有机聚合物絮凝剂对盾构泥脱水的评价：电荷特征、链结构与流变性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Evaluation of organic polymer flocculants on the dewatering of shield slurry: charge feature, chain architecture, and rheological property

　　摘要城市轨道交通建设中产生了大量盾构泥浆，脱水处理是资源利用的迫切需求。对两系列有机聚合物絮凝剂（包括聚丙烯酰胺（PAM）和淀粉基絮凝剂，具有不同的电荷特征和链结构）在盾构泥浆脱水中进行了评估和比较。对于三种商用线性 PAM 絮凝剂，即阳离子（CPAM）、阴离子（APAM）和非离子（NPAM），由于离子型 PAM 的水动力学尺寸更大，导致其更高效的桥接絮凝效应，两种离子型 PAM 表现出比 NPAM 更好的脱水性能。不同之处在于，无论是线性还是支链阴离子淀粉基絮凝剂几乎都没有脱水效果；然而，线性和支链阳离子淀粉基絮凝剂显示出相当好的脱水性能，特别是支链型（NPCG-1），甚至在某些方面优于这三种 PAM，具体而言，所得滤饼含水率和泥浆浊度可分别从 90.26% 和 195.33NTU 降低至 22.27% 和 3.00NTU；尽管这些淀粉基絮凝剂的水动力学尺寸要小得多。除了桥接絮凝效应外，阳离子絮凝剂的电荷中和对脱水起到了关键作用。NPCG-1 的支链结构进一步使 zeta 电位向零偏移，导致泥浆颗粒的静电不稳定，并通过沿接枝链排列和改善吸附位点，增强了吸附桥接絮凝。此外，NPCG-1 通常具有紧密且稳定的絮体特征，具有强的抗变形能力以及相对较低的泥浆粘度和较高的渗透性。因此，NPCG-1 由于其优异的脱水性能在实际应用中更具吸引力。引言盾构隧道技术已被广泛采用在城市轨道线路和隧道建设中，随着快速的经济发展和城市现代化驱动公共交通需求的激增 [1], [2]。支撑泥浆作为盾构隧道过程中压力平衡和渣土清运的关键介质，然而，一旦被土壤和岩石切削物污染，它就会恶化成废泥浆 [3]。盾构泥浆主要由无机粘土矿物和惰性岩石碎片组成 [4]。对盾构泥浆高效脱水的迫切需求不仅是为了防止环境污染，也是为了进一步的资源利用 [5]。机械脱水前的絮凝调理目前是一种广泛应用于盾构泥浆脱水的技术 [6]。然而，泥浆形成复杂的悬浮体系，并表现出典型的高固含量、剪切变稀和高屈服应力等非牛顿流体特性 [7]。这一特征从根本上将其与市政活性污泥区分开来，后者由有机生物质主导并具有相对简单的流变特性 [8], [9]。亲水性粘土矿物颗粒形成的致密网络结构是其独特流变特性的根本原因，导致大量结合水和间隙水被困在泥浆系统内且难以有效释放和去除 [10], [11]。然而，关于盾构泥浆流变特性与其絮凝脱水过程之间相关性的研究仍远不充分。混凝剂/絮凝剂在絮凝中起着关键作用，以提高泥浆脱水效率并实现固液分离 [12], [13], [14], [15]。目前，盾构泥浆最常用的混凝剂/絮凝剂是无机盐混凝剂和合成有机聚合物絮凝剂 [13], [15]。然而，这些传统产品由于残留金属离子或有毒单体，在实际应用中总是引发一些环境担忧 [14]。Gao 等人 [12] 比较了各种基于聚丙烯酰胺（PAM）的絮凝剂和聚合氯化铝（PAC）在处理含有带负电微米级硅铝酸盐矿物颗粒的废盾构泥浆中的性能。基于 PAM 的絮凝剂具有明显更高的脱水性能和更低的所需剂量，因此合成有机聚合物絮凝剂在泥浆脱水中更受欢迎 [12]。此外，阴离子 PAM（APAM）表现出优异的脱水效率，甚至高于阳离子 PAM（CPAM）[12]，这一发现也被 Li 等人的报告所证实 [13]。APAM 可以诱导有利的絮凝、沉降和脱水行为，在调理高粘土含量废泥浆时 [13]。然而，传统观点认为 CPAM 通常通过电荷中和和桥接絮凝效应在水中进行带负电胶体的絮凝表现出优异的性能，这已在市政活性污泥脱水中得到验证 [15], [16]。上述事实表明，目前关于盾构泥浆絮凝和脱水的研究仍不充分，且絮凝剂的结构因素（如电荷特征）应得到充分考虑和进一步评估 [17]。