CN100465102C - 泥沙聚沉剂及泥沙聚沉分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泥沙聚沉剂：该聚沉剂的主要组分按所聚沉的泥沙重量比计：聚硅酸铁：0.025-0.100%，聚丙烯酰胺：0.025-0.100%，Na₂CO₃：0.025-0.100%。本发明泥沙聚沉分离方法，按以下步骤进行：按聚沉剂的配比取聚沉剂的各组分，并配制成溶液；在处理的泥沙中依次加入聚硅酸铁溶液、碳酸钠溶液、聚丙烯酰胺溶液；并进行搅拌产生紊动，在水流紊动作用下混合0.5min后水与泥沙絮凝体就会分离。本发明可将泥沙工程中出现的大量高浓度的悬浮泥沙迅速聚集沉降并利用，达到提高泥沙利用率、节省工程投资、缩短工期、同时保护水体的自然生态环境的目的。

Description

泥沙聚沉剂及泥沙聚沉分离方法

技术领域

本发明涉及一种能将河海湖泊泥沙工程领域中高浓度悬浊微细泥沙颗粒迅速聚集沉降分离的泥沙聚沉剂及泥沙聚沉分离方法。

背景技术

我国众多的入海河流形成的淤泥质海岸是我国大陆海岸的重要组成部分，长约4000多公里，约占我国大陆海岸的22％。这使得在国家沿海的经济建设中，不可避免地要处理那些淤泥质海泥，如围海造陆、海工大桥、海港建设等。其中，处理高浓度泥沙的问题往往是影响工程投资、工程进度、工程质量、环境保护的瓶颈之一。

我国的河流湖泊星罗棋布，大量的淤沙、淤泥给水利系统、海陆交通和城市环境净化系统带来巨大的影响。

具体说来，在现今的水利工程、航道工程、海洋工程、海滨泥沙工程特别是围海造陆工程和河流湖泊清淤整治工程中，水与悬浮泥沙在极短的时间内快速分离是十分困难的，这往往会产生泥沙利用不彻底、水沙(泥)环境不达标，有效资源不能充分利用的现象：在施工操作过程，混于水中的大量悬浮的泥沙不能聚凝沉降，重新返回水体，同时还对周边环境产生不利影响。为此，国家近期已经明文规定了在河流湖泊及近海施工中混浊水的排放标准，用以保护水体的生态环境。施工单位为了遵守国家规定，提高泥沙利用率，往往采用等待其自然沉降的办法，以达到国家规定的混浊水排放标准后再进行排放。这不仅延误了施工工期，同时给工程的人力及机械的有效利用造成了巨大的浪费。在我国目前正在施工的渤海海域中的两大深港工程、上海浙江的造陆工程、粤闽地区的深港工程、黄河长江珠江海河以及内陆湖泊的疏浚整治工程中，高浓度泥沙水的排放问题给工程的投资和工期带来巨大的困扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种泥沙聚沉剂和泥沙聚沉分离方法，使泥沙工程中出现的大量悬浮的泥沙能够迅速聚集沉降，水与泥沙絮凝体自动分离或者通过机械加速分离，以达到提高泥沙利用率、节省工程投资、缩短工期，同时保护水体的自然生态环境。

为此，本发明的着眼点在于：

1、泥沙聚沉剂及其生成方法。本发明的泥沙聚沉剂用于聚集悬浮泥沙，增大絮凝体的颗粒粒径和密度，提高泥沙絮凝体的沉降速度；泥沙聚沉剂由高分子聚合物组分组成。

一种泥沙聚沉剂：该聚沉剂的主要组分按所聚沉的泥沙重量比计算，也就是按泥沙聚沉剂的组分重量占泥沙重量的百分比计算：

聚硅酸铁：0.025-0.100％；聚丙烯酰胺：0.025-0.100％；Na₂CO₃：0.025-0.100％。

一种泥沙聚沉剂各组分的制作方法：

(1)配制浓度为0.5％聚硅酸铁备用液。取一定量的水玻璃溶液用自来水稀释，用稀硫酸调pH值4.0，用60r/min的转速搅匀并陈化5h使硅酸聚合，然后加入一定量的硫酸铁并稍加热，再加水稀释使聚硅酸铁的浓度为0.5％。陈化10h即可得聚硅酸铁备用液。用此法制得的聚硅酸铁备用液的稳定性在15天以上；

