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第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY absorbent resin; flocculation; solid-liquid separation; solidification 近年来，在高层建筑基础施工、铁路和公路桥 基工程和地下空间工程等方面广泛应用钻孔灌注 桩、 地下连续墙等技术[1–3]， 产生了大量的废弃泥浆。 这些泥浆含有大量的岩屑、 黏土矿物和其他物质，含 水率很高，不具有承载力且不能直接排放， 长期堆放 占用大量空间， 而城市施工现场往往空间狭窄而难于 满足，因此，成为困扰工程施工的重大难题[4–11]。废 弃泥浆具有很高的流动性，大多通过罐装车运输到 其他地方进行自然分离降解，然而在运输过程中会 有泥浆漏洒，对自然生态和城市环境都产生二次污 染[12–13]。如何便捷有效地处理施工中产生的废弃泥 浆，成为了施工现场急需解决的问题。 吸水树脂是具有较高吸水性能和保水性的高分 子聚合物的总称。它能够吸收自身质量几百倍至千 倍的水分，且无毒、无害、无污染，对人体无刺激 性，因此吸水性树脂在许多领域中均有应用[14–16]。 吸水树脂中含有强亲水性基团，这些基团也是极性 基团，所以吸水树脂可以用来吸附水分子的同时也 可以用来充当絮凝剂。吸水树脂的不同性能可以在 处理废弃泥浆上得到应用，本文通过室内试验，用 吸水树脂对废弃泥浆进行处理，实现快速固液分离 和固化，便于废弃泥浆的转运和堆放。 ChaoXing 208 煤田地质与勘探 第 47 卷 1 试验准备 1.1 试验材料 废弃泥浆取自重庆园博园某项目的施工现场， 外观为红褐色，基本参数[17]见表 1。 试验所用吸水树脂是由玉米秸秆与丙烯酸、一 种不饱和酰胺和一种磺酸盐等通过水溶液接枝共聚 制成的，外观为浅黄色颗粒状的固体，不溶于水也 不溶于有机溶剂，理论吸水去离子水倍率为 450 g/g，吸盐倍率达到 35 g/g。 聚合氯化铝Poly Aluminium Chloride, PAC， 高纯 级；阳离子型聚丙烯酰胺Cationic Polyacrylamides, CPAM， 阴离子型聚丙烯酰胺Anionic Polyacrylamides, APAM，分子量均为 1 200 万。 表 1 泥浆基本参数 Table 1 basic parameters of mud 密度/gmL–1 含水率/ 黏度/s pH 含砂率/ 失水量/mL30min–1 胶体率/ 1.385 86.1 20.6 8.6 21.2 52.5 78 1.2 试验仪器 烧杯500 mL、量筒100 mL、250 mL、玻璃 棒、定性滤纸、液体密度仪、漏斗黏度仪、泥浆含 砂量计、泥浆失水率测定仪、pH 测定仪、Φ36 mm Φ60 mm60 mm 的截锥圆模等。 1.3 试验设计 通过室内试验，确认吸水树脂用于废弃泥浆处 理的可行性，探究吸水树脂用于处理废弃泥浆时发 挥的絮凝效果和固化效果。 ①絮凝试验 先对比吸水树脂与阴离子型聚丙 烯 酰 胺阴 离 子APAM、阳 离 子型 聚丙 烯酰 胺 CPAM、聚合氯化铝PAC的絮凝效果，然后通过 进一步试验探究吸水树脂的最佳质量浓度。 ②固化试验 首先测试吸水树脂在废弃泥浆中 的吸水倍率，然后以质量浓度为变量探究加入废弃 泥浆中吸水树脂的质量浓度与废弃泥浆含水率和流 动性的关系， 最后根据试验数据给出质量浓度参考。 2 絮凝试验 2.1 吸水树脂的絮凝机理 ①吸附作用 吸水树脂分子上具有极性基团 酰胺基、羧基和磺酸基等，易于借其氢键的作用在 泥沙颗粒表面进行吸附[18]。②架桥作用 因其有很 长的分子链，大数量级的长链在水中有巨大的吸附 表面积，能利用长链在颗粒之间架桥，形成大颗粒 的絮凝体，加速沉降[19]。③增稠作用 粘接分散的 泥沙颗粒，加快聚沉。 2.2 絮凝效果对比试验 室温20℃条件下，取 5 个 500 mL 烧杯，每个 烧杯中加入 300 mL 废弃泥浆，然后在烧杯中分别 加入质量浓度为 1.0 g/L 的吸水树脂、 聚丙烯酰胺阴 离子型APAM、聚丙烯酰胺阳离子型CPAM和聚 合氯化铝PAC 保留一个烧杯不加任何试剂作为空 白组对照，匀速搅拌 5 min。