国家创新实验项目申请书-王东波修-林奕达改.doc

“国家大学生创新性实验计划”项目申请表项目名称： 污泥脱水用硅酸盐系高效絮凝剂的开发 项目负责人：李英学院年级专业：环境学院2007级环境工程 联系电话：子信箱：597564222指导教师：王东波 指导教师所在学院： 环境学院 指导教师联系电话广西大学教务处制表填表日期：2009年10月17日填表须知一、项目申请表要逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、项目只能由全日制本科生提出申请，原则上以二至三年级学生为主。申请者要品学兼优、学有余力，有较强的独立思考能力和创新意识，对科学研究、科技活动或社会实践有浓厚的兴趣。项目申请表由项目负责人填写，经学院评审汇总后统一上报学校。三、指导教师应具有相当于副教授及以上职称，能保证指导时间。四、申请书中第一次出现外文名词时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写。五、申请表填写内容应言简意赅，思路清晰，论证充分，字迹清楚，一律用计算机输入打印。六、格式要求：表格中的字体应为小四号宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。一、基本情况项目名称污泥脱水用硅酸盐系高效絮凝剂的开发申请金额 20000 元起止年月2009 年10 月至 2010年10 月负责人姓名李英性别女民族汉出生年月1987年 11 月学号0704100518联系电话宅手机导教师王东波联系电话宅： 手机责人曾经参与科研的情况（1） 环境学院暑假社会实践之邕江水质的研究；（2） 南宁噪音污染的测定。指导教师承担科研课题情况（1）广西纳米二氧化硅表面改性及增韧PP研究，广西大学博士启动基金（2008.10-2009.9），主持。（2）参与国家水体污染控制与治理科技重大专项柳州水专项特殊地质地貌城市高截污率雨污水管网建设、改造和优化运行关键技术研究与示范（项目编号：2008ZX07317-001）（3）纳米结构DSA电极研究与开发，黑龙江省杰出青年基金（JC-02-04)，2003-2004年，参加。（4）稀土掺杂SnO2/Sb电极氧空位形成机制及对电催化特性的影响，国家自然科学基金(50278022)，2003-2005年，参加。以第一作者发表与本课题相关论文多篇，其中1篇SCI收录，7篇EI收录。指导教师对本项目的支持情况（含经费、设备、场地、时间等）项目实施有充足的项目经费作保证，有相关的实验室作为项目开展的场所，环境学院教学实验中心、广西大学环境工程中心分析检测仪器完备，指导教师参与项目的指导时间有保证。项目组主要成员姓 名学号专业班级所在学院项目中的分工李英0704100518环境工程071环境学院负责人林义达0704100522环境工程071环境学院污泥成分分析王婷0704100519环境工程071环境学院实验数据采集韦正针0707100431计算机科学技术072班计算机也电子信息学院实验数据分析三、国、内外研究现状和发展动态污泥的共同特点是组分复杂，变异性大，水分含量高(通常在97-99%以上)，这无疑增加了很多处理上的困难，目前，污泥脱水已成为污泥处理及处置流程中一个非常重要的过程，通过减少污泥体积来节省后续运输、填埋、焚烧等的处理成本具有重大意义。而在污泥脱水中，污泥调理是很重要的一环。由于污泥颗粒的特殊絮体结构及高度亲水性，使其包含的水分很难被脱除，污泥调理可以改变其特性，增进污泥脱水性、杀菌和促进有机物的水解，从而减少操作上的困难。污泥调理依据调理机制可分成三类：(1)物理法:泛指通过外加能量或应力以改变污泥性质的方法，如冷冻融化处理、加热处理、超声波处理、高压处理等。(2)化学法:以加入化学药剂的方式改变污泥的特性，如改变酸碱值、改变离子强度、添加无机金属盐类絮凝剂或添加有机高分子絮凝剂、臭氧曝气等。(3)生物法:如好氧消化或厌氧消化；在这些过程中好氧或厌氧菌群利用废弃污泥中的碳、氮、磷等成分为生长基质，以达到污泥减量与破坏污泥高孔隙结构的目的。以上方法在实际中都有应用，但以化学调理为主，因化学调理方法操作简单，投资成本较低，调理效果较稳定，因此，是目前比较合理的方法。应用于污泥脱水的化学调理剂主要分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类。无机絮凝剂按金属盐可分为铝盐系及铁盐系两类；按阴离子可分为盐酸盐系和硫酸盐系；按分子量可分为普通无机盐和高分子系两大类。近年来，有机絮凝剂开始取代无机絮凝剂应用于污泥脱水和增稠过程。主要原因是由于无机絮凝剂用量很大，污泥脱水后体积增大，污泥中无机成分的比例提高，且易产生二次污染，增加了后续工艺的投资成本，降低了处理效率。同时，无机絮凝剂的应用条件比较苛刻，一般都有规定使用的pH值范围和离子强度范围，而且在水中的形态也较难确定，从而限制了它的使用。