一种城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性方法与流程

1.本发明涉及建筑材料，具体为一种利用从污泥中回收海藻酸类聚合物并用于对再生骨料进行改性的方法。


背景技术：

2.近年来，随着我国污水处理能力的快速提升，城市污泥的产生量也呈逐年上升的趋势。污泥兼备资源和污染属性，不合理的处理处置将导致严峻的环境问题。然而，传统的处理方法由于其低回收率和高成本限制了其进一步应用。如何将污泥转变为一种具备经济价值的可再生资源，是众多污水处理厂迫切需要解决的问题。
3.目前，对海藻酸类聚合物的回收再利用主要是从海藻或好氧颗粒污泥中提取。然而研究表明，从常规城市污泥中回收海藻酸类聚合物的理化性质等均与从海藻或好氧颗粒污泥中提取的相近，可作为商业海藻酸类聚合物的替代品。
4.目前废弃混凝土的回收和再利用主要是利用再生石子作为再生混凝土的粗骨料，但研究表明，利用再生粗骨料替代天然石子制备的再生混凝土具有更大的脆性，随着再生粗骨料取代率的提高，其力学性能呈现明显的递减趋势。造成上述趋势的主要原因是再生骨料在破碎产生过程中存在一定的缺陷，而破碎损伤的积累又使再生骨料内部和表面产生了大量的微裂缝，而破碎损伤的积累又使再生骨料内部和表面产生了大量的微裂缝，水泥浆料被不同程度地包裹在再生骨料表面，在提高再生骨料孔隙率和吸水率的同时，使再生骨料与水泥砂浆之间的界面粘结力下降，从而导致了再生骨料的缺陷。
5.目前对再生骨料进行改性处理的方法主要有两种：一种是通过机械研磨、热磨、浸酸等方式将砂浆层去除，这种方法会造成再生骨料本身上的微裂缝进一步发育，使再生骨料的损伤程度进一步增大；另一种使用增强再生骨料上粘结的砂浆，例如利用硅酸钠处理再生骨料，但这种处理方式会使碱硅反应发生的机率大大增加，另外也可以在再生骨料表面通过浸渍聚合物形成防水涂层，但聚合物与混凝土的兼容性则有待商榷。
6.因此，为了使再生骨料能够符合当前建筑领域对混凝土材料的特殊要求，必须开发出一种新颖、高效的骨料改性方法。


