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

方伟成,程星星,孙常荣. 响应曲面法优化污泥/粉煤灰复合陶粒滤料的制备[J]. 无机盐工业, 2022, 54(9): 119-125.

FANG Weicheng,CHENG Xingxing,SUN Changrong. Optimization of preparation of sludge/fly ash composite ceramsite filler materials by response surface methodology[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022, 54(9): 119-125.

图/表 11

表1

表2

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图3

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图4

图5

图6

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参考文献 22

[1]	万琼，韩庆吉，张新艳，等.以给水厂污泥制备新型陶粒及其性能优化[J].硅酸盐通报，2019，38（4）:1228-1236.
	WAN Qiong， HAN Qingji， ZHANG Xinyan， et al.Preparation and performance optimization of ceramsites using waste sludge[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2019，38（4）:1228-1236.
[2]	杨丽艳，马鑫，梅锐锋，等.黄河流域沉沙池泥沙制备陶粒及其性能研究[J].无机盐工业，2022，54（5）:109-115.
	YANG Liyan， MA Xin， MEI Ruifeng， et al.Study on preparation and performance of ceramsite from sediment in Yellow River desilt⁃ilting basin[J].Inorganic Chemicals Industry，2022，54（5）:109-115
[3]	郑凯，蒋善庆，武福平.给水厂污泥陶粒制备及其对氮磷吸附研究[J].环境污染与防治，2020，42（1）:35-38，43.
	ZHENG Kai， JIANG Shanqing， WU Fuping.Study on preparation of ceramsite made from waterworks sludge and its performance for adsorption of nitrogen and phosphorus[J].Environmental Pollution ＆ Control，2020，42（1）:35-38，43.
[4]	WANG Di， CHEN Nan， YU Yang， et al.Investigation on the adsorption of phosphorus by Fe-loaded ceramic adsorbent[J].Journal of Colloid and Interface Science，2016，464:277-284.
[5]	喻学敏，周军，陈浩.以橡胶颗粒与陶粒为生物滤池填料的运行效果研究[J].工业水处理，2021，41（9）:69-73.
	YU Xuemin， ZHOU Jun， CHEN Hao.Operation effect of biological filter with rubber and ceramsite as filler[J].Industrial Water Treatment，2021，41（9）:69-73.
[6]	周高燕，章静，战晓慧，等.新型污泥陶粒-曝气生物滤池对喷水织造废水的处理研究[J].浙江大学学报:理学版，2021，48（2）:231-240.
	ZHOU Gaoyan， ZHANG Jing， ZHAN Xiaohui， et al.Study on treatment of water⁃jet weaving wastewater by new type sewage sludge ceramsite for biological aerated filter[J].Journal of Zhejiang University:Science Edition，2021，48（2）:231-240.
[7]	张晓亚，李佳丽，冯丽娟，等.城市污泥陶粒制备技术与应用研究进展[J].无机盐工业，2021.Doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0568.
	ZHANG Xiaoya， LI Jiali， FENG Lijuan， et al.Research progress on preparation technology and application of municipal sludge ceramsite[J].Inorganic Chemicals Industry，2021.Doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0568.
[8]	WU Haiming， FAN Jinlin， ZHANG Jian， et al.Intensified organics and nitrogen removal in the intermittent⁃aerated constructed wetland using a novel sludge⁃ceramsite as substrate[J].Bioresource Technology，2016，210:101-107.
[9]	程海翔，周海，李建辉，等.城市污泥及其焚烧灰混合料烧结陶粒的实验研究[J].环境工程学报，2016，10（2）:845-850.
	CHENG Haixiang， ZHOU Hai， LI Jianhui， et al.Experimental study on manufacturing haydite by sintering municipal sludge and its incineration ash[J].Chinese Journal of Environmental Engineer⁃ing，2016，10（2）:845-850.
[10]	荣辉，张鸿飞，张磊，等.污泥陶粒焙烧制度优化及其对陶粒性能的影响[J].新型建筑材料，2019，46（4）:68-72，87.
	RONG Hui， ZHANG Hongfei， ZHANG Lei， et al.Optimization of sludge ceramsite baking system and its effect on ceramsite performance[J].New Building Materials，2019，46（4）:68-72，87.