有机絮凝剂从1960年开始投入使用。随着聚合物工业的发展和污泥脱水设备的成熟，有机絮凝剂逐步占领了污泥脱水剂市场90%以上的份额。与无机絮凝剂结构、类型单一不同，有机絮凝剂可以分为许多不同类型的产品，这些产品具有不同的化学组成、有效官能团以及生产成本。此外，新的产品还在不断的研究开发中。将无机絮凝剂和有机絮凝剂的优缺点进行比较，得出了工业处理上一般选择有机絮凝剂的原因对于同一种污泥，达到同一处理效果，所需有机絮凝剂的用量比无机絮凝剂要少得多，无形中节约了成本；如果污泥最终处置方法采取焚烧法，使用有机絮凝剂不会降低污泥泥饼的燃烧热值；使用有机絮凝剂可以得到更高的固体回收率，在很多污泥处理设备中产生了高固体含量的泥饼。在污泥脱水常用的有机絮凝剂主要有天然高分子改性型和合成型两大类1。天然高分子改性型絮凝剂包括淀粉、纤维素、甲壳素、多糖类和蛋白质等类别的衍生物。制备方法主要是以天然高分子链为主链，运用各种聚合方法接枝上丙烯酰胺类物质，然后进行改性，引入阳离子基团。这类絮凝剂的研究开发为天然资源的利用和生产无毒絮凝剂开辟了新的途径，有利于原材料的充分利用，价格低廉、技术简单，可二次降解，产品絮凝性能好，是一种理想的污泥脱水剂。G.P.Karmakar和R.P.Singh2等利用铈离子单引发体系以直链淀粉为骨架，接枝上丙烯酰胺长链，并以赤铁矿矿石粉末为研究对象，进行了絮凝实验的研究，发现在低pH值下絮凝效果非常好。由于此类接枝共聚物的稳定性优于聚丙烯酰胺，所以在高剪切力条件下，此类物质的絮凝效率要明显优于聚丙烯酰胺类物质。Ziyun Cai和Huihua Yan3等公布了一种合成接枝阳离子/两性共聚物的方法，将高锰酸钾作为引发剂，以淀粉或微结晶的纤维素为骨架，将丙烯酰胺接枝在它们上面，也可以在聚合过程中加入一些添加剂。这种方法的优点在于原料易得，成本较低，合成工艺和反应条件比较简单。这种产品具有优良的絮凝效果，因此，也是一种非常好的污泥调理剂。Shaojie Lu和Songbai Lin4等利用复合引发体系硫酸铈-过硫酸钾作为引发剂，将丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵接枝共聚在淀粉分子上，实验证明这类物质作为造纸的添加剂效果很好。鲁红,冯大春5等采用分散聚合技术合成了三元共聚高分子物质,产物以微米级粒径悬浮于分散介质中，Faquan Zeng和Youqing Shen6等利用大分子由基聚合反应以丙烯酰胺链为骨架，将聚(2-二基胺)乙基丙烯酸甲酯侧链接枝其上，形成了梳状电解质，都取得较好效果。C.F. Lin等7进行了阳离子PAM、非离子PAM和阴离子PAM调理生物污泥的对比试验发现,最优剂量下,阳离子PAM调理后的污泥脱水性能较好。Buyukkamaci等8研究了石油工业产生的含油污泥的脱水特性。试验发现对于含油率和含固率分别为15 %和3.6 %的污泥,投加干污泥重的0.9 %的阳离子型聚合物,能取得很好的调理效果。对絮凝剂进行合理的复合使用，不仅可以降低污泥调理的综合费用，还可以发挥各种絮凝剂的优点，提高脱水性能。如无机絮凝剂和两性聚合物复合使用时，可先添加无机絮凝剂，通过电中和作用使污泥脱稳，然后加入两性高分子絮凝剂进行脱水，这样可以降低两性有机高分子絮凝剂的投加量，形成高强度的絮凝体；阳离子型聚合物和非离子型聚合物联合使用时，先加入阳离子型聚合物，使其吸附在污泥表面，形成初级絮体，再加入非离子型聚合物通过水的亲和力和范德华力，吸附在初级絮体上，形成更大的絮体9。Wang J.S.等10研究了非离子聚合物(T204)分别与FeCl3和CPAM的联合调理性能。试验结果显示，与单一的调理相比，复合调理能以较少的投药量获得更高的脱水能力，因为在复合调理中能形成尺寸较大、高强度的絮体。此外，过量的投药量导致污泥脱水性能恶化的趋势也并不明显。由于阳离子型、两性型絮凝剂都有较好的脱水效果，为了进一步降低投加量，提高絮凝性，可以采用两类絮凝剂联用的方法进行污泥脱水1。随着各种生物方法处理污水在世界范围内的大力推行，污泥处理与处置问题正日益成为国际环境问题。实践证明，不论污泥最终采取何种方法处置污泥的前处理都是一个必不可少非常重要的环节。但常用的无机混凝剂(如Fe3+)和有机高分子絮凝剂(如阳离子PAM)只能增加脱水速度，不能提高脱水程度，即只要给予足够长的脱水时间，加或不加混凝剂和絮凝剂得到的污泥泥饼的含固率是一样的。目前我国采用的化学调理剂主要是从日本和美国进口，自身研发的产品规格和效果与国外相比具有一定的差距。鉴于此，寻找能改变脱水程度、自主研发污泥调理药剂的研究具有重要的现实意义和应用价值。参考文献：1申迎华,王斌,王志忠.有机高分子絮凝剂在污泥脱水中的应用J.高分子材料科学与工程,2004,20(5):55-58.2G P Karmakar,R P Singh.Flocculation studies using amylase-grafted polyacrylamideJ.