技术实现要素：

7.本发明旨在提供再生骨料改性处理的高效绿色环保方法，以解决现有建筑领域中再生骨料进行改性处理所存在的技术问题。
8.本发明所述一种城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性方法是采用如下技术方案实现的：具体步骤如下：1、海藻酸类聚合物的提取过程：（1）取城市污水处理厂的活性污泥做为污泥样本，用去离子水洗涤3~5次，在4200rpm转速离心5min；
（2）取经步骤（1）处理后的污泥样本置于0.2m碳酸钠溶液中在80℃下消化2小时；（3）将步骤（2）中污泥4200rpm条件下离心5min，用0.1m的盐酸调节上清液ph值至2.0
±
0.1得到海藻酸沉淀物；（4）海藻酸沉淀物在4200rpm离心10min，用去离子水洗涤，直至流出物ph值保持稳定；2、再生骨料的改性过程，包含再生骨料吸附和再生骨料修复养护两个环节，具体如下：（1）再生骨料吸附1）将待吸附的再生骨料放入真空锅密封，关闭进气口，打开吸气口；2）然后开启真空泵，将锅内的气压吸至-0.06mpa；3）通过进气口阀门，将步骤（4）得到的海藻酸类聚合物溶液吸入真空锅中，期间保持锅内压力为-0.06mpa不变，待再生骨料吸附完毕，关闭所有阀门，使其保持10~15min；4）在28℃的环境下将吸附液体完毕的再生骨料进行干燥处理。
9.（2）再生骨料修复养护1）进行营养液的制备：将乳酸钙和酵母粉加入水中，搅拌2~3min；海藻酸类聚合物所需钙源为乳酸钙，营养物质为酵母粉；2）将拌合后的营养液添加到喷枪料桶中，调节空压机的气压，压力设定为0.1~0.2mpa，喷速为2l/min，在常温下，对骨料表面的一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；3）翻转骨料，对骨料的另一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；4）将喷淋后的骨料放在室内进行养护，期间每隔12h就对骨料进行一次喷淋，这种操作反复进行6~8d。
10.本发明从城市污泥中回收海藻酸类聚合物能够有效地修复再生骨料表面缺陷，显著降低再生骨料的吸水率，增强再生骨料上粘结的砂浆。由于海藻酸类聚合物中醋酸根基团的富集，使其与再生骨料砂浆裂缝中的阳离子具有高交联能力。所以可将海藻酸类聚合物作为新型生物聚合剂，应用于砂浆中，用再生骨料裂缝自修复。此外，在裂缝修复剂选取中，与商业愈合剂相比，从城市污泥中提取回收的海藻酸类聚合物边际弯曲强度的有效性已被证明。因此，在再生骨料改性处理中，海藻酸类聚合物技术从城市污泥中回收利用，极具研究价值和应用潜力。
11.进一步的，需要下列重量份数的原料（每份为1kg）：再生骨料3~5份，提取回收的海藻酸类聚合物溶液0.6~1.3份，乳酸钙0.40~0.64份，酵母粉0.40~0.64份，水20~32份。其中，再生骨料的等级为ⅰ~ⅱ级，粒径为5~30mm。
12.本发明所述的城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性的方法具有如下特点：第一：本发明所采用的再生骨料改性方法与其他再生骨料改性处理方法相比，具有可控性强、绿色环保、效果显著、不对再生骨料物理力学性能产生负面影响的优点，可以显著提高再生骨料表面的密实度，减少其孔隙度和吸水率。
13.第二：与从海藻或好氧颗粒污泥中提取的海藻酸类聚合物相比，本发明所采用的从城市污泥中提取的海藻酸类聚合物表现出较低的溶胀能力，能在再生骨料的自愈裂缝中沉积出大量的碳酸钙沉淀。而从海藻或好氧颗粒污泥中提取出的海藻酸类聚合物产生的主
要产物为氢氧化钙。钙离子和碳酸根离子之间结合的强度强于钙离子和氢氧根离子之间的结合强度。这表明从城市污泥中提取的海藻酸类聚合物的抗弯强度恢复率高于从海藻或好氧颗粒污泥中提取的海藻酸类聚合物。且藻酸类聚合物可以很容易地与再生骨料中丰富的钙离子结合产生不溶性交联caalg。caalg或水泥滤液处理过的海藻酸类聚合物颗粒的水吸附在裂缝愈合中起着关键作用。因为它确保吸收足够的水以进一步水化裂缝愈合过程。
14.第三：在具有充足钙源、氧气和水的环境中，从污泥中回收的海藻酸类聚合物可以通过自身富集的羧基和钙离子交联反应产出大量碳酸钙，碳酸钙不仅与水泥基材料兼容性良好，而且自身具有优秀的耐久性和体积稳定性。
15.第四：本发明中所使用的从城市污泥中回收的海藻酸类聚合物，在其反应过程中不会产生对人体有害的物质。
16.本发明所述的再生骨料改性方法，能够有效地使再生粗骨料的物理力学性能改善，进而提高再生混凝土的力学性能和耐久性，是一种环保高效处理方法。所以，这种再生骨料改性的方法，更能促进废弃混凝土的循环再利用。
具体实施方式
17.以下是对本发明的具体实施例子进行详细说明：
实施例1
18.一种基于从城市污泥中回收海藻酸类聚合物并用于再生骨料改性的方法，需要下列重量份数的原料：粒径为5-20mm的再生骨料3份，海藻酸类聚合物溶液0.6份（0.5%），乳酸钙0.48份，酵母粉0.48份，水24份。