(2)将聚丙烯酰胺固体配制成0.5％备用液，0.5％的备用液储存期为七天，若配制成0.05％的备用液储存期为三天。配制溶液时要注意如下事项：

溶解温度：聚丙烯酰胺易溶于水，适宜的溶解温度更能发挥其作用。作为专门用于泥沙工程的泥沙聚沉剂，主体原料组分的聚丙烯酰胺的溶解的温度以20～40℃为宜；

搅拌条件：聚丙烯酰胺的溶解应避免过强的剪切力搅拌，过强的搅拌会使分子链断裂，从而降低使用效果。搅拌宜采用低速浆叶，如锚式、框式、多层浆式等，搅拌速度控制为60r/min左右；

(3)将工业纯碳酸钠固体配制成浓度为1％的溶液。

2、一种泥沙聚沉分离方法。本发明的水与泥沙絮凝体快速分离方法，是指在聚沉剂聚合泥沙絮团的状态下，通过水与泥沙絮凝体液固两相的组成特性、紊动特性、泥沙絮凝体沉降特性和水沙输移规律使得水与泥沙絮凝体分离。主要内容包括：各异环境条件下聚沙比也就是聚沉剂与泥沙配比、水流紊动动能作用下聚沉剂掺混、无规则周界工程环境中的泥沙聚沉等。具体操作按以下步骤进行：

(1)配制浓度为0.5％聚硅酸铁备用液、浓度为1％碳酸钠备用液、浓度为0.5％聚丙烯酰胺备用液；

(2)在处理的泥沙中依次按聚硅酸铁溶液、碳酸钠溶液、聚丙烯酰胺溶液的顺序加料，其中聚硅酸铁、碳酸钠、聚丙烯酰胺各加入量为处理的泥沙重量的百分比为：聚硅酸铁：0.025-0.100％，聚丙烯酰胺：0.025～0.100％，Na₂CO₃：0.025-0.100％，加入聚硅酸铁溶液与碳酸钠溶液的加料时间间隔为30秒，加入碳酸钠溶液与聚丙烯酰胺的加料时间间隔为15秒；

(3)对处理的泥沙进行搅拌产生紊动，在水流紊动作用下混合0.5min后水与泥沙絮凝体就会分离。

可以看出，本发明的泥沙聚沉分离技术由泥沙聚沉剂及其生成方法和水与泥沙絮凝体分离方法两大部分组成。本发明有别于一般意义上的处理低浊度的生活污水、洗煤废水、含油废水、造纸废水等的絮凝技术，本发明要处理的是聚沉含胶质泥在内的宽粒配、且浓度高达300g/L的泥沙混合水，其浊度比上述废水高出10000倍，上述废水的浊度一般为30～200mg/L。因此，使用处理上述低浊度的生活污水、洗煤废水、含油废水、造纸废水等的絮凝技术是不能解决现今的围海造陆工程和河流湖泊清淤整治工程中泥沙资源不能充分利用的问题的。在本发明的泥沙聚沉分离技术中，由于利用水流紊动能量来实现聚沉剂与水沙的高浓度、大尺度掺混，一般情况下无需外加机械能，使在相关的各类工程的应用中收到经济、便捷的聚沉效果；再者，因泥沙聚沉体密度大，沉降快，静水环境下可在十秒中内达到水与泥沙絮凝体分离界面清晰，上部清水可迅速地自然析出和排放，不需要过滤分离的工艺与设备，为海洋工程、海滨工程、围海造填、吹填造地工程、航道疏峻工程、湖泊清淤工程和引黄淤背工程等的使用提供便利。这是上述一般意义上的絮凝技术难以实现的。本发明的泥沙聚沉分离技术正是针对这些泥沙工程领域中的难题进行研究后产生的。

针对泥沙工程特性，本发明中的聚沉剂及其生成方法特别突出其聚合絮凝性、减阻性、结合性、助沉性。为此，聚沉剂构成所使用的聚沉材料组分大部分选定分子量大的絮凝材料。其中主要成分有聚硅酸铁盐和聚丙烯酰胺。

