CN111392972B - 轻质底泥覆盖材料的制备方法及河道底泥修复方法 - Google Patents

轻质底泥覆盖材料的制备方法及河道底泥修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轻质底泥覆盖材料的制备方法及河道底泥修复方法。其组分及重量份数：无机粘结剂100份，有机粘结剂0.1‑10份，磁性吸附材料100‑1000份，增强纤维0.1‑10份、发泡粒子0.5‑5份，催化材料0.1‑10份。各组分经搅拌混合、造粒和自然养护制成。制得的覆盖材料粒径5‑50mm，呈微碱性，有利于改善底泥酸性微环境；比表面积大，吸附力强，尤其对磷有很好吸附效果；强度高不易破碎；质轻且比重可控，实现最佳覆盖效果；有利于促进微生物生长挂膜，提高长期抑制底泥和水质净化效果。该底泥覆盖材料及其制造工艺简单，成本低廉，适合规模化生产和应用。

Description

轻质底泥覆盖材料的制备方法及河道底泥修复方法
技术领域
本发明属于水环境治理领域，尤其涉及一种轻质底泥覆盖材料的制备方法及河道底泥修复方法。
背景技术
河湖底泥是污染物的重要蓄积库，积累的主要污染物有重金属，N、P等营养盐及难降解有机物，其含量可达水体中的上百倍，并且与水相保持一定的动态平衡。当环境条件发生变化时，底泥中的污染物可能会释放出来，再次污染水体。所以，污染底泥已严重威胁着人类的健康和世界的环境，对污染底泥的治理刻不容缓。
目前，污染底泥控制技术主要有原位处理技术和异位处理技术2大类。原位处理技术是将污染底泥留在原处，采取措施阻止底泥污染物进入水体，即切断内污染源的污染途径；异位处理技术是将污染底泥挖掘出来运输到其它地方后再进行处理，即将水体的内污染源转移走，以防止污染水体。目前广泛应用的原位处理技术主要有覆盖(掩蔽)、固化、氧化、引水、物理淋洗、喷气和电动力学修复等。异位处理技术主要有疏浚、异位淋洗、玻璃化等。覆盖(掩蔽)作为底泥的一种原位处理技术对污染底泥的修复效果非常明显，而且工程造价低，能有效防止底泥中的污染物进入水体而造成的二次污染，不论是有机污染还是无机污染类型的底泥均适用。
原位覆盖技术通过在污染底泥表面铺放一层或多层清洁的覆盖物，使污染底泥与上层水体隔离，从而阻止底泥中污染物向水体的迁移。覆盖具有如下3方面功能：1)通过覆盖层，将污染底泥与上层水体物理性隔开；2)覆盖作用可稳固污染底泥，防止其再悬浮或迁移；3)通过覆盖物中有机颗粒的吸附作用，有效削减污染底泥中污染物进入上层水体。
目前使用较多的掩蔽材料有未污染的底泥、清洁砂子、砾石、钙质膨润土、灰渣、人工沸石、还可以采用方解石、土工织物或一些复杂的人造地基材料等。然而当前掩蔽材料多以无机沙石为主，虽然来源广泛且成本低，但存在比重大，容易陷入底泥被底泥覆盖、比表面积小，吸附性能差、不利于微生物生长，挂膜速度慢，且容易脱落、无功能性，容易引起厌氧或兼性厌氧环境，无法实现长期抑制底泥污染物释放和对水质改善功效。CN 102617089A报道了用水泥固化材制备的覆盖材料，但是碱性太强，对水体会造成二次污染，而且比表面积小，吸附性差，比重大，对底泥承载力要求高，容易沉积到底泥中，发挥不了覆盖作用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种能修复河道底泥的轻质底泥覆盖材料及其制造方法，该材料呈微碱性，强度高，吸附能力强，尤其对磷有很强的吸附作用，且有光催化和促进微生物生长功效，覆盖在底泥表面可以实现长期抑制底泥污染物释放和对水质改善功效。
为达到上述目的，本发明一种轻质底泥覆盖材料制备方法，所述的方法包括下述步骤：
（1）按照预定比例将粘结剂、吸附材料、发泡粒子和辅助添加材料充分混合；
（2）将步骤（1）的混合物中加入水，充分搅拌均匀，造粒，常温常压放置自然养护3-7天即成。
进一步的，所述的步骤（1）具体为：
按照预定比例将无机粘结剂、有机粘结剂、磁性吸附材料、增强纤维、发泡粒子和催化材料充分混合；其中：无机粘结剂100重量份，有机粘结剂0.1~10重量份，磁性吸附材料100~1000重量份，增强纤维0.1~10重量份、发泡粒子0.5~5重量份，催化材料0.1~10重量份、水150-1000重量份；制备出的覆盖材料造粒粒径5~50mm。