19.1、海藻酸类聚合物的提取过程:（1）取城市污水处理厂的活性污泥做为污泥样本，用去离子水洗涤3~5次，在4200rpm转速离心5min；（2）将步骤（1）的污泥样本160ml置于0.2m碳酸钠溶液中在80℃下消化2小时；（3）将步骤（2）中污泥4200rpm条件下离心5min，用0.1m的盐酸调节上清液ph值至2.0
±
0.1得到海藻酸沉淀物；（4）海藻酸沉淀物在4200rpm离心10min，用去离子水洗涤，直至流出物ph值保持稳定；（5）将得到的海藻酸类聚合物溶解在0.1m氢氧化钠溶液中以形成藻酸钠，得到基础溶液；（6）将步骤（5）得到的基础溶液用80%的乙醇沉淀，在4200rpm转速下离心10min后收集沉淀物；（7）使用无水乙醇将上述得到的沉淀物洗涤3次。
20.2、再生骨料的改性过程，包含再生骨料吸附和再生骨料修复养护两个环节，具体如下：（1）再生骨料吸附1）将待吸附的再生骨料放入真空锅密封，关闭进气口，打开吸气口；2）开启真空泵，将锅内的气压吸至-0.06mpa；
3）通过进气口阀门，将步骤（4）得到的海藻酸类聚合物溶液吸入真空锅中，期间保持锅内压力为-0.06mpa不变，待再生骨料吸附完毕，关闭所有阀门，使其保持10~15min；4）在28℃的环境下将吸附液体完毕的再生骨料进行干燥处理。
21.（2）再生骨料修复养护1）进行营养液的制备：将乳酸钙和酵母粉加入水中，搅拌2~3min；海藻酸类聚合物所需钙源为乳酸钙，营养物质为酵母粉；2）将拌合后的营养液添加到喷枪料桶中，调节空压机的气压，压力设定为0.1~0.2mpa，喷速为2l/min，在常温下，对骨料表面的一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；3）翻转骨料，对骨料的另一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；4）将喷淋后的骨料放在室内进行养护，期间每隔12h就对骨料进行一次喷淋，这种操作反复进行6~8d。
22.3、将海藻酸类聚合物与再生骨料混合24h，过滤后收集未吸收的水。其中海藻酸类聚合物的吸水率定义为溶胀后的质量变化，并通过吸水率量化。海藻酸类聚合物的吸水率=（海藻酸类聚合物颗粒和过滤器的重量—干燥的海藻酸类聚合物颗粒和过滤器的重量）/干燥海藻酸类聚合物的重量。为减小误差，过滤器用改性再生骨料溶液预润湿。
23.实施例1中，施加弯曲强度使得产生微裂纹用于自愈能力评价，通过对比改性前后再生骨料的压碎指标、吸水率和表观密度的测试结果，发现本发明的改性方法有效地改善了再生骨料的物理力学性能。
实施例2
24.一种从城市污泥中回收海藻酸类聚合物并用于再生骨料改性的方法，需要下列重量份数的原料：粒径为10-25mm的再生骨料4份，海藻酸类聚合物溶液0.8份，乳酸钙0.56份，酵母粉0.56份，水28份。
25.1、提取海藻酸类聚合物的方法同实例1，选取0.8%浓度的溶液。
26.2、再生骨料改性过程：（1）再生骨料吸附再生骨料吸附方法同实例1。
27.（2）再生骨料修复养护1）进行营养液的制备：将乳酸钙和酵母粉加入水中，搅拌2~3min；海藻酸类聚合物所需钙源为乳酸钙，营养物质为酵母粉；2）将拌合后的营养液添加到喷枪料桶中，调节空压机的气压，压力设定为0.1~0.2mpa，喷速为2l/min，在常温下，对骨料表面的一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；3）翻转骨料，对骨料的另一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；4）将喷淋后的骨料放在室内进行养护，期间每隔12h就对骨料进行一次喷淋，这种操作反复进行6~8d。
28.实施例2中，对比各测试结果后发现，本发明的改性方法有效地改善了再生骨料的物理力学性能。
实施例3
29.一种基于从城市污泥中回收海藻酸类聚合物并用于再生骨料改性的方法，需要下列重量份数的原料：粒径为10-30mm的再生骨料5份，海藻酸类聚合物溶液1.0份，乳酸钙0.64份，酵母粉0.64份，水32份。
30.1、海藻酸类聚合物提取方法同实例1，选取1.0%浓度的溶液。
31.2、再生骨料改性过程：（1）再生骨料吸附再生骨料吸附方法同实例1。
32.（2）再生骨料修复养护1）进行营养液的制备：将乳酸钙和酵母粉加入水中，搅拌2~3min；海藻酸类聚合物所需钙源为乳酸钙，营养物质为酵母粉；2）将拌合后的营养液添加到喷枪料桶中，调节空压机的气压，压力设定为0.1~0.2mpa，喷速为2l/min，在常温下，对骨料表面的一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；3）翻转骨料，对骨料的另一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；4）将喷淋后的骨料放在室内进行养护，期间每隔12h就对骨料进行一次喷淋，这种操作反复进行6~8d。
