通过絮凝与加压电渗技术强化矿浆脱水

《Journal of Water Process Engineering》：Enhanced slurry dewatering through flocculation and pressurized electro-osmosis technology

　　

•絮凝与加压电渗技术可进一步增强浆液脱水效果。
•在测试的絮凝剂中，PAC和CTS表现出最优的脱水性能。
•由于阳极钝化、电阻变化以及土体固结，脱水速率逐渐衰减。
•间歇供电部分通过额外的焦耳热损耗增加了能耗。
•PAC絮凝配合连续供电在脱水效率与能耗之间达到最佳平衡。

引言
随着中国城市化快速发展，建筑桩基和地铁隧道等施工活动产生了大量建筑泥浆[1]。中国建筑泥浆年产量已超过3亿立方米，对废弃物可持续处理提出了严峻挑战[2][3]。此类浆液通常具有高含水率、低渗透性和强压缩性。传统脱水技术如自然晾晒和机械压滤面临效率低、周期长和泥饼含水率高的问题，难以满足减量和资源回收的处置要求[4]。因此，开发高效深度脱水技术——在降低含水率的同时保持经济可行性——已成为迫切需求。电渗脱水技术已被证明是废弃泥浆深度脱水的有效技术方案[5-11]。电场可作用于土壤颗粒周围的电双层，引起层内液体的位移。在粘性力的作用下，该位移驱动邻近液体流动，从而引起更多水分迁移[12]。然而，电渗仍面临裂缝产生、金属电极腐蚀、土-电极界面电阻增大、土体电渗系数降低以及能耗显著等问题，限制了该技术的应用[13-15]。这些局限性主要与电渗处理过程中导电通路恶化和不利的颗粒结构有关。

为改进高 clay 含量浆液的脱水效率并弥补单一脱水技术的局限性，联合脱水技术已成为研究热点[4][16-18]。在这些方法中，絮凝调理与加压电渗的结合提供了一种有前景的策略，因为它将颗粒特性改良与水迁移增强耦合在一起。絮凝调理促进颗粒团聚、增强导电性并改善排水通道，而机械压力和电场则为去除自由水和结合水提供强大的驱动力[19]。作为该联合过程的核心组成部分，加压电渗脱水技术运行参数的合理选择直接决定了脱水效果和能耗。先前的研究表明，施加压力、电压和供电模式对电渗效率和能耗有显著影响[20-28]。尽管更高的驱动力可以增强脱水效果，但过大的电能输入可能增加能耗并降低经济可行性。因此，优化运行参数对于在脱水性能和能效之间取得平衡至关重要。然而，絮凝诱导的特性改良与电渗行为之间的相互作用，特别是其对脱水效率、电性演化和能量利用的影响，仍不够清楚。

絮凝已被广泛用作各种固液分离技术中的预处理步骤。在膜过滤系统中，絮凝预处理可有效减少膜污染、提高膜通量并改善废水处理效率[29-32]。除该应用外，电渗脱水中的絮凝调理可在电场施加前改变浆液颗粒特性，从而可能影响后续脱水性能。因此，除了优化加压电渗运行参数外，絮凝预处理在后续脱水过程中的调控作用及其内在机制也需要系统研究。常用絮凝剂如聚合氯化铝（PAC）、壳聚糖（CTS）和阴离子聚丙烯酰胺（APAM）可通过电荷中和、吸附架桥和网捕卷扫作用促进颗粒团聚，从而增强各领域的固液分离[33-37]。对于加压电渗脱水技术，与絮凝预处理相结合可有效改善土体结构、降低滤饼比阻并增强电渗流量，从而提升过滤和电渗脱水效率[38-42]。然而，能耗也受絮凝剂类型和电渗流量变化的影响[43][44]。同时，絮凝剂用量对电渗脱水的影响较为复杂。过量添加絮凝剂可能因堵塞孔隙或引起浆液性质不利变化而恶化脱水性能，表明絮凝剂用量优化至关重要[13]。因此，尽管电渗和加压电渗脱水过程已被广泛研究，但絮凝调理与后续加压电渗脱水之间相互作用的内在机制仍不清楚。特别是絮凝剂在改良浆液导电性、孔隙结构和电渗传输行为方面的调控作用尚未完全阐明。此外，不同絮凝剂对联合过程脱水效率和能耗的影响尚未系统研究。深入开展适合与建筑浆液加压电渗脱水结合的絮凝调理方案研究，系统揭示絮凝剂对脱水过程的影响，并确定平衡能耗与脱水效率的参数方案，将促进该联合脱水技术的应用和推广。

虽然絮凝、机械压力和电渗各自都是成熟技术，但它们在建筑泥浆处理中的整合绝非简单的叠加过程。尽管絮凝与加压电渗脱水技术在建筑泥浆处理方面展现出巨大潜力，但其工艺参数的协同优化和关键影响机制仍不够清楚。因此，本研究旨在通过实验室模型试验，系统研究絮凝剂类型、用量和供电模式对浆液脱水效果、电学特性和能耗的影响。结合微观表征技术，阐明了与土壤物理化学变化和微观结构演化相关的脱水效率衰减的内在机制。研究结果可为工艺优化提供理论见解，促进高含水率建筑泥浆高效脱水策略的开发。

泥浆样品
本实验使用的泥浆由砂（2%）、粉土（20%）和膨润土（78%）混合制备而成。具体而言，砂和粉土采集自安徽省霍山县大别山，膨润土则来自美国Aquagel Gold Seal公司。所制备的土样的液限和塑限分别为236.25%和27.87%。基于土的液限，脱水处理的初始含水率设定为300%。

絮凝剂类型的影响
在絮凝调理期间，不同絮凝剂通过不同的物理化学机制促进颗粒团聚。PAC水解生成带正电荷的水解铝物种和无定形Al(OH)?沉淀，中和了粘土颗粒的表面负电荷并促进了网捕絮凝：
Al3? + 3H?O ? Al(OH)?↓ + 3H?
CaCl?解离为Ca2?离子，压缩了电双层并促进了颗粒团聚。相比之下，CTS...

结论
针对高粘土含量建筑泥浆的脱水难题，本研究系统开展了絮凝与加压电渗联合脱水实验，研究了关键参数对浆液脱水效率、电学特性和电能消耗的影响。根据结果得出以下结论：

絮凝与加压电渗过程可显著改善固液分离效果...

CRediT作者贡献声明
田燕：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，可视化，验证，方法论，调查，形式化分析，概念化。Abdou Latif IMOROU：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，方法论，概念化。Liming H.U.：撰写-审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。

资金来源
本研究由国家水科学和工程重点实验室（sklhse-KF-2025-D01，klhse-TD-2026-D01）、教育部河湖智能感知与生态修复重点实验室以及国家自然科学基金（51979144）资助。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

田燕|Abdou Latif IMOROU|Liming H.U.