进一步的，所述的磁性吸附材料制备方法如下：
（31）、吸附材料100份和超支化聚乙烯亚胺0.01~1份超声分散于200份水中；
（32）、将所得溶液在曝气量为10~20L/min下曝气，同时加热升温至80~100℃，以及以10~100份/min的速度滴加100份0.5~2M的亚铁盐溶液和100份0.5~2M碱液；
（33）、溶液滴加完毕后，在曝气量为11~20L/min，恒温81~100℃，搅拌反应1~5min；
（34）、对步骤（33）溶液中的吸附材料进行磁分离、水洗、干燥至恒重，制得磁性吸附材料。
进一步的，无机粘结剂是水泥和石膏，水泥与石膏的重量比为1:50~50:99。
进一步的，有机粘结剂是羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、田菁胶、木质素、沥青、聚氨酯、环氧树脂、醋酸乙烯酯中的一种或两种以上混合物。
进一步的，所述的吸附材料是活性炭、沸石、凹凸棒粘土、硅藻土、海泡石、蒙脱石，白云石中的一种或两种以上混合物。
进一步的，增强纤维是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维中一种或两种以上混合物，长度为5~20mm。
进一步的，发泡粒子是发泡聚丙烯、发泡聚苯乙烯、发泡聚氨酯中一种或两种以上混合物，粒径是0.5~5mm。
进一步的，催化材料是纳米二氧化钛溶胶液或其悬浮液。
为达到上述目的，本发明一种河道底泥修复方法，向河道中投放按上述方法制备所得的轻质底泥覆盖材料，形成1~10cm的覆盖层。
本发明的一种轻质底泥覆盖材料的制备方法，其组成是无机粘结剂、有机粘结剂、磁性吸附材料、增强纤维、发泡粒子和催化材料经搅拌混合。材料微碱性，有利于改善底泥酸性微环境；比表面积大，吸附力强，尤其对磷有很好吸附效果；通过无机粘结剂和有机粘结剂及增强纤维固化，强度高不易破碎；根据底泥实际承载力调节发泡粒子的粒径和添加比例从而控制覆盖材料比重，实现最佳覆盖效果；磁性吸附材料和催化材料有利于提高覆盖材料的功能性和微生物活性，同时覆盖材料吸附的有机质、氮、磷等营养成分又有利于微生物生长和挂膜，提高长期抑制底泥和水质净化效果，对于水浅和水体透明度高的水域，利用光催化分解处理污染物。该底泥覆盖材料及其制造工艺简单，成本低廉，适合规模化生产和应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例及其结果仅用于本发明，而不应当也不会限值权利要求书中所描述的本发明。
水泥：硅酸盐水泥，江南水泥厂，粒径200目
半水石膏：建德市泰合新材料有限公司，粒径325目
发泡聚丙烯A：粒径1~2mm
发泡聚丙烯B：粒径3~4mm
活性炭：郑州竹林活性炭开发有限公司，粒径325目
凹凸棒粘土：盱眙博图凹土股份有限公司，粒径200目
钛白粉：上海亮江钛白化工制品有限公司，粒径200目
聚丙烯纤维：常州市天怡工程纤维有限公司，长10mm
羟丙基甲基纤维素、七水硫酸亚铁和氢氧化钠使用国药集团
磁性活性炭吸附材料制造例
步骤一：100份活性炭超声分散于水200ml中，加入超支化聚乙烯亚胺0.1克，
步骤二：步骤一的活性炭分散液在曝气量为15L/min条件下曝气加热升温至90℃；同时，以10ml/min的速度同时滴加100ml浓度为0.1M的硫酸亚铁盐溶液和100ml浓度为0.25M的氢氧化钠溶液；
步骤三：硫酸亚铁盐和碱溶液同步滴加完毕，恒温90℃，在曝气量为15L/min曝气搅拌反应3min；
步骤四：磁分离、水洗至中性、100℃真空干燥至恒重，制得磁性活性炭吸附材料。
磁性凹凸棒粘土吸附材料制造例
步骤一：100份凹凸棒粘土超声分散于水200ml中，加入超支化聚乙烯亚胺0.1克，
步骤二：步骤一的凹凸棒粘土分散液在曝气量为15L/min条件下曝气加热升温至90℃；同时，以10ml/min的速度同时滴加100ml浓度为0.1M的硫酸亚铁盐溶液和100ml浓度为0.25M的氢氧化钠溶液；
步骤三：硫酸亚铁盐和碱溶液同步滴加完毕，恒温90℃，在曝气量为15L/min曝气搅拌反应3min；
步骤四：磁分离、水洗至中性、100℃真空干燥至恒重，制得磁性凹凸棒粘土吸附材料。
