超聲波法制備污泥生物質水煤漿的研究

張艷敏，趙 凱

(隴東學院化學化工學院，甘肅慶陽745000)

超聲波法制備污泥生物質水煤漿的研究

張艷敏，趙 凱

(隴東學院化學化工學院，甘肅慶陽745000)

研究用超聲波技術制備生物質污泥水煤漿。采用干燥法、旋轉粘度計法、靜止析水法分別探討了污泥煤漿的最佳濃度、表觀粘度和靜態(tài)穩(wěn)定性。通過研究表明添加過污泥的水煤漿比沒有添加過污泥的水煤漿濃度會有所提高；又經(jīng)超聲波強化后污泥水煤漿的濃度會隨超聲波頻率的增加而升高、隨超聲時間的不同而改變。綜合分析得出污泥的添加量為18%，超聲時間為20min時污泥水煤漿濃度最佳。污泥水煤漿的表觀粘度在超聲波頻率相同時其總體趨勢隨時間的增加而降低。超聲條件為59kHz、20min時污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能最佳。

生物質污泥；水煤漿；超聲波

煤炭的利用和發(fā)展在人類文明史上起著無法估量的作用。當前，隨著人類對能源需求的不斷增長，一次性化石燃料的消耗日益增加，煤炭再次受到了應有的青睞，同時煤炭的過度利用也使其儲量快速消耗著。我國的能源現(xiàn)狀向來以煤炭為主，煤炭消費的主導地位并沒有改變，煤炭利用產生的污染問題也是日益嚴重[1]。

水煤漿技術是將固體煤燃料變成流態(tài)煤燃料的潔凈煤技術，使其具備了重油的液態(tài)燃燒的類似能力，這對于促進煤炭的高效和清潔利用具有非凡的現(xiàn)實意義，所以發(fā)展水煤漿技術不但可以取得良好的環(huán)境效益，還可以取得可觀的代油經(jīng)濟效益和節(jié)能效益[2]。生物質作為能源利用已經(jīng)有很多年的歷史，至今仍有許多人把生物質作為生活能源，但如今它已不再是簡單地燃燒，而是基于現(xiàn)代技術的高效利用將其轉變成能源。生物質水煤漿技術是將生物質利用技術與水煤漿技術結合起來的一種新型技術。該技術將含有生物質能的生物質與煤摻雜在一起制成生物質水煤漿，這樣既可以減少煤的用量，還利用了一定量的生態(tài)污泥，不但節(jié)約了資源，而且增加了污泥處理能力，有很好的節(jié)約和環(huán)保效益，這為我國煤炭資源利用方法和污泥處理方式提供了一個很好的范例[3]。本文取樣的污泥中包含植物樹葉、蟲卵、微生物，符合生物質的要求，實驗通過往水煤漿中添加不同質量的污泥來研究水煤漿性能，提出了一種具有工業(yè)前景的煤炭使用方法。

1 實驗部分

1.1 生物質污泥的制備

水溝周邊環(huán)山植被種類多，溝中含有大量的腐爛樹葉、樹枝、微生物遺體和蟲卵。因此，可用水溝內的污泥來模擬生態(tài)環(huán)境條件下的污泥，水溝周邊生態(tài)環(huán)境如圖1～4所示。

圖1 污泥取樣地點岸邊環(huán)境

圖2 污泥取樣地點平地環(huán)境

圖3 污泥取樣地點周邊山體環(huán)境

圖4 污泥取樣地點河溝縱向環(huán)境

取污泥時要注意將污泥的上層去掉，盡可能地取污泥層的中下部，因為大多數(shù)的微生物的分解集中在此部分，所以該段的污泥是最符合實驗要求的。將污泥取回后應將其平鋪在一個厚薄均勻的平木板上，將其放在10℃左右、日光充足的環(huán)境下，風干72小時，以去除其中的大量水分，達到符合實驗研究的生態(tài)污泥狀況(含水量大約在30%左右)[4]。污泥風干后如圖5所示。

圖5 風干后平鋪在平板上的污泥

1.2 實驗儀器設備

NDJ-8S旋轉粘度；JJ-1增力電動攪拌器；SK250LH超聲波清洗儀器；注射器；密封式化驗制樣粉碎機：鶴壁市豐泰儀器儀表有限公司制造，型號GJ-1。

1.3 原水煤漿和生物質污泥水煤漿的制備

水煤漿是由60%～70%的煤與39%～29%的水及少量的添加劑經(jīng)過磨碎和強力攪拌而成的兩相流漿體。根據(jù)流動介質的不同，實驗用生物質水煤漿由煤和污泥(60%)、蒸餾水(39%)、木質素磺酸鈉添加劑(1%)組成[5]。其中，用污泥質量占煤樣和污泥的總質量的百分比表示污泥量的多少，配比如表1～2所示。