聚硅酸铁盐是一类新型无机高分子混凝剂，聚硅酸铁盐混凝剂的分子量高达10⁵～10⁶，是在活化硅酸即聚硅酸及铁盐混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与铁盐复合的产物。本来，聚硅酸属阴离子型絮凝剂，其作用机理是靠分子链上的阴离子活性基团与泥沙胶体微粒表面间的范德华力、氢键作用而引起的吸附架桥作用，由于铁盐的复合，使其同时具有电中和作用及吸附架桥作用。一般而言，带有负电荷的聚硅酸具有较高的分子量，对水体中的泥沙胶粒具有很强的吸附架桥能力；而铁盐在水溶液中水解可形成一系列带有正电荷的水解羟基铁离子，具有较强的电中和能力。若二者复合，即成为同时具有电中和作用及吸附架桥能力的高效无机高分子混凝剂，从而取得良好的聚沉泥沙的效果，更适于架桥作用或卷扫絮凝。

聚丙烯酰胺是应用最多的人工合成絮凝剂，分子量一般为1.5×10⁶～6×10⁶，其分子链很长，长度为100A°左右。聚丙烯酰胺是一种化学性质比较活泼的高分子化合物。由于分子侧链上酰氨基的活性，使聚合物获得了许多宝贵的性能。它的酰胺基(-CONH₂)可与许多物质亲和、吸附形成氢键，这就使它能在吸附的泥沙粒子之间架桥，甚至能使数十个粒子连接在一起，生成絮团，增大泥沙颗粒粒径，加速粒子下沉，这使它成为最为理想的聚沉材料之一。聚丙烯酰胺的聚沉作用原理是：(1)聚丙烯酰胺具有极性基团——酰胺基(-CONH₂)，易于借其氢健的作用在泥沙颗粒表面吸附；(2)聚丙烯酰胺有很长的分子链，大数量级的长链在水中有巨大的吸附表面积，故絮凝泥沙作用好，能利用长链在泥沙颗粒之间架桥，形成大颗粒的悬浮泥沙絮凝体，加速沉降。(3)借助于聚丙烯酰胺的絮凝与助凝作用，在悬浮泥沙处理混凝过程中可发生双电离压缩，破坏悬浮泥沙颗粒的稳定性，在分子引力作用下使悬浮泥沙颗粒结合起来，分散相被聚合；(4)高分子的聚丙烯酰胺和水中的悬浮泥沙，可发生离子之间的络合反应；(5)由于分子链固定在不同泥沙颗粒的表面上，各个固相颗粒之间形成聚合桥。

泥沙聚沉剂选用上述高分子聚合材料通过机械物理均混合成。由上述两种高分子聚合材料作为主要原材料合成的泥沙聚沉剂具有一般絮凝剂所不能比拟的优良特性：聚合、减阻、助重，特别适宜江河湖泊、海洋海滨、航道码头、吹填造陆等宽粒配、微细颗粒高浓度的泥沙工程。

由上可以看出：本发明的泥沙聚沉分离技术的聚沉方法原理是：(1)吸附架桥：泥沙聚沉剂的组分分子链固定在悬浮泥沙颗粒表面上，使各颗粒之间形成聚合物的桥，使绝大部分泥沙颗粒形成桥连体；(2)网捕卷扫作用：泥沙聚沉剂组分的分子链与被聚沉泥沙的分散相通过各种物理化学等作用，将分散相牵引在一起，形成网状结构，从而起网捕卷扫作用，使泥质、水质相界面清晰；(3)表面吸附：泥沙聚沉剂组分分子对被聚沉泥沙表面的极性基团颗粒施加各种吸附力，使微细泥沙颗粒形成聚集体；(4)泥沙聚沉剂改变被聚沉泥沙及其它被聚沉物的表面性质，特别是改变其动电位、粘度等，能迅速降低其动电位和粘度而聚沉；(5)泥沙聚沉剂在聚沉悬浮泥沙颗粒的同时，增大形成的聚集体的密度，使形成的聚集体沉降迅速。

