污泥-水葫芦共热解生物碳混凝土制备及性能研究

作     者：刘思梦 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：利锋;马名扬

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：污泥 水葫芦 污泥-水葫芦生物碳 生物碳混凝土 重金属 

摘      要：随着我国污水处理率的上升,产生的污泥量不断增长,其中工业废水处理产生的污泥,因含有大量重金属等毒害物质危害更大,且不少属于危险废物。水葫芦肆虐也是当前面临的严重生态问题。另外,中国是水泥产量和使用量最大的国家,水泥生产释放大量二氧化碳加速了温室效应。为了同时解决上述三个问题,将污泥与水葫芦共热解制成污泥-水葫芦生物碳,并将其添加到混凝土中,制备出性能良好的污泥-水葫芦生物碳混凝土。污泥中的重金属被有效固定在混凝土内部,消除了环境隐患。鉴于生物碳良好的碳汇效果,其部分替代水泥有助于缓解混凝土生产中带来的温室效应。首先,利用工业污泥和水葫芦共热解制备污泥-水葫芦生物碳,并进行各种表征测试:理化性质、元素组成、基团种类、物相组成和表面形貌。研究了热解温度、水葫芦添加比例和热解时间对污泥-水葫芦生物碳性质的影响。主要结果如下:热解温度、水葫芦添加比例和热解时间对污泥-水葫芦的理化性质有显著影响。提高热解温度、延长热解时间降低了生物碳的产率和挥发分含量,但提高了生物碳芳香程度、结晶度、p H值、灰分和固定碳的含量;提高水葫芦添加比例降低了生物碳产率和灰分含量,但能提高碳含量、芳香化程度、p H值、固定碳和挥发分含量;热解温度升高、水葫芦添加比例在60%以内增大,污泥-水葫芦生物碳的孔隙结构形态逐渐丰富。接着,将污泥-水葫芦生物碳替换不同质量比例的水泥,添加到混凝土中制备出生物碳混凝土。通过基团种类、物相组成和表面形貌的表征测试,抗压强度、劈裂抗拉强度、吸水率和孔隙率试验测试,探讨了热解温度和水葫芦添加比例及生物碳添加比例对混凝土的结构表征和基本性能的影响。主要结果如下:污泥-水葫芦生物碳混凝土整体性能良好且满足实际工程需要,较空白和粉煤灰对照组性能得到不同程度改善。基于试验分析,热解温度550℃、水葫芦添加比例50%的生物碳添加5%时,生物碳混凝土整体性能良好,较对照组改善程度较高,其抗压强度为44.52 MPa,劈裂抗拉强度为4.91 MPa,吸水率为4.31%,孔隙率为6.80%。为了考察污泥-水葫芦生物碳混凝土的环境友好性,对重金属在各个阶段的迁移转化进行了深入分析。通过对生物碳混凝土中重金属浓度、化学形态和浸出毒性的测试分析,探究了生物碳混凝土重金属固化作用,通过定量的评估方法评价了其潜在生态风险。主要结果如下:添加热解温度高、水葫芦添加比例大的污泥-水葫芦生物碳,更有助于混凝土重金属固化。生物碳混凝土中重金属浓度均低于《农用污泥污染物控制标准》（GB4284-2018）中规定限值;重金属浸出量均低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB5085.3-2007）中规定限值;重金属绝大部分存在于残渣态中,稳定性高于生物碳和污泥,固化效果良好;潜在风险指数RI可由436.14（污泥）降至1.44（生物碳混凝土）。综上所述,污泥与水葫芦共热解可得到性能良好的污泥-水葫芦生物碳;将其添加进混凝土中制备得到的污泥-水葫芦共热解生物碳混凝土,与素混凝土和粉煤灰混凝土比较,基本性能得到了不同程度的改善;污泥中重金属被有效固定在生物碳混凝土中,消除了潜在生态风险。因此,污泥-水葫芦共热解生物碳混凝土的制备,为工业污泥资源化利用、水葫芦问题解决、减污降碳的实现,提供了一条行之有效的途径。