方法，涉及淤泥处理领域，该淤泥固化剂按以下方法制成：首选将包括可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰七种成份混合，在不低于可膨胀石墨膨胀的温度情况下，使可膨胀石墨膨胀，并搅拌混合物，得到半成品；在半成品中加入包括膨胀树脂和水玻璃在内的两种成份一起搅拌充分混合，制成固化剂。本发明的淤泥固化剂加入到淤泥中，可以使淤泥含水率低，解决淤泥的弱酸性问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种淤泥固化剂及使用淤泥固化剂的淤泥固化方法。

背景技术

河道疏浚、湖泊清淤过程中产生大量的淤泥，为处理这些淤泥，往往需要大量的人力和资源，现有技术中，处理这些淤泥的方法主要有两种：一是找到专用的填埋场地，将淤泥堆放，然后再吹沙充填，然而，此种方法的弊端是：需要大量的专门填埋场地，同时耗费人力，运输成本高；另一种处理方法则是在淤泥中加入固化剂固化，CN98113594.3公开了一种土壤固化剂，其使用78-85%的矿渣或矿渣组合物、10-25%的碱性激发剂、0.01-0.15%的表面活性剂进行土壤处理，然而，由于此配方组份中缺少水泥等固化剂，其固化效果，对于含水率较高的土壤来说，效果会大打折扣。另外，现有技术强调加入固化剂对淤泥或土壤的力学强度如无侧限抗压强度进行提升，然而，淤泥的弱酸性会给环境造成一定的危害，其并未引起人们足够的重视。 

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种淤泥固化剂，用于高效地固化淤泥。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种使用淤泥固化剂的淤泥固化方法，用于高效地固化淤泥。

为了解决第一个技术问题，本发明所采取的技术方案是：

该淤泥固化剂按以下方法制成：

首选将包括可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰七种成份混合，在不低于可膨胀石墨膨胀的温度下，使可膨胀石墨膨胀，并搅拌混合物，得到半成品；

在半成品中加入包括膨胀树脂和水玻璃在内的两种成份一起搅拌充分混合，制成固化剂。

优选地：所述可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰六种成份的质量份数为：可膨胀石墨20~40，水泥10~30，粉煤灰10~20份，炭黑0.1~5，硅粉1~20，瓷土5~30，生石灰5~10。

可膨胀石墨在膨胀后，体积膨胀数十倍至数百倍，形成类似于絮状物的疏松多孔松散物质。市面上的可膨胀石墨有膨胀度60、100、200、250、300ml/g等等不同的程度规格。膨胀后的可膨胀石墨内形成众多松散的粗大孔隙，絮状的石墨絮状物被搅拌切断后会形成独立的随行单体，这些单体上均附着有其它混合物。可膨胀石墨膨胀的膨胀温度有其内掺杂的成份以及结构来决定。可膨胀石墨主要是起到粉末载体的作用，混合物在混合水份后会显得更加粘稠。而且吸水物质如水泥、粉煤灰、生石灰等的一部分深藏入可膨胀石墨的孔隙中，形成寄生现象，对于淤泥中水份，除了一些水本身会被膨胀石墨（可膨胀石墨膨胀后的称呼）吸附以外，还会慢慢伸入孔隙与其中的一些寄生物质发生化学反应，进一步吸收水份。这样的结构形成一个物理吸水和化学吸水两种同时存在的方式。在物理吸水过程中，淤泥中的水份沿着膨胀石墨表面分布扩展到其内孔隙中寄生颗粒中，寄生颗粒与水发生反应，将水份子完全结合，如生石灰吸水后变成氢氧化钙；水泥吸水后变成碳酸钙。这样的吸收淤泥中水份的方式，可以更充分和均匀的吸收淤泥中水份，不会形成局部吸收不足，残存水份，而局部固化剂作用不充分，发生结块的现象。可膨胀石墨具有良好的导热性，在使用太阳加速淤泥脱水的时候，其可以将热量更快速的传导到淤泥中各个部分，加速固化剂与淤泥中水份的结合，以及淤泥中水份吸热蒸发。由于膨胀石墨比重小，使用很轻量的膨胀石墨就可以达到良好的传热效果，如果采用石墨粉传导，则需要耗费太多。淤泥中，能够构成流动的水份很容易被膨胀石墨及其内寄生物质吸收，淤泥初步固化定型非常明显。淤泥中剩下的水份，通过其它成份慢慢吸收，以及对初步定型固化的淤泥切块放在太阳下暴晒，加快淤泥固化效率。同时成型的、具有一定硬度的淤泥有利于进一步加以利用也更加方便，如用作砖的材料。