表1 原水煤漿配比表

表2 生物質污泥水煤漿配比表

制備過程：將250ml的燒杯稱重去皮，把60g已干燥好的100目煤樣放入燒杯中，之后往其中添加39g蒸餾水，并用注射器抽取1g添加劑加入燒杯中。重復上述步驟分別制得6%、18%、30%的生物質污泥水煤漿，其中污泥的質量分別為3.6g、10.8g、18g，煤樣的質量則分別為56.4g、49.2g、42g,蒸餾水與添加劑的用量不變。將4種配比好的水煤漿用JJ-1增力電動攪拌器進行攪拌，待攪拌棒停止轉動時，取出攪拌好的水煤漿，盡量將攪拌棒上的煤漿回收到燒杯中以防止水煤漿的質量損失[6]。

1.4 原水煤漿和生物質污泥水煤漿的濃度性能測定

(1)稱取一定質量的原水煤漿和生物質水煤漿試樣置于超聲波清洗儀器中,在40KHz和59KHz頻率下，分別振蕩10min、20min、30min。然后在105℃下的干燥箱中干燥至質量恒定，干燥后的試樣質量占原試樣質量的質量分數(shù)應作為水煤漿濃度，用百分比表示。

(2)結果計算

式中 C—水煤漿濃度，%；

m1—試樣干燥后的質量，g；

m0—試樣干燥前的質量，g。

1.5 原水煤漿和生物質污泥水煤漿的表觀粘度性能測定

稱取一定質量的原水煤漿和生物質水煤漿試樣置于超聲波清洗儀器中，在40KHz和59KHz頻率下，分別振蕩10min、20min、30min。然后用NDJ-8S旋轉粘度計測定水煤漿的表觀粘度[7]。

1.6 原水煤漿和生物質污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能測定

水煤漿穩(wěn)定性的測定原理是將一定量均勻的水煤漿置于燒杯中，在規(guī)定條件下振蕩或靜置一定時間后，將容器垂直倒置一定時間，待水煤漿全部流出后，稱量燒杯中殘留物的質量。以水煤漿的殘留物占水煤漿試樣的質量百分比表示水煤漿的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性[8]。本實驗著重研究水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性。

2 結果與討論

2.1 濃度性能

將生物質污泥水煤漿濃度數(shù)據(jù)匯總，得到表3～5。

表3 非超聲波條件下生物質污泥水煤漿濃度數(shù)據(jù)表

表4 超聲條件下40kHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿濃度數(shù)據(jù)表

表5 超聲條件下59KHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿濃度數(shù)據(jù)表

由表3～5繪制濃度關系圖6～8。

圖6 非超聲波條件下不同質量分數(shù)的生物質污泥水煤漿濃度關系圖

圖7 超聲條件下40KHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿濃度關系圖

圖8 超聲條件下59KHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿濃度關系圖

根據(jù)圖6中的趨勢關系可以看出，將一定質量分數(shù)的生物質污泥添加到水煤漿中可以在一定程度上提高水煤漿的濃度；由圖7～8可以看出原水煤漿經(jīng)超聲波不同時間和不同頻率強化后，污泥質量分數(shù)在18%左右時水煤漿濃度性能最佳，是否添加污泥對濃度性能有著明顯影響；由表3～5可以看出超聲波處理頻率為59KHz、處理時間為20min時水煤漿的濃度性能更好。添加不同質量的污泥后，濃度有所提高是由于污泥在一定程度上可以起到類似黏結劑的作用，又經(jīng)超聲強化后，煤粉級配明顯向細的方向轉化，有利于分散劑與煤粉之間的填充，使單位面積內的各種水煤漿的質量也相應增大，促進了水煤漿濃度性能的改變[9]。