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and EngineeringAspects,1998,133:119-124.3 Ziyun Cai,Huihua Yan:USPatent,5990216,1999.4 ShaojieLu,Songbai Lin.Study on the synthesis and application of Starch-graft-Poly(AM-co-DADMAC)by using a complex initiation system of CS-KPSJ.Starch/Stake,2004,56:138-1435 鲁红,冯大春.季铵盐有机高分子絮凝剂的分散聚合及应用研究J.化学推进剂与高分子材料,2005,3(2):32-35.6 Faquan Zeng,Youqing Shen.Synthesis of combbranched Polyacrylami de with cationic poly(2-dimethylamino)ethyl methacrylate Dimethyl sulfateQuatJ.Journal ofpolymer science:Part A:Polymer Chemistry, 2002,40:2 394-2 405.7 C.F. Lin and Y. Shien. Sludge dewatering using centrifuge wit thermal/polymer conditioningJ. Water Sci. Technol., 2001，44 (10): 321-325.8 Buyukkamaci, N., Kucukselek, E. Improvement of dewaterin capacity of a petrochemical sludgeJ. J Hazard Mater, 2007，144 (1-2): 323-327.9 袁园,杨海真.污泥化学调理和机械脱水方面的研究进展J.上海环境科学,2003,22(7):499-503.10 Wang J.S., Liu J.C., Lee D.J. Dual conditioning of sludge utilizing polyampholyteJ. Journal of Environmental Engineeringasce, 2005, 131 (12): 1659-1666. 四、项目的创新点和特色创新点：首次提出以硅酸盐为原料制备开发新型污泥脱水用高效絮凝剂，解克服目前无机、有机絮凝剂能增加脱水速度，不能提高脱水程度的缺点。寻求高效实用的污泥脱水絮凝剂是一个重要的课题，本项目采用的原料硅酸盐来源丰富易得，制备的硅酸盐系絮凝剂尚未见报道，以其作为脱水剂使污泥脱水的单位成本降低，从而达到有效利用低成本资源治理环境污染，实现以废治废的目的，取得良好的经济效益和社会效益。五、预期成果和拟解决的关键问题预期成果：通过小试实验制备硅酸盐系絮凝剂，能有效改善污泥脱水效果，并能有进一步推广应用的实用价值。 拟解决的关键问题：实验方面：（1）污泥的物理化学结构特点及成分分析；（2）硅酸盐系絮凝剂的开发制备工艺与条件优化；（3）污泥沉降性能和过滤性能的分析检测方法及设备。人员经济方面：项目时间分配以及项目资金支持额度。六、项目研究进度安排第一阶段：实验准备阶段。小组成员收集资料，分工合作为实验做好充分的前期准备。第二阶段：实验阶段。小组成员在指导老师的带领下有步骤，有目的地进行，记录相关实验数据，并且认真分析，在思考中收获。第三阶段：实验数据集中处理阶段。小组成员在指导老师的带领下把实验中的相关数据进行集中处理为相关论文做准备。第四阶段：实验结论阶段。小组成员在指导老师的带领下把论文（或其他成果）展示出来。第五阶段：后期总结阶段。小组成员在指导老师的带领下把后期相关工作完成，补充实验数据。具体时间：2009.10-2009.12 通过实验分析出污泥的主要成分及物理化学结构特点，设计絮凝剂的功能结构、组成、配比；2010.01-2010.06 制备硅酸盐系絮凝剂，比较与常规絮凝剂的污泥脱水效果，主要考察其对污泥沉降性能和污泥过滤性能的影响效果；2010.07-2010.09 优化制备工艺条件，考察絮凝剂稳定性和实用性；2010.10-2011.12 总结实验，补充实验数据，完成论文。七、已有基础1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩申请人所在的研究组具有良好的学术和合作气氛，本项目依托广西大学环境学院环境材料课题组，该课题组成员在污泥建材化、硅酸盐材料开发应用方面具有丰富研制理论和实践经验，指导教师目前在国际和国内期刊上发表和投递论文10余篇，具有活跃的学术思维。研究组目前已建立起完