水泥的作用是增加淤泥的胶黏性，使淤泥粘合在一起，并使淤泥硬化，因此其在固化剂中比例可以比较大。

粉煤灰包括很多密实颗粒，其粒径非常小，会发生水化作用，除此以为还存在多孔结构物质。粉煤灰内含一些金属氧化物可以与水发生反应，因此，其可以吸水。粉煤灰可以很好的填充膨胀石墨中孔隙中，由于其内也存在多孔结构，其可以作为更小颗粒的二级寄生载体。粉煤灰在膨胀石墨的孔隙中吸收水份的水份的时候存在物理吸水和化学吸水两种方式。由于粉煤灰是用于寄生在膨胀石墨中的，因此，其用量不宜多，应少于膨胀石墨的用量。

炭黑颗粒小，其也具有很好的吸水性。炭黑作为辅料主要是用于弥补膨胀石墨中存在孔隙的导热率下降、碳性减弱的不足。其可以很好的分布在膨胀石墨的孔隙中，增加其碳密度。此外，炭黑可以增加淤泥的黑色程度，使其更容易吸收阳光，加快固化，特别是夏天，炭黑的着色功能就贡献显著。可以看出炭黑在这里是起到调节作用的，但是仍然不能忽视其具有吸水的性能。

硅粉成份主要为二氧化硅粒子，其颗粒直径非常小，平均粒度达到纳米级。硅粉主要是配合水泥使用，其可以提高水泥的性能，因此，其根据水泥的用量而进行调整设计。

瓷土，其粘度适中，用于填充膨胀石墨的孔隙和混合在淤泥中，提高膨胀石墨和淤泥的强度，除此以外，瓷土具有良好的导热性，大量使用在淤泥中，可以加速太阳热的传递。其有助于断裂后的膨胀石墨段体之间的导热。在不需要导热固化的情况下，瓷土可以用等量的石膏替代。石膏有强化淤泥硬度的作用。由于水泥是本发明固化剂中必须的材料，瓷土和石膏均可以作为水泥的缓凝剂使用。但是由于瓷土是陶瓷的原料，其具有特殊高温晶变的特性。在淤泥中加入瓷土，则对于这样的淤泥来说，在固化后，可以将其切块回收利用，即烧制成泥陶砖，或者做成各种泥陶制工艺品等。

生石灰，其主要是用于吸水，并产生大量热量，使淤泥处于一个温度较高的环境中，温度较高有利于提高微粒之间的化学反应速度和效果，以及也可以加速水份的蒸发。其还用于调节淤泥的酸度，使环境呈碱性。当生石灰颗粒存在于膨胀石墨的孔隙中的时候，其可以吸收由膨胀石墨表面扩散过来的水份，并与之反应产生热量，热能蒸发周围的水份，这个过程能够加速水份在膨胀石墨的孔隙中的扩散速度，有利于其它吸水物质吸收水份。

膨胀树脂用于吸收淤泥中对于固化剂其它成份来说不能吸收的过量的水。由于可膨胀石墨主要是用于作为其它吸水物质的寄生载体，其吸水能力有限。对于含水量不同的淤泥，并不完全适用。为了适应更宽含水量范围的淤泥，加入一定量的膨胀树脂作为对可膨胀石墨的补充显得尤为必要。但是膨胀树脂吸水后柔软松散，其会减弱淤泥的硬度，即抵消膨胀石墨对淤泥产生的硬度影响。为了加强淤泥的硬度，因此，加入水玻璃作为淤泥的硬度调节。水玻璃同时可以吸收一部分的水。

优选地：所述膨胀树脂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺。

优选地：所述膨胀树脂与水玻璃的质量份数为：膨胀树脂1~3，水玻璃1~10。一般水玻璃的用量比膨胀树脂要大一些。膨胀树脂膨胀后每一个颗粒都成为一个独立的吸水团，而且其是吸水才膨胀，与可膨胀石墨不同，且吸水后不容易脱水，吸水效果好。但是由于其成颗粒状，吸水后的团之间没有关联，因此，会造成淤泥变得松散，淤泥固化后容易开裂成块或粉末。

优选地：所述可膨胀石墨的的膨胀温度范围为200~400摄氏度。可膨胀石墨的温度也存在400度以及以上的，例如500度。

优选地：在所述固化剂中还混合有海盐，海盐的质量份数为0.1~3。海盐中还有大量吸水盐，有利于吸收淤泥中的水，另外，海盐脱水后形成无固定形的多晶，容易使附着物板结，即增加淤泥固化和成型，避免松散。海盐中盐成份复杂，其在反复脱水和吸水过程中晶体不断根据环境发生重复结晶，结晶体随着附着物的形体而变化，这种结构可以强化淤泥在与固化剂混合脱水后的板结效果。

