一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法

技术领域

本发明属于pH调节剂领域，具体涉及一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法。

背景技术

虽然现在人们对温室气体排放的危害的认识不断提高，但我国的能源供应目前仍主要依赖化石燃料。与传统化石燃料相比，沼气能源能够显著减少温室气体的排放，因此近年来成为了替代化石燃料的理想能源之一。沼气可以由有机物厌氧消化(AD)产生，反应主要产物是甲烷和二氧化碳，而氢、氮及其气态化合物的生成量较低。厌氧消化是一个复杂的过程，其工艺效率受到环境条件的强烈影响，例如温度、pH值、挥发性脂肪酸(VFA)等等。事实上，厌氧消化过程，尤其是甲烷生产过程，对体系中pH值的波动非常敏感。细菌在代谢过程中迅速形成的酸致使消化过程中pH值降低，抑制了甲烷的生成。当pH值低于6.6时，厌氧消化反应器的效率显著降低。不仅仅是厌氧消化过程，在很多有机固体含量较高的生物技术过程中pH值都是影响其生产效率的关键因素之一。为了克服生产效率的下降，通常采用两种方法：对原料进行碱性预处理或向反应器中添加商业碱性材料(如氢氧化钠(NaOH)或碳酸钙(CaCO

随着社会的进步和发展，固体废弃物日益增加，对整个生态环境造成不利的影响，对土壤、大气、水体以及城市的市容市貌和环境卫生危害严重。市政污泥是城镇污水污染物汇聚、凝缩之集大成，其构成十分复杂，可能具有已知全部类型的环境污染物:重金属、持久性有机污染物、环境持久性制药污染物、多环芳烃、挥发性有机化合物、环境外来物质等，此外还有大量的病原菌、病毒等，甚至还可能混入核废物。污泥不加任何处理的弃置、不合理的处置都可能对人类健康和环境造成不可恢复的破坏和影响。

地质聚合物是由铝硅酸盐前体和碱性溶液之间发生化学反应合成的非晶态到半结晶结构的三维网状聚合物。在过去的几年中，它们作为波特兰水泥的一种有前途和更环保的替代品被广泛研究，然而，这些材料还表现出功能特性，如废水处理、隔热、pH缓冲和有毒废物固封。不仅如此，作为无机碱性材料，地质聚合物还可以建立pH控制系统。在材料制备过程中，可溶碱被部分封闭在材料基体中，从而使其在水介质中可以缓慢地从结构中浸出游离碱，用以调节系统pH。除此之外，几种固体废弃物(如污泥、粉煤灰、矿渣、煤矸石、硅灰、矿粉、铁尾矿等)已被证实可用以制备地质聚合物，与基于偏高岭土(MK)的配方相比，它不仅大大降低了地质聚合物的生产成本，而且更绿色更环保更低碳。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有地质聚合物作为pH调节剂pH缓冲能力不高和持续时间不长的技术问题，而提供一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法。

本发明的一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法按以下步骤进行：

一、配制碱激发溶液；

二、向步骤一的碱激发溶液中加入固体废弃物粉体，搅拌至混合均匀，得到地聚物浆料，然后加入发泡剂，持续搅拌至混合均匀后，得到聚合物浆料；

三、将步骤二得到的聚合物浆料逐滴匀速加入到预热后的油类连续相中，5min～15min后，将固体物质置于烘箱中养护，得到调节剂；

四、将步骤三得到的调节剂表面残留的油类连续相去除后烘干，得到圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂。

进一步限定，步骤一中所述碱激发溶液由碱溶液和硅酸盐溶液混合而成；其中所述碱溶液为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，所述硅酸盐溶液为硅酸钾溶液或硅酸钠溶液。

进一步限定，步骤一中所述碱激发溶液中碱溶液与硅酸盐溶液的质量比为1：(1～2)。

进一步限定，所述碱溶液的浓度为5mol/L～20mol/L。

进一步限定，所述硅酸盐溶液的质量浓度为35％～45％，硅酸盐溶液的模数为1～3.5。

进一步限定，步骤二中所述固体废弃物粉体为污泥、粉煤灰、矿渣、煤矸石、硅灰、矿粉、铁尾矿中的一种粉体或几种粉体按任意比的混合。

进一步限定，步骤二中所述碱激发溶液与固体废弃物粉体的质量比为1:(1～1.5)。

进一步限定，步骤二中所述搅拌的速度为400rpm～800rpm，时间为15min～120min。

进一步限定，步骤二中所述发泡剂为双氧水、聚氧乙烯山梨醇酐三油酸酯、月桂酰肌氨酸钠、椰油酰甘氨酸钠、月桂酰基谷氨酸钠中的一种或几种按任意比的混合。

进一步限定，步骤二中所述发泡剂与地聚物浆料的质量比为1：(10～30)。

进一步限定，步骤三中所述匀速是指速度为10～60滴/min。

进一步限定，步骤三中所述预热后的油类连续相的温度为50～95℃。

进一步限定，步骤三中所述油类连续相为椰子油、聚乙二醇或甲基硅油。

进一步限定，步骤三中所述养护的具体参数为：温度为25～75℃，时间为4h～7d。

进一步限定，步骤四中通过将调节剂用水或乙醇浸泡去除表面残留的油类连续相。

进一步限定，步骤四中所述烘干的温度20～60℃。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1)本发明提供了一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法，该方法无需烧结，绿色环保，符合国家可持续发展理念。

