CN107290245A - 一种测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法，通过控制温度和气氛条件，利用同步热重分析/差热分析仪，同时测量物质和参比物的功率差（热流差）和质量与温度之间的关系，再通过计算曲线数据从而得到物质的低沸点物、有机物和残渣含量以及热值。本发明中测量试样用量少，通过建立实验条件和数据分析计算方法，包括实验升温速率、温度范围、气氛条件等，可以对某一批次试样进行多次采样测试，试样用量少，方法便捷，试样无需进行前处理，能迅速、连续、准确地检测出污水污泥试样的低沸点物、有机物含量和残渣量以及热值；全部过程由仪器自动执行，减少了人为操作的误差和周围环境的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水污泥处理方法，具体涉及一种污水污泥中组分含量及热值的热分析方法。
背景技术
城市污水污泥的生物处理过程是一个包含能量变化和物质变化的综合过程，其中，有机物、残渣含量以及与传统动力学指标相类似的热力学指标，对于污水生物处理具有重要意义。
污水污泥的热能值是基本的热力学指标，又称热值，它能从宏观上反应了城市污水处理系统中各环节的含能水平和整个系统的能量构成，有助于开展废水处理的热力学基础研究，同时，污泥的最终用途，即污泥处置往往决定了对有机成分测量方法和含量的要求，因此，污水污泥组分含量和热能值的测定对于进行实现废水生物处理和污泥实际再利用具有重要意义。通常地，采用弹式热量计进行物质的热值测量。但样品需要进行前处理，先除去其中的大量水分，进行干燥，再用擦镜纸包裹试样或添加阻燃剂，最后进行有氧燃烧实验，测得热值。这个传统方法会因为前处理操作步骤的不同而使热值测试结果产生较大差异，并且费事费力。
另外，有机物含量是污水污泥最重要的化学性质，同时决定了污泥的热值与可消化性。通常有机物含量越高，污泥的热值也越高，可消化性也越好。当然，热值的高低也与有机物的成分种类有关。废水污泥中的低沸点物、有机物以及残渣含量一般采用比较费时费力的灼烧、重量法或重铬酸钾法进行测定，人工多因素干扰较多，数据可靠性差。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出了一种无需进行前处理的、连续且便捷的测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法。
技术方案：本发明提供了一种测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法，包括以下步骤：
(1)称取试样2～30mg，放入热重/差热同步分析仪的样品坩埚中，参比物坩埚中放入与试样等值的氧化铝粉末或者空坩埚；
(2)以2～20℃/min的升温速度从室温加热至800～1000℃，或至质量不变为止，气氛为流量为60～200ml/min的空气或氧气；
(3)获得差热曲线和热重曲线；
(4)从热重曲线上，读取试样的起始质量M0；若曲线在第一个失重台阶区域质量平稳，则读取该处试样质量M1，若曲线在第一个失重台阶区域不断失重变化，则读取第一个失重台阶质量变化速率最小处试样质量作为M1；低沸点物质含量百分比为：(M0-M1)/M0×100％；
(5)读取试样的最终残渣质量M2，残渣的含量百分比为：M2/M0×100％，试样中有机物的百分含量为：(M1-M2)/M0×100％；
(6)从差热曲线上，若出现一个独立的放热峰或两个连续的放热峰，确定放热峰起始温度T1和放热峰结束温度T2，读取T1和T2温度，计算这两温度区间的放热峰的总峰面积S；
(7)污水污泥试样的热能值为：单位为J/g或kJ/g。
进一步，在差热曲线上若出现两个独立的放热峰，则分别确定两个放热峰的起始温度和结束温度，计算出两个峰面积S1和S2。
进一步，对于两个独立的放热峰，步骤(7)则分别计算每一个放热峰的热焓： 式中，M’为热重曲线上第二个失重台阶质量变化速率最小处所对应的质量，则污水污泥试样的总热能值为：ΔH＝ΔH1+ΔH2。
发明原理：物质在加热过程中，其结构、相态和化学性会发生变化，同时，伴随有相应的物理性质的变化，例如热量的变化和重量的变化。另外，物质中不同的组分由于其性质的不同，会在不同温度阶段和不同气氛环境下发生不同反应，例如脱附、氧化和分解反应，并伴随有相应的吸热或放热效应。污水污泥的主要成分是可以燃烧的有机物，因此，本发明通过控制温度和气氛条件，利用同步热重分析/差热分析仪，同时测量物质和参比物的功率差(热流差)和质量与温度之间的关系，再通过计算曲线数据从而得到物质的低沸点物、有机物和残渣含量以及热值。
有益效果：本发明中测量试样用量少，通过建立实验条件和数据分析计算方法，包括实验升温速率、温度范围、气氛条件等，可以对某一批次试样进行多次采样测试，试样用量少，方法便捷，试样无需进行前处理，能迅速、连续、准确地检测出污水污泥试样的低沸点物、有机物含量和残渣量以及热值；全部过程由仪器自动执行，减少了人为操作的误差和周围环境的影响。