优选地：在所述七种成份的混合物中还添加有芒硝，或者在后续添加的两种成份中再加入无水硫酸钠；固化剂中的无水硫酸钠的质量份数为0.1~3。芒硝用于吸水，其可以在较低温（三十几摄氏度）下脱水，即在淤泥搅拌过程中的温度下保持吸水脱水的平衡，这个吸水脱水的平衡使芒硝 成为一种催化剂，将水分子中转的作用。芒硝有很好的吸水性，其可以替换海盐，作为人工添加物。其如果配合海盐使用，可以弥补海盐作用的效率低的不足。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提出一种使用淤泥固化剂的淤泥固化方法，包括以下步骤：

1）将淤泥过筛；

2）将过筛后的淤泥与淤泥固化剂混合均匀。该淤泥固化剂按以下方法制成：首选将包括可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰七种成份混合，在不低于可膨胀石墨膨胀的温度下，使可膨胀石墨膨胀，并搅拌混合物，得到半成品；在半成品中加入包括膨胀树脂和水玻璃在内的两种成份一起搅拌充分混合，制成固化剂。 

其中，淤泥固化剂还可以包括以下优选方案：

优选方式：所述可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰六种成份的质量份数为：可膨胀石墨20~40，水泥10~30，粉煤灰10~20，炭黑0.1~5，硅粉1~20，瓷土5~30，生石灰5~10。

优选方式：所述膨胀树脂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺。

优选方式：所述膨胀树脂与水玻璃的质量份数为：膨胀树脂1~3，水玻璃1~10。

优选方式：所述可膨胀石墨的膨胀温度范围为200~400摄氏度。

优选方式：在所述固化剂中还混合有海盐，海盐的质量份数为0.1~3。

优选方式：在所述七种成份的混合物中还添加有芒硝，或者在后续添加的两种成份中再加入无水硫酸钠；固化剂中的无水硫酸钠的质量份数为0.1~3。

使用淤泥固化剂的淤泥固化方法进一步优选地：所述的淤泥与固化剂的质量比为：水泥9~11比上固化剂0.5~2。固化剂用量太多会增加成本，太少会减弱效果。一个优选地实施例为水泥为10份，固化剂为1份。

优选地：淤泥与固化剂的混合温度为10~90摄氏度，混合完成后放入太阳光下照射固化完全。太阳下晒可以减小成本，夏天炎热情况下，效率更高，而且可以利用炭黑吸热的优势。10摄氏度是冬天环境下，固化剂具备活性的一个重要条件，如果低于10度，固化剂中的膨胀树脂膨胀效果变差，更低温度下，水会结冰。90摄氏度是夏天太阳直射地面积热后可能产生的温度。温度的选择要考虑固化剂中的成份活性。例如芒硝，三十几度就处于吸水、脱水的快速调整平衡阶段，七十几度，生石灰吸水后生产的石膏又开始脱水。盐类在吸水脱水过程中会发生水分子交流，以及结晶形状会不断发生变化，进而作用淤泥板结成型。由于很多盐呈现白色，其会反光，阻碍吸收太阳光，因此，适当增加炭黑有助于增加太阳光的吸收，提高淤泥内部的温度，加速水份被吸收和蒸发。

本发明的有益效果是：将本发明的淤泥固化剂加入到淤泥中，可以使淤泥含水率低，固化效果好，效率高，且能够解决淤泥的弱酸性问题。

具体实施方式

本发明提出的一种淤泥固化剂，按以下方法制成：首选将包括可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰七种成份混合，在不低于可膨胀石墨膨胀的温度情况下，使可膨胀石墨膨胀，并搅拌混合物，得到半成品；在半成品中加入包括膨胀树脂和水玻璃在内的两种成份一起搅拌充分混合，制成固化剂。可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰六种成份的质量份数为：可膨胀石墨20~40，水泥10~30，粉煤灰10~20，炭黑0.1~5，硅粉1~20，瓷土5~30，生石灰5~10。膨胀树脂与水玻璃的质量份数为：膨胀树脂1~3，水玻璃1~10。

使用淤泥固化剂的淤泥固化方法，包括以下步骤：

1）用钩机将淤泥过筛子；筛子可以为例如1cm的规格。

2）将过筛后的淤泥与固化剂按照质量比混合均匀。淤泥与固化剂的质量比为：水泥10，固化剂0.5~2。

下面再结合实施例来说明淤泥固化剂的配方：

以下通过实施例对本发明的固化剂以及固化剂的使用方法进行说明，但是本发明的保护范围不限于以下提供的实施例以及公开的数值范围，其它可以逻辑推知的技术方案均在本发明的保护范围内。

实施例1：

淤泥固化剂由可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土、生石灰、膨胀树脂与水玻璃9种材料组成。

它们的质量分数分别为：可膨胀石墨22、水泥10、粉煤灰20、炭黑5、硅粉20、瓷土5、生石灰5、膨胀树脂3与水玻璃10。

按上述质量分数将可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土和生石灰混合，然后使可膨胀石墨膨胀后再搅拌混合，得到半成品。

