合理处置固体废物已经成为当前环境综合治理中一项重要的研究课题,其中,废水污泥的综合治理涉及市政、工业、农业等多个领域。废水污泥就其组分来看,主要由有机质和无机质组成,有机质一般为蛋白质、纤维素、半纤维素和木素等,无机质一般为碳酸钙、滑石粉和高岭土等。废水污泥具有含水率高、成分复杂、处理困难和产量较大等特点[1,2]。因为长期以来“重水轻泥”的传统意识和认知误区,人们只注重污水处理,而忽视了对污染性更为严重的污泥的有效处置并利用问题,相关理论和技术的研发工作相对滞后。废水污泥的资源化利用主要有农用[3,4,5,6]、能源回收[7,8]、建材制备[9,10,11,12,13]等。废水污泥在建材方面的资源化利用方式主要有生产黏土砖、陶瓷材料和建筑混凝土等,把废水污泥作为填料用于建筑涂料的制备相对于污泥制砖、制陶等方法,在经济性和实用性方面应该更具有实现产业化的优势。
已有的研究发现,以废水污泥制备建筑涂料的性能指标中,除透水性外均可满足GB/T 9755—2014《合成树脂乳液外墙涂料》的要求[14]。为此,本文拟通过优化调整相关原料组分和延长搅拌时间等方式对改善污泥涂料透水性的问题进行研究探讨。
1 实验部分
1.1 主要原料与仪器
废水污泥(pH=7.59,含水率为76.82%):陕西法门寺纸业有限公司;聚丙烯酸酯505胶乳(阴离子型,固含量为50%,黏度为1 000~2 000 mPa·s,pH=7.0~9.0):工业级,财臣建筑涂料有限公司;AKD施胶剂(固含量15%):工业级,南宁市宜华贸易有限公司;羧甲基纤维素钠(CMC)、乙二醇:分析纯,天津市大茂化学试剂厂;SPA-202消泡剂:工业级,上海同力科技发展有限公司;203流平剂(黏度为2 000 mPa·s,pH=7.0):工业级,武汉远程狮子山涂料厂;松香(密封材料):吉水县华康天然香料化工厂;切片石蜡(密封材料):上海华灵康复机械厂;众力高渗透型防水剂:工业级,增城市新塘盈智高科精细化工厂;超纯水:实验室自制;绢云母粉:工业级,上海臣启化工科技有限公司;C-40型石蜡乳液(固含量为42%,pH=7.0~9.0):工业级,佛山市南海永业纺织助剂有限公司;华时丽丙烯酸外墙漆:工业级,上海某涂料有限公司;无石棉水泥平板(符合JC/T 412.1—2006中NAF H V级要求,试板尺寸为200 mm×150 mm×4 mm,未涂漆试板在11~11.5 h内透水量可达4 mL):工业级,上海合力仪器设备有限公司。
KH-8700型超景深三维显微镜:HIROX 株式会社(日本);BGD1357型透水性试验装置:上海瞰翔仪器设备有限公司;BT-9300H型激光粒度分析仪:丹东市百特仪器有限公司。
1.2 实验过程
1.2.1 污泥预处理
由于新鲜污泥含水率较高,为方便贮存,对其晾晒风干后进行粉碎处理,进一步通过300目网筛进行筛分,取筛下物备用。
1.2.2 污泥涂料的制备
(1)浆料制备阶段:利用纯水配制CMC溶液,在1 800 r/min的搅拌转速下依次加入污泥、消泡剂、乙二醇并按实验需求加入定量防水剂和AKD施胶剂,搅拌混合时间为30 min。
(2)调漆阶段:填料浆料搅拌混合30 min后降低转速至800 r/min,向其中依次加入聚丙烯酸脂505胶乳、流平剂,并按实验需求加入定量石蜡乳液,继续搅拌15 min后得到污泥基建筑外墙涂料。
1.2.3 实验方法
污泥涂料基础配方如表1所示。
表1 污泥涂料基础配方Table 1 Basic formula of sludge coating |
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按表1配方制备的涂料透水性测试结果为9.3 h时透水量高达4.0 mL,不符合GB/T 9755—2014中透水性要求,但涂料性能可满足GB/T 9755—2014中除透水性外的全部指标要求,本文对污泥涂料透水性研究过程如下:
(1)分别在浆料制备阶段添加不同用量的防水剂或AKD和在涂料调漆阶段添加不同用量的石蜡乳液,将分别添加有不同用量防水剂、AKD和石蜡乳液的涂料按照HG/T 3344—2012《漆膜吸水率测定法》制样测试涂膜吸水率,利用吸水率侧面反映涂膜的透水性,获得涂膜吸水率最低时防水剂、AKD和石蜡乳液的最佳用量;
(2)在表1配方基础上按最佳用量添加防水剂、AKD和石蜡乳液等组分后按照GB/T 9755—2014测试污泥涂料透水性;
(3)改变调漆阶段的搅拌分散时间,通过测试污泥涂料透水性的变化,观察搅拌时间对涂料透水性的影响。
2 结果与讨论
2.1 不同防水组分用量对涂膜吸水率的影响
防水剂、AKD和石蜡乳液分别取不同用量各进行5组实验,每组实验的涂膜吸水率变化如图1所示。5组实验防水剂用量分别取3 g、4 g、5 g、6 g和7 g; AKD用量分别取0.394 2 g、0.788 4 g、1.182 6 g、1.576 8 g和1.971 0 g;石蜡乳液用量分别取1.182 6 g、1.576 8 g、1.971 0 g、2.365 2 g和2.759 4 g。
本研究所用防水剂具有高渗透性,施工后会渗入基材内部形成高分子防水膜,从而降低污泥涂膜的吸水率。防水剂浓度并非越高越好,作为渗透载体的水过少则会影响防水剂对基材的自主渗透能力,相对不同类型涂料需进行实验以确定防水剂的最佳用量。由图1可知,防水剂用量在3~4 g范围时,涂膜吸水率呈大幅降低趋势;防水剂用量在4~6 g范围时,涂膜吸水率呈上升趋势;防水剂用量在6~7 g范围时,涂膜吸水率略有降低,但依旧高于防水剂用量为4 g时的吸水率(20.45%)。因此,第2组实验中防水剂用量4 g为最佳用量。
AKD是利用工业级饱和脂肪酸合成的一种具有防水性的不饱和内酯,在造纸工业中通常被用作湿部添加剂赋予纸页斥水性[16]。由图1可知,AKD用量在0.394 2~0.788 4 g范围时,涂膜吸水率呈上升趋势;AKD用量继续上升时,涂膜吸水率呈缓慢下降趋势,在AKD用量为1.971 0 g时达到最低吸水率20.00%。虽然AKD在降低涂膜吸水率方面具有一定效果,但是在浆料制备阶段向涂料体系中加入AKD时,会引起絮聚现象,如图2所示,主要原因为AKD具有阳离子特性,与具有阴离子特性的CMC溶液产生絮聚沉淀现象,严重影响体系均一性,且涂刷后的涂膜会产生如图3所示的针孔涂膜弊病,综合考虑,AKD不适合作为防水组分应用于本涂料配方。
2.2 防水组分最佳用量下涂膜的透水性
在污泥涂料原配方的基础上添加防水剂4 g,石蜡乳液1.576 8 g,测试涂膜的透水性变化。
由表2可知,优化后的污泥涂料透水性实验24 h后,透水量3.3 mL,虽远高于GB/T 9755—2014中的透水性要求,但与原配方涂料相比,透水性已获得较高提升。
表2 配方优化后涂膜透水性测试结果Table 2 Optimized coating results for water permeability testing |
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2.3 搅拌时间对涂膜透水性的影响
涂料中添加防水剂和石蜡乳液后,延长调漆阶段的搅拌分散时间,研究搅拌时间对涂膜透水性的影响,并利用激光粒度分析仪检测污泥粒径在不同搅拌时间下的变化趋势。实验中调漆阶段的搅拌时间分别取20 min、30 min、40 min、50 min、60 min进行5组实验,不同搅拌时间下的涂膜透水性及污泥中位径如图4所示。