[11]	肖继波，黄志达，陈玉莹，等.高效除磷型底泥陶粒的制备及性能分析[J].浙江农林大学学报，2019，36（2）:415-421.
	XIAO Jibo， HUANG Zhida， CHEN Yuying， et al.Preparation and properties analysis of sediment ceramsite with high efficiency phosphorus removal[J].Journal of Zhejiang A ＆ F University，2019，36（2）:415-421.
[12]	欧阳嘉，林衍，于东盛，等.Plackett-Burman设计和响应曲面法优化除磷陶粒的制备[J].环境工程学报，2017，11（4）:2291-2298.
	OUYANG Jia， LIN Yan， YU Dongsheng， et al.Plackett-Burman design and response surface method to optimize the preparation of phosphorus removal ceramsite[J].Chinese Journal of Environmental Engineering，2017，11（4）:2291-2298.
[13]	王矿宾，许胜霞，王永勤.响应曲面法优化双氟磺酰亚胺锂提纯工艺研究[J].无机盐工业，2020，52（9）:62-65.
	WANG Kuangbin， XU Shengxia， WANG Yongqin.Research on purification process of lithium difluorosulfimide optimized by response surface method[J].Inorganic Chemicals Industry，2020，52（9）:62-65.
[14]	DIWANI N， FAKHFAKH J， ATHMOUNI K， et al.Optimization，extraction，structure analysis and antioxidant properties of flavan-3-ol polymers:Proanthocyanidins isolated from Periploca angustifolia using surface response methodology[J].Industrial Crops and Products，2020，144.Doi:10.1016/j.indcrop.2019.112040.
[15]	宋文惠，杨莹，张洁，等.Box-Behnken分析优化花果茶泡腾片的制作工艺研究[J].食品研究与开发，2020，41（7）:137-142.
	SONG Wenhui， YANG Ying， ZHANG Jie， et al.Study on the formulation and process of box⁃behnken analysis for optimizin flower tea effervescent tablets[J].Food Research and Development，2020，41（7）:137-142.
[16]	韩露.新型污泥陶粒的制备及其在污水处理中的应用[D].郑州:郑州大学，2018.
	HAN Lu.Study on the preparation of new sludge ceramsite and application in sewage treatment[D].Zhengzhou:Zhengzhou University，2018.
[17]	卢雪霏.不同烧结方式和烧结制度对城市污泥陶粒性能的影响研究[D].沈阳:沈阳建筑大学，2020.
	LU Xuefei.Effects of different sintering methods and sintering systems on the properties of municipal sludge ceramsite[D].Shenyang:Shenyang Jianzhu University，2020.
[18]	林春绵，王建超，甄万顺.利用污泥烧制陶粒滤料的实验研究[J].浙江工业大学学报，2018，46（5）:585-590.
	LIN Chunmian， WANG Jianchao， ZHEN Wanshun.Experimental study on sintering ceramsite filter material with sludge[J].Journal of Zhejiang University of Technology，2018，46（5）:585-590.
[19]	罗立群，周鹏飞，涂序.焙烧陶粒膨胀剂的研究应用进展[J].硅酸盐通报，2019，38（10）:3170-3177.
	LUO Liqun， ZHOU Pengfei， TU Xu.Progress on research and application of roasted ceramsite expanding agents[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2019，38（10）:3170-3177.
[20]	秦晋一，封硕，方姣，等.二氧化硅对污泥烧结陶粒结构强度和孔隙率的影响[J].新型建筑材料，2019，46（9）:117-122.
	QIN Jinyi， FENG Shuo， FANG Jiao， et al.Effect of SiO₂on structural strength and porosity of sludge sintered ceramsite[J].New Building Materials，2019，46（9）:117-122.
[21]	李亮.粉煤灰陶粒制备试验研究[J].硅酸盐通报，2017，36（5）:1577-1581，1589.
	LI Liang.Experimental study on preparation of fly ash ceramsi⁃te[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2017，36（5）:1577-1581，1589.
[22]	洪雷.粉煤灰和废玻璃制备高强复合陶粒的试验研究[J].新型建筑材料，2013，40（8）:32-34，47.
	HONG Lei.Experimental study on preparation of high strength composite ceramsite using fly ash and waste glass[J].New Building Materials，2013，40（8）:32-34，47.

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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