專利名稱：泥沙聚沉劑及泥沙聚沉分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能將河海湖泊泥沙工程領(lǐng)域中高濃度懸濁微細(xì)泥沙顆粒迅速聚集沉降分離的泥沙聚沉劑及泥沙聚沉分離方法。
背景技術(shù)：
我國眾多的入海河流形成的淤泥質(zhì)海岸是我國大陸海岸的重要組成部分，長約4000多公里，約占我國大陸海岸的22％。這使得在國家沿海的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，不可避免地要處理那些淤泥質(zhì)海泥，如圍海造陸、海工大橋、海港建設(shè)等。其中，處理高濃度泥沙的問題往往是影響工程投資、工程進(jìn)度、工程質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)的瓶頸之一。
我國的河流湖泊星羅棋布，大量的淤沙、淤泥給水利系統(tǒng)、海陸交通和城市環(huán)境凈化系統(tǒng)帶來巨大的影響。
具體說來，在現(xiàn)今的水利工程、航道工程、海洋工程、海濱泥沙工程特別是圍海造陸工程和河流湖泊清淤整治工程中，水與懸浮泥沙在極短的時間內(nèi)快速分離是十分困難的，這往往會產(chǎn)生泥沙利用不徹底、水沙(泥)環(huán)境不達(dá)標(biāo)，有效資源不能充分利用的現(xiàn)象在施工操作過程，混于水中的大量懸浮的泥沙不能聚凝沉降，重新返回水體，同時還對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。為此，國家近期已經(jīng)明文規(guī)定了在河流湖泊及近海施工中混濁水的排放標(biāo)準(zhǔn)，用以保護(hù)水體的生態(tài)環(huán)境。施工單位為了遵守國家規(guī)定，提高泥沙利用率，往往采用等待其自然沉降的辦法，以達(dá)到國家規(guī)定的混濁水排放標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行排放。這不僅延誤了施工工期，同時給工程的人力及機(jī)械的有效利用造成了巨大的浪費(fèi)。在我國目前正在施工的渤海海域中的兩大深港工程、上海浙江的造陸工程、粵閩地區(qū)的深港工程、黃河長江珠江海河以及內(nèi)陸湖泊的疏浚整治工程中，高濃度泥沙水的排放問題給工程的投資和工期帶來巨大的困擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種泥沙聚沉劑和泥沙聚沉分離方法，使泥沙工程中出現(xiàn)的大量懸浮的泥沙能夠迅速聚集沉降，水與泥沙絮凝體自動分離或者通過機(jī)械加速分離，以達(dá)到提高泥沙利用率、節(jié)省工程投資、縮短工期，同時保護(hù)水體的自然生態(tài)環(huán)境。
為此，本發(fā)明的著眼點(diǎn)在于1、泥沙聚沉劑及其生成方法。本發(fā)明的泥沙聚沉劑用于聚集懸浮泥沙，增大絮凝體的顆粒粒徑和密度，提高泥沙絮凝體的沉降速度；泥沙聚沉劑由高分子聚合物組分組成。
一種泥沙聚沉劑該聚沉劑的主要組分按所聚沉的泥沙重量比計算，也就是按泥沙聚沉劑的組分重量占泥沙重量的百分比計算聚硅酸鐵0.025-0.100％；聚丙烯酰胺0.025-0.100％；Na2CO30.025-0.100％。
一種泥沙聚沉劑各組分的制作方法(1)配制濃度為0.5％聚硅酸鐵備用液。取一定量的水玻璃溶液用自來水稀釋，用稀硫酸調(diào)pH值4.0，用60r/min的轉(zhuǎn)速攪勻并陳化5h使硅酸聚合，然后加入一定量的硫酸鐵并稍加熱，再加水稀釋使聚硅酸鐵的濃度為0.5％。陳化10h即可得聚硅酸鐵備用液。用此法制得的聚硅酸鐵備用液的穩(wěn)定性在15天以上；(2)將聚丙烯酰胺固體配制成0.5％備用液，0.5％的備用液儲存期為七天，若配制成0.05％的備用液儲存期為三天。配制溶液時要注意如下事項溶解溫度聚丙烯酰胺易溶于水，適宜的溶解溫度更能發(fā)揮其作用。作為專門用于泥沙工程的泥沙聚沉劑，主體原料組分的聚丙烯酰胺的溶解的溫度以20～40℃為宜；攪拌條件聚丙烯酰胺的溶解應(yīng)避免過強(qiáng)的剪切力攪拌，過強(qiáng)的攪拌會使分子鏈斷裂，從而降低使用效果。攪拌宜采用低速漿葉，如錨式、框式、多層漿式等，攪拌速度控制為60r/min左右；(3)將工業(yè)純碳酸鈉固體配制成濃度為1％的溶液。
