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污泥处理新发现!中科院教授研发出新型绿色水泥基复合材料

更新于:2020-12-11   来源:众创网   点击:657次

近期,中科院的教授们研制出一种新型绿色水泥基复合材料。

中国科学院武汉岩土力学研究所环境土力学与工程学科方向组研究团队将采用常规限氧热解污泥得到的多孔生物炭,作为绿色工程材料与水泥复配,制备出了岩土工程固化用的生态胶凝材料。

随着城市化进程加快,大量富含有机污染物与病原体的市政污泥(MS)也随之产生,而此类固废的处置方式,如填埋、焚烧等,亦会对环境产生十分恶劣的影响。科学家们在探寻绿色环保之路上进行了许多尝试。

据悉,生物炭是在厌氧或氧气限制条件下从生物固体的热化学分解中获得的绿色材料。虽然污泥在市政污泥处理中进行了广泛的研究,但利用成型污泥生物炭(SB)产品却极具挑战性。此次研究开发了一种新颖、可持续的方法,将污泥生物炭的衍生生物炭纳入水泥基复合材料中,为此类废物的回收提供一种经济、高效的方法。

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污泥限热降解能够减少温室气体的排放、实现碳的稳定存储,其产物生物炭的高比表面积、丰富的官能团和多界面反应位点,为污泥资源化利用提供了经济环保的出路。污泥生物炭在水处理、土壤改良和环境修复等领域已被广泛应用,但却是作为工程材料,首次应用于岩土工程领域。污泥生物炭在反应体系中降低局部水灰比,起到内部养护作用,提供更多成核位点,促成水化产物的生成,从而增强复合材料机械性能。污泥生物炭生态水泥的制备与使用,为污泥资源化利用和水泥行业的可持续发展提供了新思路。

研究表明,生物炭胶凝材料的性能取决于原材料的类型和热解温度工艺,污泥的热化学特性表明,主要和有效解热的温度范围是160-580℃。因此,在不同温度下工艺制备污泥生物炭的比表面积、孔隙特征随温度变化存在较大差异性。H/C和O/C比值表明了污泥生物炭具备稳定的化学性和生物性及较强的亲水性,这些为其作为工程材料的应用提供了条件。

为探明生物炭水泥复合材料的性能与水化反应过程,研究人员采用多尺度表征手段,揭示了固化体的力学强度、水化产物以及水化程度演化规律,优化得到了污泥生物炭水泥的最佳制备工艺。在500°C的热解和60分钟的残留时间下,性能最佳,分别增加了1个d和28d强度29.3%和5.8%。污泥生物炭的加入加速了更多水化产品的形成,提高了水化程度,并导致基质更稠密。以上所有的改善原因都源于污泥生物炭的内部固化效果和当地水与水泥的比例降低。

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为进一步揭示生物炭水泥复合材料的水合机理,研究人员采用等温量热法,确定了水化反应过程水化反应热流曲线。尽管不同温度工艺的反应体系具有相似的放热特性,但最优的温度工艺使复合材料具有相对较高的放热速率、累计水化热和较短的休眠期,表明了生物炭的加速水化效应。

此外,采用Krstulovic Dabic动力学模型很好地模拟了污泥生物炭的水合过程在生物炭-水泥复合体系中揭示了其水合作用机制:NG-I-D。即,生物炭水泥复合材料的水化机制属于相边界(I)扩散(D)中的成核和晶体生长(NG)-相互作用。最优工艺生物炭提供的成核位点最多,在各反应阶段的反应速率常数最高,并且具有最短的相边界反应阶段(I)。可以了解到,泥生物炭合并样本具有更多的成核位点,污泥生物炭合并样本具有更多的成核位点,在晶体生长阶段和较短的一级反应速率常数较高。

污泥生物炭作为水泥复合材料中一种安全的绿色添加剂,具有更多的成核点,反应速率恒定的特点,不仅能够加速其他水化产品的形成,其水泥复合材料可显著提高初始机械强度。因此,在适当的温度条件下热解市政污泥,能激发绿色生物炭的潜能,以提供一种替代和可行的市政污泥处理方式,从而助力环境卫生保护。


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