2.2 表觀黏度性能

將生物質污泥水煤漿的表觀粘度數(shù)據(jù)匯總，得到表6～8。

表6 非超聲條件下生物質污泥水煤漿表觀粘度數(shù)據(jù)表

表7 超聲條件下40KHz,不同振蕩時間生物質污泥水煤漿表觀粘度數(shù)據(jù)表

表8 超聲條件下59KHz,不同振蕩時間生物質污泥水煤漿表觀粘度數(shù)據(jù)表

由表6～8繪制表觀粘度關系圖9～11。

圖9 非超聲條件下不同質量分數(shù)的生物質污泥水煤漿表觀粘度關系圖

圖10 超聲條件下40KHz,不同振蕩時間生物質污泥水煤漿表觀粘度關系圖

圖11 超聲條件下59KHz,不同振蕩時間生物質污泥水煤漿表觀粘度關系圖

由圖9可知在未經(jīng)超聲波強化的條件下，添加生物質污泥后水煤漿粘度的上下浮動變化并不太明顯；又由圖10～11可以看出一旦經(jīng)超聲波強化，添加污泥的水煤漿表觀粘度比沒有添加污泥的水煤漿表觀粘度得到了明顯的提高，而添加污泥的水煤漿表觀黏度在超聲波頻率相同時隨著強化時間的增加有下降的趨勢；由表6～8得知在強化時間相同時，隨著超聲波頻率的增大水煤漿的表觀粘度也有增大的趨勢。在超聲波強化條件下，煤粉級配向著更細的方向轉化，而且煤粒之間的分布更加均勻，煤粒間形成類似絮狀小分子團的能力下降，使水煤漿各組分間能形成更穩(wěn)定的分布環(huán)境，故而導致了水煤漿的表觀粘度下降。

2.3 靜態(tài)穩(wěn)定性能

將生物質污泥水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)匯總，得到表9～11。

表9 非超聲條件下生物質污泥水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表

表10 超聲條件下40KHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表

由表9～11繪制靜態(tài)穩(wěn)定性關系圖12～14。

圖13 超聲條件下40KHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性關系圖

圖14 超聲條件下59KHz，不同振蕩時間生物質污泥水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性關系圖

由圖12得出在不經(jīng)任何處理的條件下，生物質污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性比不添加污泥的水煤漿靜態(tài)穩(wěn)定性好；由圖13～14可以看出超聲波頻率相同時，靜態(tài)穩(wěn)定性有著較大的起伏變化，超聲波強化頻率為40KHz時添加污泥的水煤漿比不添加污泥的水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性好些。隨著污泥添加質量的增加生物質污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能先升高后下降，在20min時靜態(tài)穩(wěn)定性能最好；超聲波強化頻率為59KHz時添加過污泥的水煤漿比不添加污泥的水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能總體差些，而污泥添加量為18%的生物質污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能曲線在20min時最好；由表9～11可知超聲波強化處理時間相同時，生物質污泥水煤漿的穩(wěn)定性能都有提高，而生物質水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能除個別無規(guī)律外，其余的都呈增加的趨勢。這是由于在添加污泥的水煤漿中污泥在攪拌與靜置的過程中會對水分進行吸附作用，使水煤漿中的水盡可能地不會與煤漿分離開來，保持水煤漿良好的穩(wěn)定狀態(tài)，從而促使了水煤漿的穩(wěn)定性能的提高，此外，生物質污泥可以阻止煤漿顆粒的沉淀，污泥中的微生物也可以維持煤漿的穩(wěn)定性，隨著靜置時間的延長，污泥煤漿的穩(wěn)定性開始變差，這是因為微生物的死亡導致了生物作用的減弱[9,10]。

3 結論

綜合分析得出污泥的添加量為18%、超聲時間為20min時污泥水煤漿濃度最佳。污泥水煤漿的表觀粘度在超聲波頻率相同時總體趨勢隨時間的增加而降低。超聲條件為59KHz、20min時污泥水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性能最佳。用超聲波技術制備生物質污泥水煤漿，可以使水煤漿的性能發(fā)生顯著變化，這種變化不但表現(xiàn)為表觀粘度大幅度降低，而且水煤漿的靜態(tài)穩(wěn)定性和濃度也得以顯著改善。

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【責任編輯 趙建萍】

Preparation of Biomass Coal Water Slurry through Ultrasonic Method

ZHANG Yan-min, ZHAO Kai

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

The preparation of biomass sludge coal water slurry by ultrasonic technology is stuided. The optimal sludge coal slurry concentration, apparent viscosity and static stability is discussed through dry method, rotating viscometer method and static analysis water respectively. The study shows that the addition of water coal slurry sludge than without added water coal slurry concentration of sewage sludge will be increased. After ultrasonic enhanced the sludge concentration of coal water slurry will be increased with the increase of ultrasonic frequency, ultrasonic time and change. Comprehensive analysis shows that the sludge content is 18%, and the concentration of sludge slurry is best when the ultrasonic time is 20min. The apparent viscosity of sludge coal water slurry is decreased with the increase of the time and the overall trend of the ultrasonic frequency. The best static stability of coal water slurry is 59KHz and 20min.

biomass sludge; coal water slurry; ultrasonic wave

1674-1730(2017)01-0086-05

2016-05-08

張艷敏(1985—)，女，河北廊坊人，講師，碩士，主要從事煤化工方向研究。

TQ53

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