然后向半成品中加入百分之三的膨胀树脂和百分之十的水玻璃，制成固化剂。这个步骤在上述步骤之后，是为了避免膨胀树脂受热变性和水玻璃脱水。

实施例2：

淤泥固化剂与实施例1的区别在于：

它们的质量分数分别为：可膨胀石墨40、水泥15、粉煤灰10、炭黑0.1、硅粉1、瓷土15、生石灰16.9、膨胀树脂1与水玻璃1。

在这个实施例的变形方案中，可以增加海盐3份，同时减少3份瓷土。

实施例3：

淤泥固化剂与实施例1的区别在于：

它们的质量分数分别为：可膨胀石墨20、水泥30、粉煤灰12、炭黑2、硅粉10、瓷土14、生石灰5、膨胀树脂2与水玻璃5。

实施例4：

淤泥固化剂与实施例1的区别在于：

它们的质量分数分别为：可膨胀石墨28、水泥18、粉煤灰12、炭黑2.5、硅粉10、瓷土10、生石灰10、膨胀树脂2、水玻璃7.4与海盐0.1。

按上述质量分数将可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土、海盐和生石灰混合，然后使可膨胀石墨膨胀后再搅拌混合，得到半成品。

然后向半成品中加入2%的膨胀树脂和7.4%的水玻璃，制成固化剂。

实施例5：

淤泥固化剂与实施例1的区别在于：

它们的质量分数分别为：可膨胀石墨20、水泥15、粉煤灰10、炭黑4、硅粉5、瓷土30、生石灰8、膨胀树脂2、水玻璃2、海盐1、芒硝2和石膏1。

按上述质量分数将可膨胀石墨、水泥、粉煤灰、炭黑、硅粉、瓷土、海盐、芒硝和生石灰混合，然后使可膨胀石墨膨胀后再搅拌混合，得到半成品。

然后向半成品中加入膨胀树脂、石膏和水玻璃，制成固化剂。

本实施例的变型方案中，可以采用芒硝0.1份，同时改变硅粉为6.9份；在另一个变型实施例中，可以采用芒硝3份，同时改变硅粉为4份。

另外，芒硝为十水硫酸钠，可以换算成无水硫酸钠进行添加。

有关固化剂的组份，如果只有前述实施例1、2、3的9种组份一般是可以的。但是对于不同的淤泥成份，可以存在对上述9种组份的进一步配伍，例如添加实施例4的海盐等。除了上述5个实施例公开的组份以外，还可以添加其他的组份，但是从通用性来说，添加的组份并不能使各种淤泥达到最佳的固化效果。实施例1~3公开的组份应该是通用性比较好、效果比较理想的选择。

在一个优选的实施方式中，淤泥与固化剂的混合温度为10~90摄氏度，例如温度为60摄氏度。混合完成后放入太阳光下照射固化完全。自然室温为20摄氏度左右，也可以达到较快的淤泥固化效果，但是阳光暴晒可以提高效率。淤泥固化温度较低会导致化学反应降低，甚至停止和水结冰现象。

淤泥和固化剂的用量一般为10：1。但是这个比例并不完全限定。如果环境温度较高，如在太阳下，则可以减少固化剂的使用，即10份淤泥，最少可以使用0.5份固化剂。如果淤泥中水份较高，则考虑加多固化剂，如10份淤泥可以使用2份固化剂。如果固化剂份数需要再提高的话，就会增加成本，显得不划算了。上述份数为质量份数。

将淤泥与固化剂混合之前需要用钩机将淤泥过筛，筛子的网孔一般为1cm孔径。对于沙质淤泥也可以采用更小的筛子，例如0.5cm直径网孔的筛子，或者对淤泥进行搅拌处理后过筛也可以采用更密的筛子。如果采用网孔更大直径，如2cm，则可能意味着淤泥与固化剂的混合并不会很好，效果可能要打折扣，但是，由于固化剂中存在水泥，淤泥固化效果可能能够保证基本要求。

使用实施例1-5的固化剂对淤泥进行固化，对实施例1和实施例4进行抽样检测，分别检测固化处理前，固化后淤泥（5日），固化后淤泥（28日）的含水率，pH值，所得的检测结果（检测的标准为《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T 221-2005）如下：

表：检测结果

项目实施例1实施例4固化处理前的淤泥的含水率29.9%29.3%固化后淤泥（5日）的含水率25.9%26.1%固化后淤泥（28日）的含水率24.2%24.1%固化处理前淤泥的pH值7.347.38固化后淤泥（5日）的pH值11.8511.86固化后淤泥（28日）的pH值9.979.96

从上表可以看出，经过本发明的固化剂处理后，淤泥的含水率大大降低，pH值达到9-12之间，淤泥固化效果良好，并解决了淤泥的弱酸性问题。