烧杯上口用锡纸封闭， 减少水分蒸发引起的试验误差。 将试验装置静置 24 h， 每隔 1 h 记录一次固液分离线上层液体的体积读数， 并绘制图 1。 图 1 絮凝效果对比试验 Fig.1 Comparison experiment of flocculation effect 观察图 1 中曲线可知，对所选废弃泥浆的絮凝 效果，吸水树脂要明显大于其他几种絮凝剂。在加 入吸水树脂之后的 03 h，絮凝效果明显，固液分离 的速度很快； 5 h 时固液分离线上层的液体体积读数 已经达到 111 mL，相当于空白组泥浆自然沉降 23 h 的固液分离效果。说明吸水树脂具有较好的絮凝效 果，可以大幅度加快废弃泥浆的固液分离。 2.3 质量浓度对絮凝效果的影响 取 10 个 500 mL 烧杯， 每个烧杯中加入 300 mL 泥浆，并在其中 9 个烧杯中分别加入质量浓度为 0.1 g/L、0.3 g/L、0.5 g/L、0.7 g/L、1.0 g/L、1.3 g/L、 1.5 g/L、 1.7 g/L、 2.0 g/L 的吸水树脂， 匀速搅拌 5 min； 另外一个烧杯不加入任何试剂作为空白对照组。烧 杯上口用锡纸封闭， 减少水分蒸发引起的试验误差。 将试验装置静置 24 h，每隔 1 h 记录一次固液分离 线上层液体的体积读数图 2。 ChaoXing 第 6 期 韦猛等 吸水树脂用于废弃泥浆处理的试验研究 209 图 2 质量浓度对絮凝效果的影响 Fig.2 Effect of mass concentration on flocculation effect 从图2可知， 质量浓度为0.5 g/L、 0.7 g/L和1.0 g/L 的絮凝效果相差不大， 质量浓度低于 0.5 g/L 和高于 1.0 g/L 的絮凝效果均小于前 3 种质量浓度。质量浓 度低于 0.5 g/L 时，前期固液分离的速度降低，絮凝 效果较差；质量浓度高于 1.0 g/L 时，前期固液分 离的速度降低的幅度不大，但后期沉降效果变差。 所以通过试验得到的最佳质量浓度 0.5 1.0 g/L。 3 固化试验 3.1 吸水树脂的吸水机理 高吸水性树脂又称为超强吸水剂，是一种含有 强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子 聚合物。该材料分子中含有大量的酰胺基、羧基和 磺酸基等强亲水性基团，因而具有高分子电解质的 分子扩张性能; 同时，由于微交联三维网络结构阻 碍了分子的进一步扩张，使得分子在水中只溶胀、 不溶解，具有特殊的吸水和保水能力[20-21]。 3.2 吸水树脂在泥浆中的吸水倍率测定 向 500 mL 的烧杯中加入 300 mL 废弃泥浆；然 后取 1.0 g 吸水树脂， 用定性滤纸包裹并用回形针固 定，放入烧杯；在室温条件下充分吸水后将包裹着 的树脂取出，按式1计算树脂的吸水倍率[22] 吸水倍率 21 0 WW W  1 式中 W2为加入泥浆的质量，g；W1为剩余泥浆的 质量，g；W0为吸水树脂的质量，g。测得吸水树脂 在泥浆中的吸水倍率为 46.33 g/g。 3.3 质量浓度对泥浆含水率的影响 吸水树脂吸附的水在烘干过程中会被释放，所 以常规的烘干法测不出加入泥浆中吸水树脂的质量 浓度变化对泥浆含水率的影响，所以下文测定吸水 倍率时采用滤纸包裹吸水树脂的方法进行试验。 取 7 个 500 mL 烧杯，每个烧杯中加入 300 mL 泥浆，并在其中 6 个烧杯中分别加入装有质量浓度 为 2.5 g/L、5.0 g/L、7.5 g/L、10.0 g/L、12.5 g/L、 15.0 g/L 吸水树脂的滤纸包每包中树脂的质量不超 过 1.0 g，超量的部分再进行包装； 另外一个烧杯不 加入任何试剂作为空白对照组。烧杯上口用锡纸封 闭，减少水分蒸发引起的试验误差。试验装置静置 1 h 后取出滤纸包， 再用烘干法测得不同质量浓度下 废弃泥浆的含水率图 3。 图 3 质量浓度对泥浆含水率的影响 Fig.3 Effect of mass concentration on mud moisture content 由图 3 可知，随着加入泥浆中吸水树脂的质量 浓度的增大，泥浆的含水率不断减小。