由图4可知,随着搅拌时间的延长,在机械力下污泥粒径不断减小,在搅拌40~60 min时污泥中位径降至较低水平且变化趋于平缓,稳定在6.92 μm左右,而涂膜透水量也在不断减少且最终稳定在2.4 mL左右。延长搅拌处理时间导致涂膜透水量降低的原因有两方面,主要原因为延长搅拌时间使得废水污泥在涂料体系中得到较好分散效果,利于形成均匀连续致密涂层从而提高涂膜抗透水性;次要原因为延长搅拌时间使得污泥颗粒粒径降低,而填料粒径对其所在的非牛顿型液相分散体的流变性及填料在分散体中的分散性均会产生重要影响,粒径的减小提高了污泥分散性,降低了涂膜孔隙度,使得涂膜表面更加密实,降低了透水量[17,18]。因此,延长调漆阶段的搅拌时间有助于降低涂膜透水性,且综合考虑成本问题,搅拌时间以40 min为宜,此时污泥涂料透水量为2.4 mL。
2.4 基料和绢云母粉对涂膜透水性的影响
聚丙烯酸酯505胶乳作为基料,主要影响涂膜硬度、气密性、耐水性、透水性和耐候性等,对涂料和涂膜性能起着决定性的作用。实验在添加防水剂、石蜡乳液和延长调漆时间的基础上,基料用量取18 g、21 g、24 g、27 g和30 g进行5组实验,每组实验涂膜透水量如图5所示。
绢云母粉作为一种径厚比较大的鳞片状体质颜料,具有一定弹性和机械强度,添加到涂料体系后在固化过程中受表面张力的作用定向形成上下平行的排列结构,可有效阻碍液体对涂层的渗透,提高涂料抗透水性。为进一步提高涂料的抗透水性,在添加最佳用量的防水剂、石蜡乳液、基料和延长调漆时间的基础上,引入另一防水组分——绢云母粉,且实验中云母粉用量取1 g、3 g、5 g、7 g和9 g进行5组实验,每组实验的透水量如图5所示。由图5可知,随着绢云母粉用量增加,涂膜透水量呈先降低后升高趋势,在用量为5 g时达最低透水量0.4 mL(24 h),已符合国家标准透水性要求且涂膜表面未出现大量孔洞,如图6(b)所示。由于具有活性羟基的绢云母粉与基料胶粘剂的结合性较好,使得涂膜柔韧性和机械强度得以改善和提高,进一步增强了涂膜的伸缩抵抗力,防止了涂膜因乳液表面张力的“撕扯”而引起的孔洞现象[19]。当绢云母粉用量大于5 g时,由于填料量过高造成基料不足以覆盖全部填料表面,使之未能形成连续致密涂层从而导致透水量升高。
将含有红色颜料的纯水同时滴在某市售建筑外墙涂料与污泥涂料制成的涂膜表面,水滴在污泥涂料表面数分钟内可保持水珠状,在市售涂料表面数秒钟后扩散呈扁平状,50 min后污泥涂膜表面残留部分红色水滴,而市售涂膜表面的红色水滴完全渗入涂膜中,如图6(d)所示。市售涂料透水性测试结果为0.9 h,透水量4.0 mL,未能达到国家相应标准,综上所述,本文中污泥涂料抗透水性达到标准要求。
2.5 污泥涂料表观形貌分析
实验过程中发现污泥涂料具有类似荷叶般的防水效果,水滴落在涂膜表面可长时间保持水珠状无明显渗透现象发生,本文对这一现象进行了初步探究,结果如图7所示。
荷叶疏水原因源于两方面:荷叶表面覆盖有低表面能蜡质物;荷叶表面有序分布大量乳突的特殊结构[20]。通过图7观察发现,荷叶表面乳突分布密集且较为均匀,乳突最高达28.5 μm,污泥涂料表面乳突状物参差不齐且非均匀分布,乳突最高达14.8 μm,某市售涂料表面较为平坦,无明显乳突存在,表面高度差约为14.3 μm。通过观察对比发现,污泥涂料表面形貌更接近于荷叶表面,污泥涂料中的基料充当了“低表面能蜡质物”的角色,乳突状物之间存在大量空气,当水落在污泥涂料表面时,在基料、乳突状结构、空气层及水的表面张力作用下,水滴与涂料表面接触角变大形成水珠状,有效防止渗透的发生。因此,污泥涂料具有了类荷叶般防水效果,从而使其具有较好的抗透水性。
3 结 语
(1)研究发现,防水剂、石蜡乳液、聚丙烯酸酯乳液和绢云母粉在涂料体系中最佳用量分别为3.03%(4 g)、1.19%(1.576 8 g)、22.70%(30 g)和3.79%(5 g)时,污泥涂料透水性为0.4 mL/24 h,达到GB/T 9755—2014中透水性要求。
(2)AKD乳液不适宜作为防水组分应用于所研究的涂料配方中。污泥涂料膜表面分布的类荷叶乳突状结构和延长调漆阶段搅拌时间至40 min均可有效提高涂料的抗透水性。
(3)污泥涂料具有类似荷叶般的防水效果,后续研究中可考虑复配适量含氟低表面能乳液,增强涂膜荷叶效应,进一步提高涂料的抗透水性。