实施例1-6
制备所述的一种轻质底泥覆盖材料及其制造方法，包括以下步骤：
（1）按照一定比例将水泥、半水石膏、羟丙基甲级纤维素、磁性活性炭、磁性凹凸棒粘土、聚丙烯纤维、发泡聚丙烯、纳米二氧化钛充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天。
分别制得材料A~F
实施例各原材料参数见表1
表1
Figure 740185DEST_PATH_IMAGE001
备注：纳米二氧化钛：配制成10%的悬浊液
比较例1（无发泡聚丙烯）
（1）按照水泥100份、羟丙基甲级纤维素2.5份、活性炭10份、凹凸棒粘土90份、聚丙烯纤维2.5份和纳米二氧化钛1份充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水150份，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天，制得覆盖材料G。
比较例2（发泡材料过多）
（1）按照水泥100份、羟丙基甲级纤维素2.5份、活性炭10份、凹凸棒粘土90份、聚丙烯纤维2.5份、发泡聚丙烯A 10份和纳米二氧化钛1份充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水150份，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天，制得覆盖材料H。
比较例3（无无机粘结剂）
（1）按照羟丙基甲基纤维素2.5份、活性炭10份、凹凸棒粘土190份、聚丙烯纤维2.5份、发泡聚丙烯A 1份和纳米二氧化钛1份充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水150份，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天，制得覆盖材料I。
比较例4（无有机粘结剂和增强纤维）
（1）按照水泥100份、活性炭10份、凹凸棒粘土90份、发泡聚丙烯A 1份、四氧化三铁1份和纳米二氧化钛1份充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水150份，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天，制得覆盖材料J。
比较例5（无吸附剂）
（1）按照水泥200份、羟丙基甲基纤维素2.5份、聚丙烯纤维2.5份、发泡聚丙烯A 1份和纳米二氧化钛1份充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水150份，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天，制得覆盖材K。
比较例6（无辅助添加材料）
（1）按照水泥100份，羟丙基甲基纤维素2.5份、活性炭10份、凹凸棒粘土90份、聚丙烯纤维2.5份、发泡聚丙烯A 1份充分搅拌混合；
（2）步骤（1）的混合物中加入水150份，充分搅拌均匀，造粒，粒径5~10mm，常温常压放置自然养护3~7天，制得覆盖材料L。
覆盖材料理化性测试
测试底泥覆盖材料pH：称取100克底泥覆盖材料A~L，放入烧杯，加入1L水，静置24小时后，测试水的pH，结果见2
排水法测试底泥覆盖材料A~L的比重和目测材料的力学强度，结果见2。
表2
Figure 612326DEST_PATH_IMAGE002
好（◎）；一般（○）；差（●）。
由表2可以看出，实施例1-5制造的底泥覆盖材料A-F呈微碱性，比重较轻，且发泡聚丙烯颗粒添加量越多，颗粒越大，比重越轻，力学强度较大。而比较例制造的覆盖材料G无发泡聚丙烯材料，比重较大；覆盖材料H发泡聚丙烯材料比例过大，比重小于水，无法沉底，且强度差；覆盖材料I无无机粘结材料，力学强度差；覆盖材料J无有机粘结材料和增强纤维材料，力学强度一般。
底泥覆盖和水污染处理效果
利用覆盖材料A~L对黑臭水河道底泥修复实验；获取20公斤底泥并记录污泥和水质参数(表3)，将污泥倒入圆桶中，泥的厚度约40cm，再倒入未污染的清水，水面距离底泥上表面40cm，待水稳定后，表面均匀散覆盖材2KG，形成厚度为5cm左右的覆盖层，以未覆盖作对照，三个月后观测水质变化，结果记录在4中；同时取底泥，测试底泥参数，见表5。