2、一種泥沙聚沉分離方法。本發(fā)明的水與泥沙絮凝體快速分離方法，是指在聚沉劑聚合泥沙絮團(tuán)的狀態(tài)下，通過水與泥沙絮凝體液固兩相的組成特性、紊動特性、泥沙絮凝體沉降特性和水沙輸移規(guī)律使得水與泥沙絮凝體分離。主要內(nèi)容包括各異環(huán)境條件下聚沙比也就是聚沉劑與泥沙配比、水流紊動動能作用下聚沉劑摻混、無規(guī)則周界工程環(huán)境中的泥沙聚沉等。具體操作按以下步驟進(jìn)行(1)配制濃度為0.5％聚硅酸鐵備用液、濃度為1％碳酸鈉備用液、濃度為0.5％聚丙烯酰胺備用液；(2)在處理的泥沙中依次按聚硅酸鐵溶液、碳酸鈉溶液、聚丙烯酰胺溶液的順序加料，其中聚硅酸鐵、碳酸鈉、聚丙烯酰胺各加入量為處理的泥沙重量的百分比為聚硅酸鐵0.025-0.100％，聚丙烯酰胺0.025～0.100％，Na2CO30.025-0.100％，加入聚硅酸鐵溶液與碳酸鈉溶液的加料時間間隔為30秒，加入碳酸鈉溶液與聚丙烯酰胺的加料時間間隔為15秒；(3)對處理的泥沙進(jìn)行攪拌產(chǎn)生紊動，在水流紊動作用下混合0.5min后水與泥沙絮凝體就會分離。
可以看出，本發(fā)明的泥沙聚沉分離技術(shù)由泥沙聚沉劑及其生成方法和水與泥沙絮凝體分離方法兩大部分組成。本發(fā)明有別于一般意義上的處理低濁度的生活污水、洗煤廢水、含油廢水、造紙廢水等的絮凝技術(shù)，本發(fā)明要處理的是聚沉含膠質(zhì)泥在內(nèi)的寬粒配、且濃度高達(dá)300g/L的泥沙混合水，其濁度比上述廢水高出10000倍，上述廢水的濁度一般為30～200mg/L。因此，使用處理上述低濁度的生活污水、洗煤廢水、含油廢水、造紙廢水等的絮凝技術(shù)是不能解決現(xiàn)今的圍海造陸工程和河流湖泊清淤整治工程中泥沙資源不能充分利用的問題的。在本發(fā)明的泥沙聚沉分離技術(shù)中，由于利用水流紊動能量來實(shí)現(xiàn)聚沉劑與水沙的高濃度、大尺度摻混，一般情況下無需外加機(jī)械能，使在相關(guān)的各類工程的應(yīng)用中收到經(jīng)濟(jì)、便捷的聚沉效果；再者，因泥沙聚沉體密度大，沉降快，靜水環(huán)境下可在十秒中內(nèi)達(dá)到水與泥沙絮凝體分離界面清晰，上部清水可迅速地自然析出和排放，不需要過濾分離的工藝與設(shè)備，為海洋工程、海濱工程、圍海造填、吹填造地工程、航道疏峻工程、湖泊清淤工程和引黃淤背工程等的使用提供便利。這是上述一般意義上的絮凝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的泥沙聚沉分離技術(shù)正是針對這些泥沙工程領(lǐng)域中的難題進(jìn)行研究后產(chǎn)生的。
針對泥沙工程特性，本發(fā)明中的聚沉劑及其生成方法特別突出其聚合絮凝性、減阻性、結(jié)合性、助沉性。為此，聚沉劑構(gòu)成所使用的聚沉材料組分大部分選定分子量大的絮凝材料。其中主要成分有聚硅酸鐵鹽和聚丙烯酰胺。
聚硅酸鐵鹽是一類新型無機(jī)高分子混凝劑，聚硅酸鐵鹽混凝劑的分子量高達(dá)105～106，是在活化硅酸即聚硅酸及鐵鹽混凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的聚硅酸與鐵鹽復(fù)合的產(chǎn)物。本來，聚硅酸屬陰離子型絮凝劑，其作用機(jī)理是靠分子鏈上的陰離子活性基團(tuán)與泥沙膠體微粒表面間的范得華力、氫鍵作用而引起的吸附架橋作用，由于鐵鹽的復(fù)合，使其同時具有電中和作用及吸附架橋作用。一般而言，帶有負(fù)電荷的聚硅酸具有較高的分子量，對水體中的泥沙膠粒具有很強(qiáng)的吸附架橋能力；而鐵鹽在水溶液中水解可形成一系列帶有正電荷的水解羥基鐵離子，具有較強(qiáng)的電中和能力。若二者復(fù)合，即成為同時具有電中和作用及吸附架橋能力的高效無機(jī)高分子混凝劑，從而取得良好的聚沉泥沙的效果，更適于架橋作用或卷掃絮凝。