附图说明
图1为城市1污水污物的同步热重分析/差热分析曲线；
图2为城市2污水污物的同步热重分析/差热分析曲线。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：
实施例1：一种测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法，仪器采用美国Perkin-Elmer公司生产的Diamond TG/DSC系列同步热重分析/差热分析仪，取城市1污水污物试样3.52mg放入同步热重分析/差热分析仪，通入氧气的流量为100ml/min。
1、在氧气气氛下从室温以10℃/min的速率加热至800℃；
2、得到热重/差热曲线，如图1所示，图中，横坐标T表示温度，左侧纵坐标H表示热流，右侧纵坐标M表示质量；
3、图中虚线为热重曲线，对应右侧纵坐标，可以直接读取开始加热时的起始质量M0和在失重台阶区域105℃时质量较为平稳的质量M1，那么水分和醇等低沸点物质的含量为(M0-M1)/M0×100％；经过计算，低沸点物质含量为91.7％；
4、读取在氧化性气氛下的污泥试样最终残渣质量M2，污泥试样中有机物的百分含量为：(M1-M2)/M0×100％；经过计算，有机物含量为7.2％，残渣含量为1.1％；
5、图中实线为差热曲线，对应左侧纵坐标，读取放热峰的起始温度T1和结束温度T2，计算这两温度区间的放热峰的总峰面积S(mJ)，污泥热值为经过计算，污泥热值为16637.45J/g，即约为16.64kJ/g。
实施例2：仪器采用美国PE公司生产的Diamond TG/DSC系列热重分析/差示扫描量热分析仪，取城市2污水污物试样28.02mg，氧气的流量为：100ml/min。
1、在氧气气氛下从室温以10℃/min的速率加热至800℃；
2、得到热重/差热曲线，如图2所示；
3、从虚线的热重曲线上，对应右侧纵坐标，可以直接读取开始加热时的起始质量M0和在第一个失重台阶质量变化速率最小处所对应的质量M1，那么低沸点物质如水份和乙醇的含量为：(M0-M1)/M0*100％；经过计算，低沸点物质含量为44.2％；
4、读取热重曲线上第二个失重台阶区域的质量变化速率最小处作为M’，污泥试样最终残渣质量作为M2，污泥试样中有机物的百分含量为：(M1-M2)/M0×100％；经过计算，有机物含量为55.7％，残渣含量为0.1％；
5、从实线的差热曲线上，对应左侧纵坐标，分别读取第一个放热峰的起始温度T1和结束温度T2，以及第二个放热峰的起始温度T3和结束温度T4温度(大约250～650℃之间)，分别计算这两段温度区间的放热峰的峰面积S1和S2(mJ)，污泥热值为： 经过计算，污泥热值为16052.30J/g，即约为16.05kJ/g。
本实例所测的热值与利用氧弹测量所得的热值结果相近，两者误差小于5％。根据《城市污水处理厂污泥检验方法(CJ/T 221-2005)》中规定的重量法方法对本实例中的样品进行低沸点物和有机物含量的测定，结果均与本实例热分析方法测试结果相近，两者误差分别小于2％和5％。
Claims (3)
1.一种测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)称取试样2～30mg，放入热重/差热同步分析仪的样品坩埚中，参比物坩埚中放入与试样等值的氧化铝粉末或者空坩埚；
(2)以2～20℃/min的升温速度从室温加热至800～1000℃，或至质量不变为止，气氛为流量为60～200ml/min的空气或氧气；
(3)获得差热曲线和热重曲线；
(4)从热重曲线上，读取试样的起始质量M0；若曲线在第一个失重台阶区域质量平稳，则读取该处试样质量M1，若曲线在第一个失重台阶区域不断失重变化，则读取第一个失重台阶质量变化速率最小处试样质量作为M1；低沸点物质含量百分比为：(M0-M1)/M0×100％；
(5)读取试样的最终残渣质量M2，残渣的含量百分比为：M2/M0×100％，试样中有机物的百分含量为：(M1-M2)/M0×100％；
(6)从差热曲线上，若出现一个独立的放热峰或两个连续的放热峰，确定放热峰起始温度T1和放热峰结束温度T2，读取T1和T2温度，计算这两温度区间的放热峰的总峰面积S；
(7)污水污泥试样的热能值为：单位为J/g或kJ/g。
2.根据权利要求1所述的测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法，其特征在于：在差热曲线上若出现两个独立的放热峰，则分别确定两个放热峰的起始温度和结束温度，计算出两个峰面积S1和S2。
3.根据权利要求2所述的测定污水污泥中组分含量及热值的热分析方法，其特征在于：对于两个独立的放热峰，步骤(7)则分别计算每一个放热峰的热焓： 式中，M’为热重曲线上第二个失重台阶质量变化速率最小处所对应的质量，则污水污泥试样的总热能值为：ΔH＝ΔH1+ΔH2。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171024 |