当泥浆的含 水率下降到 20 左右时，随着质量浓度的增大，含 水率下降速度减少。这是由于吸水树脂是以包裹的 形式放入泥浆中，当泥浆中水变少后，水与泥浆的 接触面积有限，影响了吸水效果。 3.4 质量浓度对泥浆流动性的影响 废弃泥浆的处理过程中， 其流动性决定着转运的 难易程度，塌落度可以比较好地反应泥浆的流动性， 本文将以塌落度作为评价废弃泥浆流动性的标准。 取 11 个 500 mL 烧杯， 每个烧杯中加入 300 mL 泥浆，在其中 10 个烧杯分别加入质量浓度为 2.5 g/L、 5.0 g/L、 7.5 g/L、 10.0 g/L、 12.5 g/L、 15.0 g/L、 17.5 g/L、 20.0 g/L、22.5 g/L、25.0 g/L 的吸水树脂另外一个烧 杯不加任何试剂作为空白组对照， 匀速搅拌 5 min。 烧杯上口用锡纸封闭，将试验装置静置 1 h 后观察 各烧杯废弃泥浆的状态并倒入截锥圆模中测试其塌 落度，结果见表 2、图 4 和图 5。 由图 5 可知，随着质量浓度的增大，泥浆的塌 落度数值不断减小，说明泥浆的流动性不断减小。 这是因为泥浆中的水分被吸水树脂以凝胶的形式固 定起来，且由于材料具有增稠性，含水率降低后的 黏土矿物被粘接在一起， 大大降低了泥浆的流动性。 当加入泥浆中吸水树脂的质量浓度在 24.0 g/L 左右 时，泥浆基本丧失流动性。 ChaoXing 210 煤田地质与勘探 第 47 卷 表 2 不同质量浓度下吸水树脂废弃泥浆的状态 Table 2 The state of waste mud with different mass con- centration of absorbent resin 质量浓度/ gL–1 废弃泥浆状态 05.0 随着加入泥浆中吸水树脂的质量浓度的增大， 泥 浆的稠度增加，无明显的塑性体出现 5.012.5 固化后，成为塑性体的泥浆堆积在底层，未被固 化的泥浆在上层，倾斜烧杯时有明显的区分 12.520.0 烧杯内的泥浆基本成为塑性体， 倾斜烧杯时仅有 少量流动性较好的泥浆 20.0 烧杯内的泥浆完全成为塑性体， 倾斜烧杯时无可 流动的泥浆 图 4 不同质量浓度下的泥浆状态示意图 Fig.4 Mud state diagram at different mass concentrations 图 5 质量浓度对塌落度的影响 Fig.5 Effect of mass concentration on collapse degree 3.5 固化时间测试试验 取一个 500 mL 烧杯，在烧杯中加入 300 mL 泥 浆， 然后加入 20.0 g/L 的吸水树脂， 匀速搅拌 5 min。 烧杯上口用锡纸封闭，减少水分蒸发引起的试验误 差。搅拌完毕后测泥浆的塌落度，之后每隔 10 min 测一次塌落度，记录数据并绘制图 6。 从图 6 可知，加入材料搅拌之后前 20 min 塌落 度下降较快，30 min 时塌落度降到了 10 mm，之后 图 6 塌落度–时间关系图 Fig.6 Collapse degree-time diagram 的 30 min 内塌落度基本没有变化。吸水树脂具有较 好的吸水性和吸水速率，在处理高含水率的废弃泥 浆时可以达到较好的效果和较快的速度，30 min 即 可完成对所选泥浆的固化。 4 结 论 a. 吸水树脂含有酰胺基、羧基和磺酸基等强亲 水性基团，使其具有良好的吸水效果。同时它们也 是极性较高的基团，所以添加少量吸水树脂到废弃 泥浆中，可以产生较好的絮凝作用，实现泥浆快速 的固液分离。 b. 吸水树脂在试验所选泥浆中的吸水倍率为 46.33 g/g。随着质量浓度的增大，泥浆的含水率和 流动性具有明显的下降趋势，说明吸水树脂对废弃 泥浆具有较好的固化效果。 c. 吸水树脂可以在短时间30 min内快速固化 废弃泥浆， 使其从流动态变为塑态， 便于转运和堆放。 参考文献 [1] 陈礼仪，胥建华. 岩土工程施工技术[M]. 成都四川大学出 版社，2008146. 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