响应曲面法优化污泥/粉煤灰复合陶粒滤料的制备

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0750

摘要/Abstract

摘要：

以污泥、粉煤灰和废玻璃为原料，辅以硅酸钠作为黏结剂，烧制复合陶粒滤料。在单因素实验基础上，利用Box-Behnken响应曲面法优化，考察了预热温度、烧结温度、烧结时间等因素及其相互作用对复合陶粒滤料性能的影响。研究结果表明，响应曲面建立的数学模型拟合度较高，预热温度、烧结温度和烧结时间3个因素之间的交互作用对复合陶粒滤料吸水率均有显著影响，烧结时间是最主要的因素。在污泥、粉煤灰、废玻璃的质量比为4∶3∶3，辅以3%（以质量分数计）硅酸钠黏结剂，预热温度为500 ℃，预热时间为20 min，烧结温度为1 133 ℃，烧结时间为23 min条件下，可制备出满足CJ/T 299—2008《水处理用人工陶粒滤料》要求的陶粒滤料。与其他陶粒对比，污泥/粉煤灰复合陶粒滤料具有低表观密度和高吸水率等优点，适宜作为水处理滤料及人工湿地填料。

关键词: 响应曲面法, 复合陶粒滤料, 吸水率, 颗粒表观密度

Abstract:

The ceramsite filter media was fired by sludge，fly ash and waste glass as raw materials and supplemented with sodium silicate as binder.Based on single?factor experiment，the effect of preheating temperature，sintering temperature，sintering time and their interaction on the performance of composite ceramsite filter materials were investigated by using optimization with Box-Behnken response surface method.The results showed that the mathematical model established by the response surface had a high degree of fit.The interaction among the three factors of preheating temperature，sintering temperature and sintering time had significant effect on the water absorption rate.Sintering time was the most important affecting factor.Under the condition that the mass ratio of sludge，fly ash and waste glass was 4∶3∶3，supplemented by 3%（by mass fraction） binder，the preheating temperature was 500 ℃，the preheating time was 20 min，the sintering temperature was 1 133 ℃，and the sintering time was 23 min，the ceramsite filter material that met the requirements of CJ/T 299—2008 “artificial ceramsite filter material for water treatment”could be prepared.Compared with other ceramsite，sludge or fly ash composite ceramsite filter material had the advantages of low density and high?water absorption rate，which was suitable for water treatment filter material and artificial wetland filler.

Key words: response surface methodology, ceramsite filler materials, water absorption rate, particle apparent density

中图分类号:

X703

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图/表 11

表1

表2

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图3

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图4

图5

图6

表4

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参考文献 22

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原料	主要成分质量分数/％
原料	Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	K₂O	CaO	Fe₂O₃	P₂O₅	其他
污泥	1.084	4.746	32.883	17.994	3.455	11.631	6.237	13.375	8.595
粉煤灰	0.767	2.355	29.355	48.193	3.409	8.761	5.640	0.246	1.274
废玻璃	10.123	2.342	2.043	77.443	0.353	6.376	0.764	0.101	0.455

m（污泥）∶m（粉煤灰）∶ m（废玻璃）	质量分数/%
m（污泥）∶m（粉煤灰）∶ m（废玻璃）	Na₂O	MgO	Al₂O₃	SiO₂	K₂O	CaO	Fe₂O₃	其他
4∶3∶3	3.701	3.308	22.573	44.888	2.511	9.194	4.416	8.595
3∶4∶3	3.669	3.068	22.220	47.908	2.506	8.907	4.356	1.274
2∶4∶4	4.573	2.828	19.136	53.853	2.196	8.381	3.809	5.224
3∶3∶4	4.605	3.067	19.489	50.833	2.200	8.668	3.869	7.269

序号	自变量水平			因变量 Y（吸水率/%）
序号	A（预热温度/℃）	B（烧结温度/℃）	C（烧结时间/min）	因变量 Y（吸水率/%）
1	1（600）	-1（1 100）	0（20）	6.14
2	1（600）	0（1 150）	-1（10）	5.44
3	0（500）	0（1 150）	0（20）	6.69
4	0（500）	1（1 200）	1（30）	4.88
5	0（500）	-1（1 100）	-1（10）	4.32
6	1（600）	0（1 150）	1（30）	5.88
7	-1（400）	0（1 150）	-1（10）	5.25
8	0（500）	0（1 150）	0（20）	6.62
9	-1（400）	1（1 200）	0（20）	5.88
10	0（500）	-1（1 100）	1（30）	6.58
11	0（500）	0（1 150）	0（20）	6.88
12	-1（400）	0（1 150）	1（30）	5.68
13	0（500）	0（1 150）	0（20）	6.76
14	-1（400）	-1（1 100）	0（20）	5.54
15	1（600）	1（1 200）	0（20）	5.16
16	0（500）	0（1 150）	0（20）	6.74
17	0（500）	1（1 200）	-1（10）	5.98

项目	ρ（Cr）/ （mg·L^-1）	ρ（Cu）/ （mg·L^-1）	ρ（Cd）/ （mg·L^-1）	ρ（Zn）/ （mg·L^-1）
污泥	0.147	0.813	—	0.430
粉煤灰	0.073	0.078	0.001	0.210
废玻璃	0.013	—	—	—
陶粒	0.028	0.011	—	0.005
限值	≤15	≤100	≤1	≤100

陶粒	表观密度/ （g·cm^-3）	吸水率（1 h）/%	比表面积/ （m²·g^-1）	破碎率与磨损率之和/%	盐酸可溶率/%
行业标准	越小越好	≤10	≥0.5	≤6	≤2
复合陶粒滤料	0.650	6.91	4.87	0.82	0.08
给水污泥陶粒^[1]	1.390	23.65	5.24	—	0.25
高强陶粒滤料^[22]	0.947	3.60	—	—	—
污泥陶粒^[10]	0.996	0.12	—	—	—
河道底泥陶粒^[17]	1.155	36.68	—	0.78	—

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