聚丙烯酰胺是應(yīng)用最多的人工合成絮凝劑，分子量一般為1.5×106～6×106，其分子鏈很長，長度為100A°左右。聚丙烯酰胺是一種化學(xué)性質(zhì)比較活潑的高分子化合物。由于分子側(cè)鏈上酰氨基的活性，使聚合物獲得了許多寶貴的性能。它的酰胺基(-CONH2)可與許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵，這就使它能在吸附的泥沙粒子之間架橋，甚至能使數(shù)十個粒子連接在一起，生成絮團(tuán)，增大泥沙顆粒粒徑，加速粒子下沉，這使它成為最為理想的聚沉材料之一。聚丙烯酰胺的聚沉作用原理是(1)聚丙烯酰胺具有極性基團(tuán)——酰胺基(-CONH2)，易于借其氫健的作用在泥沙顆粒表面吸附；(2)聚丙烯酰胺有很長的分子鏈，大數(shù)量級的長鏈在水中有巨大的吸附表面積，故絮凝泥沙作用好，能利用長鏈在泥沙顆粒之間架橋，形成大顆粒的懸浮泥沙絮凝體，加速沉降。(3)借助于聚丙烯酰胺的絮凝與助凝作用，在懸浮泥沙處理混凝過程中可發(fā)生雙電離壓縮，破壞懸浮泥沙顆粒的穩(wěn)定性，在分子引力作用下使懸浮泥沙顆粒結(jié)合起來，分散相被聚合；(4)高分子的聚丙烯酰胺和水中的懸浮泥沙，可發(fā)生離子之間的絡(luò)合反應(yīng)；(5)由于分子鏈固定在不同泥沙顆粒的表面上，各個固相顆粒之間形成聚合橋。
泥沙聚沉劑選用上述高分子聚合材料通過機(jī)械物理均混合成。由上述兩種高分子聚合材料作為主要原材料合成的泥沙聚沉劑具有一般絮凝劑所不能比擬的優(yōu)良特性聚合、減阻、助重，特別適宜江河湖泊、海洋海濱、航道碼頭、吹填造陸等寬粒配、微細(xì)顆粒高濃度的泥沙工程。
由上可以看出本發(fā)明的泥沙聚沉分離技術(shù)的聚沉方法原理是(1)吸附架橋泥沙聚沉劑的組分分子鏈固定在懸浮泥沙顆粒表面上，使各顆粒之間形成聚合物的橋，使絕大部分泥沙顆粒形成橋連體；(2)網(wǎng)捕卷掃作用泥沙聚沉劑組分的分子鏈與被聚沉泥沙的分散相通過各種物理化學(xué)等作用，將分散相牽引在一起，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而起網(wǎng)捕卷掃作用，使泥質(zhì)、水質(zhì)相界面清晰；(3)表面吸附泥沙聚沉劑組分分子對被聚沉泥沙表面的極性基團(tuán)顆粒施加各種吸附力，使微細(xì)泥沙顆粒形成聚集體；(4)泥沙聚沉劑改變被聚沉泥沙及其它被聚沉物的表面性質(zhì)，特別是改變其動電位、粘度等，能迅速降低其動電位和粘度而聚沉；(5)泥沙聚沉劑在聚沉懸浮泥沙顆粒的同時，增大形成的聚集體的密度，使形成的聚集體沉降迅速。
本發(fā)明的泥沙聚沉分離技術(shù)中的水與泥沙絮凝體分離的原理是(1)泥沙絮凝聚合水沙/泥兩相體在聚沉劑的作用下，泥沙顆粒通過水流紊動作用，能連續(xù)不斷地隨機(jī)改變空間位置，增加泥沙顆粒的接觸機(jī)率，經(jīng)聚沉劑的作用而形成泥沙聚合體；(2)水流內(nèi)部減阻聚沉劑溶解于水沙/泥兩相體中，其物理化學(xué)作用可使得水體內(nèi)部減阻高達(dá)50％以上，極大減弱水與泥沙的黏滯力，營造低阻力空間環(huán)境；(3)水與泥沙絮凝體重力差聚沉劑作用于水中的高濃度泥沙時，一方面，聚沉劑的水化反應(yīng)改變了泥沙顆粒表面結(jié)合水膜的各種理化性能，增加了泥沙絮凝體的密度；另一方面，聚沉劑可以聚合數(shù)量眾多的泥沙顆粒生成泥沙絮凝體單體，從而增大了泥沙絮凝體單體的重量，進(jìn)而使水相與固相產(chǎn)生了極大的重力差，易于水與泥沙絮凝體的分離；(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體與水的分離，如使用離心機(jī)機(jī)械能、水庫勢能、河流彎道水流做功等。