本发明的泥沙聚沉分离技术中的水与泥沙絮凝体分离的原理是：(1)泥沙絮凝聚合：水沙/泥两相体在聚沉剂的作用下，泥沙颗粒通过水流紊动作用，能连续不断地随机改变空间位置，增加泥沙颗粒的接触机率，经聚沉剂的作用而形成泥沙聚合体；(2)水流内部减阻：聚沉剂溶解于水沙/泥两相体中，其物理化学作用可使得水体内部减阻高达50％以上，极大减弱水与泥沙的黏滞力，营造低阻力空间环境；(3)水与泥沙絮凝体重力差：聚沉剂作用于水中的高浓度泥沙时，一方面，聚沉剂的水化反应改变了泥沙颗粒表面结合水膜的各种理化性能，增加了泥沙絮凝体的密度；另一方面，聚沉剂可以聚合数量众多的泥沙颗粒生成泥沙絮凝体单体，从而增大了泥沙絮凝体单体的重量，进而使水相与固相产生了极大的重力差，易于水与泥沙絮凝体的分离；(4)外加作用能：在部分工程中，使用外加作用能可加速泥沙聚合体与水的分离，如使用离心机机械能、水库势能、河流弯道水流做功等。

通过物理合成的泥沙聚沉剂的原材料取自于环保型高分子聚合物，本身无毒，经泥沙聚沉剂处理过的水符合国家饮用水标准。表1.是天津港高浓度淤泥泥沙(含泥沙量达30％，即300g/L)经泥沙聚沉分离技术处理后，取其表面清水进行化验检测的结果。该结果表明，经泥沙聚沉分离技术处理后的水质满足国家饮用水水质标准要求。

附图说明

图1为泥沙聚沉分离方法连续施工作业原理图。

具体实施方式

一种泥沙聚沉剂实施例1～3所用原料及投加配比如表2.所示，聚沉剂的组分按所聚沉的泥沙重量比计，也就是按泥沙聚沉剂的组分重量占处理泥沙重量的百分比计。

表2   泥沙聚沉剂所用原料及配比   单位：％

 

	聚硅酸铁	聚丙烯酰胺	Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>	合计
					实施例1	0.100	0.025	0.050	0.175
实施例2	0.050	0.050	0.100	0.200
					实施例3	0.025	0.100	0.025	0.150

一种泥沙聚沉剂的制作方法：(1)按表2.的配方和配比取用原料，分别制成：浓度为0.5％聚硅酸铁备用液、浓度为0.5％聚丙烯酰胺溶液、浓度为1％的碳酸钠溶液；实施时，使用均混精度高达20万倍的均匀混合器加水稀释混匀；(2)在处理的泥沙中依次按聚硅酸铁溶液、碳酸钠溶液、聚丙烯酰胺溶液的顺序加料，其中聚硅酸铁、碳酸钠、聚丙烯酰胺各加入量为处理的泥沙重量的百分比为表2.中的量，加入聚硅酸铁溶液与碳酸钠溶液的加料时间间隔为30秒，加入碳酸钠溶液与聚丙烯酰胺的加料时间间隔为15秒；(3)对处理的泥沙进行搅拌产生紊动，在水流紊动作用下混合0.5min后水与泥沙絮凝体就会分离。

表3.是按表2.所示的实施例1～3所用原料及投加配比对取自各地的高浓度泥沙样品的处理结果。

Claims (3)

1、一种泥沙聚沉剂:该聚沉剂的主要组分按所聚沉的泥沙重量比计，也就是按泥沙聚沉剂的组分重量占处理泥沙重量的百分比计为:

聚硅酸铁:0.025-0.100％；聚丙烯酰胺:0.025-0.100％；Na₂CO₃:0.025-0.100％。

2、根据权利要求1所述的一种泥沙聚沉剂的泥沙聚沉分离方法，按以下步骤进行:(1)按聚沉剂的配比取聚沉剂的各组分，并配制成浓度为0.5％聚硅酸铁备用液、浓度为1％碳酸钠备用液、浓度为0.5％聚丙烯酰胺备用液；(2)在处理的泥沙中依次按聚硅酸铁溶液、碳酸钠溶液、聚丙烯酰胺溶液的顺序加料，其中聚硅酸铁、碳酸钠、聚丙烯酰胺各加入量为处理的泥沙重量的百分比为:聚硅酸铁:0.025-0.100％，聚丙烯酰胺:0.025-0.100％，Na₂CO₃:0.025-0.100％；(3)对处理的泥沙进行搅拌产生紊动，在水流紊动作用下混合0.5min后水与泥沙絮凝体就会分离。

3、根据权利要求2所述的泥沙聚沉分离方法，其特征在于:加入聚硅酸铁溶液与碳酸钠溶液的加料时间间隔为30秒，加入碳酸钠溶液与聚丙烯酰胺的加料时间间隔为15秒。

Images