鉴于环境安全，开发既环境友好又表现出优异脱水性能的新型絮凝剂尤为重要。近年来，天然高分子材料，包括淀粉、甲壳素、纤维素和木质素，在环境修复领域制备各种功能材料方面获得了显著关注 [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]。天然聚合物可作为高效絮凝剂使用，但需经过适当的物理/化学改性，如接枝和醚化 [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]。这些改性不仅在主链上引入了各种离子基团，还形成了独特的链结构，如线性和支链结构，已证实对絮凝性能产生显著影响 [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]。淀粉是高性能多糖之一，是一种流行的天然聚合物，具有来源广泛、成本低和易于改性的特点 [28]。事实上，各种淀粉衍生物已被制备并作为絮凝剂应用于水处理 [22], [23], [29]。然而，关于淀粉基絮凝剂在泥浆脱水中应用的研究报告直到现在都很少，可能是由于其结构的多样性和复杂性。在本工作中，设计并合成了四种具有不同链结构和电荷特征的淀粉基絮凝剂，即线性阳离子（NPC-1）、线性阴离子（NPC-2）、支链阳离子（NPCG-1）和支链阴离子（NPCG-2）。以南京地铁十号线盾构施工二期工程产生的盾构泥浆为目标，因为南京的土壤地质是中国典型的。评估了这四种淀粉基絮凝剂的脱水性能，并与三种市售线性 PAM 进行了比较，即 APAM、CPAM 和非离子（NPAM），常用于盾构泥浆脱水。由于实际应用所需剂量高，无法尝试常用无机混凝剂 [12], [15], [22]。记录并研究了不同絮凝剂调理前后的滤饼含水率（FCMC）、过滤比阻（SRF）、毛细吸水时间（CST）和上清液浊度等具体参数。此外，还系统地分析了泥浆流变特性、絮体特性以及滤饼结构/形貌的变化。通过将上述表征与其表观脱水性能相结合，详细讨论和比较了不同有机聚合物絮凝剂的絮凝和脱水机制。本研究为高性能有机聚合物絮凝剂的开发提供了有价值的指导，以及为实现盾构泥浆处理和管理中的绿色、低碳和可持续技术。章节摘要有机聚合物絮凝剂本工作中使用的试剂和材料详情列在支持信息（SI）文本 S1 中。商用 APAM [重均分子量（MW）：14 MDa；离子取代度（ISD）：30%]、NPAM（MW：10 MDa；ISD：<5%）和 CPAM（MW：12 MDa；ISD：30%）均由东莞市开维环保材料有限公司提供。四种淀粉基絮凝剂（NPC-1、NPC-2、NPCG-1 和 NPCG-2）根据以前的报告在我们的实验室制备 [17], [22], [30], [31], [32]。盾构泥浆的物理化学性质在城市轨道交通建设中，产生了大量盾构泥浆（图 1a），由于资源利用的需要，迫切需要脱水处理。泥浆的物理化学性质直接决定其脱水性及最终资源利用效率 [40]。因此，在进行针对性处理之前，系统分析盾构泥浆的物理化学性质至关重要。图 1b 显示了粒径及其分布结论本研究重点关注两系列有机聚合物絮凝剂的性能和机制评估，包括商用 PAM 基和实验室制备的淀粉基絮凝剂，在盾构泥浆调理中。主要发现如下列所示，(1) 三种商用线性 PAM 可以有效捕获和聚集泥浆中的悬浮颗粒形成大絮体，并通过桥接絮凝效应显示出良好的脱水性能。然而，APAM 和 CPAM 表现出明显地CRediT 作者贡献声明Chunyuan Da：写作 – 审阅 & 编辑，调查。Dapeng Jiang：写作 – 原稿，调查，数据管理。Hu Yang：写作 – 审阅 & 编辑，验证，监督，项目管理，方法论，概念化。Hua Wei：写作 – 审阅 & 编辑，方法论，调查。竞争利益声明作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。Dapeng Jiang|Chunyuan Da|Hua Wei|Hu Yang环境污染控制与绿色资源循环国家重点实验室，南京大学环境学院，中国南京 210023