33.本发明通过从城市污泥中提取海藻酸类聚合物。在钙源、氧气、水充足的环境中，海藻酸类聚合物可以通过自身富集的羧基和钙离子交联反应产出大量碳酸钙。本发明方法利用海藻酸类聚合物优异的与阳离子的交联能力，对再生骨料表面裂缝、孔洞等缺陷进行修复。在再生骨料改性过程中，首先从城市污泥中提取海藻酸类聚合物；然后采用真空吸附，将溶液吸附至再生粗骨料表面；最后用乳酸钙溶液对再生骨料进行喷淋，从而起到养护作用，这样就可以修复再生粗骨料表面的瑕疵。作为一种高效绿色处理方式，本发明所述的再生粗骨料改性方法具有很大的研究价值和应用潜力，可以有效提高再生粗骨料的物理力学性能。
34.需要说明的是，上述的实施案例只是用来说明这项发明的技术方案而不是限制，虽然参考了这项发明的实施案例进行了详细的说明，但并不脱离这项发明的技术方案的精神和范围，因此，该领域的普通技术人员都应该明白，修改或者等同替换这项发明的技术方案，它们都应该涵盖在权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性方法，其特征在于：包括如下过程：1、海藻酸类聚合物的提取过程：（1）取城市污水处理厂的活性污泥做为污泥样本，用去离子水洗涤3~5次，在4200rpm转速离心5min；（2）取经步骤（1）处理后的污泥样本置于0.2m碳酸钠溶液中在80℃下消化2小时；（3）将步骤（2）中得到的污泥在4200rpm条件下离心5min，用0.1m的盐酸调节上清液ph值至2.0
±
0.1得到海藻酸沉淀物；（4）海藻酸沉淀物在4200rpm离心10min，用去离子水洗涤，直至流出物ph值保持稳定得到海藻酸类聚合物；2、再生骨料的改性过程，包含再生骨料吸附和再生骨料修复养护两个环节，具体如下：（1）再生骨料吸附1）将待吸附的再生骨料放入真空锅密封，关闭进气口，打开吸气口；2）然后开启真空泵，将锅内的气压吸至-0.06mpa；3）通过进气口阀门，将步骤（4）得到的海藻酸类聚合物溶液吸入真空锅中，期间保持锅内压力为-0.06mpa不变，待再生骨料吸附完毕，关闭所有阀门，使其保持10~15min；4）在28℃的环境下将吸附液体完毕的再生骨料进行干燥处理；（2）再生骨料修复养护1）进行营养液的制备：将乳酸钙和酵母粉加入水中，搅拌2~3min；海藻酸类聚合物所需钙源为乳酸钙，营养物质为酵母粉；2）将拌合后的营养液添加到喷枪料桶中，调节空压机的气压，压力设定为0.1~0.2mpa，喷速为2l/min，在常温下，对骨料表面的一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；3）翻转骨料，对骨料的另一侧进行喷淋，喷淋时间为30s；4）将喷淋后的骨料放在室内进行养护，期间每隔12h就对骨料进行一次喷淋，这种操作反复进行6~8d。2.根据权利要求1所述的一种城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性方法，其特征在于：再生骨料的改性过程的步骤（1）再生骨料吸附中，按重量份计，再生骨料3~5份，海藻酸类聚合物溶液0.6~1.3份，浓度为0.5-1.0%；步骤（2）再生骨料修复养护中，乳酸钙和酵母粉的浓度均为20g/l。3.根据权利要求2所述的一种城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性方法，其特征在于：再生骨料的等级为ⅰ~ⅱ级，粒径为5~30mm。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种城市污泥回收海藻酸类聚合物用于再生骨料改性方法，其特征在于：海藻酸类聚合物的提取过程还包括步骤（5）、（6）和（7）：（5）将得到的海藻酸类聚合物溶解在0.1m氢氧化钠溶液中以形成藻酸钠，得到基础溶液；（6）将步骤（5）得到的基础溶液用80%的乙醇沉淀，在4200rpm转速下离心10min后收集沉淀物；（7）使用无水乙醇将上述得到的沉淀物洗涤3次。

技术总结
本发明公开了一种从城市污泥中回收海藻酸类聚合物并用于再生骨料改性的方法，包括海藻酸类聚合物的回收方法和再生骨料改性过程。通过一种聚合物的回收方法提取出一组富集羧基，与再生骨料裂缝中阳离子具有较高交联能力的海藻酸类聚合物。当环境中含有丰富的钙、氧气以及清澈的水时，海藻酸类聚合物会以其强大的交联性质形成大量的碳酸钙沉积。本发明利用海藻酸类聚合物优异的交联能力，对再生骨料表面裂缝、孔洞等缺陷进行修复。在进行再生骨料改性时，首先回收城市污泥中的海藻酸类聚合物，之后采用真空吸附法，使溶液能够吸附至再生粗骨料表面；最后以喷淋的方式使用乳酸钙溶液对再生骨料进行养护，这种方法可以修复再生粗骨料的表面缺陷。粗骨料的表面缺陷。


技术研发人员：周爱娟 李沈卓 谭慧杰 贾立军 岳秀萍 马晓杰 赵文婧
受保护的技术使用者：山西山安立德环保科技有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/9/12