通過物理合成的泥沙聚沉劑的原材料取自于環(huán)保型高分子聚合物，本身無毒，經(jīng)泥沙聚沉劑處理過的水符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。表1.是天津港高濃度淤泥泥沙(含泥沙量達(dá)30％，即300g/L)經(jīng)泥沙聚沉分離技術(shù)處理后，取其表面清水進(jìn)行化驗檢測的結(jié)果。該結(jié)果表明，經(jīng)泥沙聚沉分離技術(shù)處理后的水質(zhì)滿足國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。


圖1為泥沙聚沉分離方法連續(xù)施工作業(yè)原理圖。
具體實(shí)施例方式
一種泥沙聚沉劑實(shí)施例1～3所用原料及投加配比如表2.所示，聚沉劑的組分按所聚沉的泥沙重量比計，也就是按泥沙聚沉劑的組分重量占處理泥沙重量的百分比計。
表2泥沙聚沉劑所用原料及配比 單位％

一種泥沙聚沉劑的制作方法(1)按表2.的配方和配比取用原料，分別制成濃度為0.5％聚硅酸鐵備用液、濃度為0.5％聚丙烯酰胺溶液、濃度為1％的碳酸鈉溶液；實(shí)施時，使用均混精度高達(dá)20萬倍的均勻混合器加水稀釋混勻；(2)在處理的泥沙中依次按聚硅酸鐵溶液、碳酸鈉溶液、聚丙烯酰胺溶液的順序加料，其中聚硅酸鐵、碳酸鈉、聚丙烯酰胺各加入量為處理的泥沙重量的百分比為表2.中的量，加入聚硅酸鐵溶液與碳酸鈉溶液的加料時間間隔為30秒，加入碳酸鈉溶液與聚丙烯酰胺的加料時間間隔為15秒；(3)對處理的泥沙進(jìn)行攪拌產(chǎn)生紊動，在水流紊動作用下混合0.5min后水與泥沙絮凝體就會分離。
表3.是按表2.所示的實(shí)施例1～3所用原料及投加配比對取自各地的高濃度泥沙樣品的處理結(jié)果。
表1天津港高濃度淤泥沙(30％，即300g/L)經(jīng)泥沙聚沉劑處理后表面清水的檢測報告報告編號WJZ20061006 報告日期2006年9月16日

表3泥沙聚沉分離技術(shù)對取自各地的高濃度泥沙樣品的處理結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種泥沙聚沉劑該聚沉劑的主要組分按所聚沉的泥沙重量比計，也就是按泥沙聚沉劑的組分重量占處理泥沙重量的百分比計為聚硅酸鐵0.025-0.100％；聚丙烯酰胺0.025-0.100％；Na2CO30.025-0.100％。
2.一種泥沙聚沉分離方法，按以下步驟進(jìn)行(1)按聚沉劑的配比取聚沉劑的各組分，并配制成濃度為0.5％聚硅酸鐵備用液、濃度為1％碳酸鈉備用液、濃度為0.5％聚丙烯酰胺備用液；(2)在處理的泥沙中依次按聚硅酸鐵溶液、碳酸鈉溶液、聚丙烯酰胺溶液的順序加料，其中聚硅酸鐵、碳酸鈉、聚丙烯酰胺各加入量為處理的泥沙重量的百分比為聚硅酸鐵0.025-0.100％，聚丙烯酰胺0.025-0.100％，Na2CO30.025-0.100％；(3)對處理的泥沙進(jìn)行攪拌產(chǎn)生紊動，在水流紊動作用下混合0.5min后水與泥沙絮凝體就會分離。
3.根據(jù)要求2所述的泥沙聚沉分離方法，其特征在于加入聚硅酸鐵溶液與碳酸鈉溶液的加料時間間隔為30秒，加入碳酸鈉溶液與聚丙烯酰胺的加料時間間隔為15秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種泥沙聚沉劑該聚沉劑的主要組分按所聚沉的泥沙重量比計聚硅酸鐵0.025－0.100％，聚丙烯酰胺0.025－0.100％，Na
文檔編號B01D21/01GK101016181SQ20061016651
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者楊國錄, 童忠堯, 季光明, 陳士強(qiáng), 周創(chuàng)兵 申請人:武漢路德科技有限責(zé)任公司