表3
Figure 277794DEST_PATH_IMAGE003
表4
Figure 563282DEST_PATH_IMAGE004
表5
Figure 972398DEST_PATH_IMAGE005
由表4和表5可以看出，经过本发明材料工艺制得的轻质底泥覆盖材料对底泥污染物释放有较好的抑制作用，水质较好，底泥污染物明显下降；而非本发明工艺制得的比较材处理效果均不如本发明的材料。。

Claims (8)

1.一种轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于，所述的方法包括下述步骤：
（1）按照预定比例将粘结剂、磁性吸附材料、发泡粒子和辅助添加材料充分混合；
（2）将步骤（1）的混合物中加入水，充分搅拌均匀，造粒，常温常压放置自然养护3-7天即成；
所述的步骤（1）具体为：
按照预定比例将无机粘结剂、有机粘结剂、磁性吸附材料、增强纤维、发泡粒子和催化材料充分混合；其中：无机粘结剂100重量份，有机粘结剂0.1~10重量份，吸附材料100~1000重量份，增强纤维0.1~10重量份、发泡粒子0.5~5重量份，催化材料0.1~10重量份、水150-1000重量份；制备出的覆盖材料造粒粒径5~50mm；
所述的磁性吸附材料制备方法如下：
（31）、吸附材料100份和超支化聚乙烯亚胺0.01~1份超声分散于200份水中；
（32）、将所得溶液在曝气量为10~20L/min下曝气，同时加热升温至80~100℃，以及以10~100份/min的速度滴加100份0.5~2M的亚铁盐溶液和100份0.5~2M碱液；
（33）、溶液滴加完毕后，在曝气量为11~20L/min，恒温81~100℃，搅拌反应1~5min；
（34）、对步骤（33）溶液中的吸附材料进行磁分离、水洗、干燥至恒重，制得磁性吸附材料。
2.如权利要求1所述的轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于，无机粘结剂是水泥和石膏，水泥与石膏的重量比为1:50~50:99。
3.如权利要求1所述的轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于，有机粘结剂是羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、田菁胶、木质素、沥青、聚氨酯、环氧树脂、醋酸乙烯酯中的一种或两种以上混合物。
4.如权利要求1所述的轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于，所述的吸附材料是活性炭、沸石、凹凸棒粘土、硅藻土、海泡石、蒙脱石，白云石中的一种或两种以上混合物。
5.如权利要求1所述的轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于，增强纤维是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、奥纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、维尼纶纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维中一种或两种以上混合物，长度为5~20mm。
6.如权利要求1所述的轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于，发泡粒子是发泡聚丙烯、发泡聚苯乙烯、发泡聚氨酯中一种或两种以上混合物，粒径是0.5~5mm。
7.如权利要求1所述的轻质底泥覆盖材料制备方法，其特征在于催化材料是纳米二氧化钛溶胶液或其悬浮液。
8.一种河道底泥修复方法，其特征在于，向河道中投放覆盖材料，形成1~10cm的覆盖层；所述覆盖材料为权利要求1~7任意一项所述的轻质底泥覆盖材料制备方法所制备的。
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