2)本发明的方法以碱性激发剂和固体废弃物为主要原料，通过滴入油类连续相制备具有高连通孔隙结构、高pH调节能力的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂，可提供更长的pH调节时间。

3)本发明的方法原料易得，操作简单，即实现了废弃物的再利用，又可建立pH控制系统，处理城市工业污水。

附图说明

图1为具体实施方式二的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的表面形貌图；

图2为具体实施方式三的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的表面形貌图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法按以下步骤进行：

一、将浓度为10mol/L的氢氧化钠溶液与质量浓度为40％的硅酸钠水溶液混合均匀后静置1天，得到碱激发溶液；所述硅酸钠水溶液的模数为2，所述氢氧化钠溶液与硅酸钠水溶液的质量比为1:1.5；

二、向步骤一的碱激发溶液中加入矿渣粉体，400rpm下搅拌30min至混合均匀，得到地聚物浆料，然后加入聚氧乙烯山梨醇酐三油酸酯，转速调整到800rpm后，搅拌15min至混合均匀后，得到聚合物浆料；所述碱激发溶液与矿渣粉体的质量比为1:1；所述聚氧乙烯山梨醇酐三油酸酯与地聚物浆料的质量比为1:20；

三、将步骤二得到的聚合物浆料以20滴/min的速度逐滴匀速加入到85℃的聚乙二醇1000中，10min后将固体物质置于烘箱中于60℃下养护1d，得到调节剂；

四、将步骤三得到的调节剂用水浸泡去除表面残留的聚乙二醇1000后于60℃下烘干3d，得到圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂。

将本实施方式制得的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂加入到去离子水中，进行为期30天的pH缓冲能力测试，检测水中析出氢氧根的能力，试验显示加入调节剂一天后pH值为13.29，第30天的pH值为10.24。

具体实施方式二：本实施方式的一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法按以下步骤进行：

一、将浓度为8mol/L的氢氧化钠溶液与质量浓度为40％的硅酸钠水溶液混合均匀后静置1天，得到碱激发溶液；所述硅酸钠水溶液的模数为2.5，所述氢氧化钠溶液与硅酸钠水溶液的质量比为1:1；

二、向步骤一的碱激发溶液中加入污泥粉体和矿渣粉体，500rpm下搅拌60min至混合均匀，得到地聚物浆料，然后加入月桂酰肌氨酸钠，700rmp下搅拌15min至混合均匀后，得到聚合物浆料；所述污泥粉体由市政污泥经脱水、晾晒、烘干至含水率≤3％时，破碎、筛分、球磨得到；所述碱激发溶液的质量与污泥粉体和矿渣粉体的总质量的比为1:1；所述矿渣粉体与污泥粉体的质量比1：1；所述月桂酰肌氨酸钠与地聚物浆料的质量比为1:30；

三、将步骤二得到的聚合物浆料以30滴/min的速度逐滴匀速加入到95℃的椰子油，5min后将固体物质置于烘箱中于60℃下养护1d，得到调节剂；

四、将步骤三得到的调节剂用95％的乙醇浸泡去除表面残留的椰子油后于60℃下烘干3d，得到圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂。

本实施方式制得的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的表面形貌如图1所示。

将本实施方式制得的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂加入到去离子水中，进行为期30天的pH缓冲能力测试，检测水中析出氢氧根的能力，试验显示加入调节剂一天后pH值为13.14，第30天的pH值为10.48。

具体实施方式三：本实施方式的一种圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的制备方法按以下步骤进行：

一、将浓度为15mol/L的氢氧化钾溶液与质量浓度为40％的硅酸钾水溶液混合均匀后静置1天，得到碱激发溶液；所述硅酸钾水溶液的模数为3，所述氢氧化钾溶液与硅酸钾水溶液的质量比为1:2；

二、向步骤一的碱激发溶液中加入污泥粉体和粉煤灰粉体，400rpm下搅拌90min至混合均匀，得到地聚物浆料，然后加入椰油酰甘氨酸钠和双氧水，800rmp下持续搅拌15min至混合均匀后，得到聚合物浆料；所述污泥粉体由市政污泥经脱水、晾晒、烘干至含水率≤3％时，破碎、筛分、球磨得到；所述碱激发溶液的质量与污泥粉体和粉煤灰粉体的总质量比为0.8:1；所述粉煤灰粉体与污泥粉体的质量比1：1.5；所述椰油酰甘氨酸钠与地聚物浆料的质量比为1:25；所述双氧水与地聚物浆料的质量比为1:2；

三、将步骤二得到的聚合物浆料以20滴/min的速度逐滴匀速加入到90℃的甲基硅油中，15min后，将固体物质置于烘箱中于60℃下养护1d，得到调节剂；

四、将步骤三得到的调节剂用95％的乙醇浸泡去除表面残留的甲基硅油后于60℃下烘干3d，得到圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂。

本实施方式制得的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂的表面形貌如图2所示。

将本实施方式制得的圆片形固体废弃物基多孔地质聚合物pH调节剂加入到去离子水中，进行为期30天的pH缓冲能力测试，检测水中析出氢氧根的能力，试验显示加入调节剂一天后pH值为12.87，第30天的pH值为10.08。