污泥微波热解及其固体产物制备微晶玻璃的效能与机制

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1、博士学位论文污泥微波热解及其固体产物制备微晶玻璃的效能与机制MICROWAVEPYROLYSISOFSEWAGESLUDGEANDEFFICIENCYANDMECHANISMOFGLASS-CERAMICSPREPARATIONFROMSEWAGESLUDGEPYROLYSISRESIDUES吴迪哈尔滨工业大学2015年年年10月月月国内图书分类号：X705学校代码：10213国际图书分类号：628.3密级：公开工学博士学位论文污泥微波热解及其固体产物制备微晶玻璃的效能与机制博士研究生：吴迪导师：刘惠玲教授副导师：田禹教授申请学位：工学博士学科：环境科学与工程所在单位：市政环境工

2、程学院答辩日期：2015年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:X705U.D.C:628.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringMICROWAVEPYROLYSISOFSEWAGESLUDGEANDEFFICIENCYANDMECHANISMOFGLASS-CERAMICSPREPARATIONFROMSEWAGESLUDGEPYROLYSISRESIDUESCandidate：：：WuDiSupervisor：：：Prof.LiuHuilingAssociateSupervisor:Prof.T

3、ianYuAcademicDegreeAppliedfor：：：DoctorofEngineeringSpeciality：：：EnvironmentalEngineerAffiliation：：：SchoolofMuni.&Env.Engi.DateofDefence：：：October,2015Degree-Conferring-Institution：：：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要污泥微波热解具有重金属固化效果好以及产物适合资源化利用等特点。然而其中污泥热解固体产物（Sewagesludgepyrolysisresidues,SSPR）则

4、被填埋或作为吸附剂使用，前者没有实现废物的资源化，后者没有达到最终处置。本文利用响应曲面法获得了污泥热解固体产物适合材料化利用且污泥有机质转化率高的热解条件；并以微波做能源，利用污泥热解固体产物制备微晶玻璃，实现其高比例资源化利用；通过与传统法制备的微晶玻璃对比考察污泥热解固体产物制备微晶玻璃的效能与机制，揭示了微波对微晶玻璃性能和析晶的促进机理。文章分别考察了微波功率、污泥含水率以及吸波物质添加量对污泥热解及其固体产物的影响。微波功率、污泥含水率以及吸波物质添加量对污泥热解终温及污泥有机质转化率的影响较大。污泥有机质转化率随热解终温的升高而升高。污泥热解固体产物的产率及其中有机

5、物的百分含量均随污泥有机质转化率的升高而降低。为获得适合材料化利用的污泥热解固体产物，以污泥含水率、吸波物质添加量以及微波功率为影响因素，以污泥有机质转化率和污泥热解固体产物中固定碳的百分含量为响应值，采用响应曲面法对污泥热解条件进行优化，当污泥含水率为79.28%、吸波物质添加量为0.12g/g干污泥、微波功率为1909W时，污泥有机质转化率为77.38%，固体产物中固定碳的百分含量为12.68%。该条件下得到的污泥热解固体产物经微波辐射氧化后适合进一步材料化利用。根据污泥热解固体产物利用率以及CaO和SiO2引入量的不同，配制了四种CaO/SiO2比例的微晶玻璃原料。由于微晶

6、玻璃原料在微波作用下不能达到玻璃熔融所需的温度，设计制造了微波反应器成功制备微晶玻璃。反应器由三层刚玉坩埚形成一个双层结构，内填不同的吸波物质，外层填充物质为SiC:Al2O3=1:1，内层填充物质为SiC:Al2O3=9:1。在微晶玻璃熔制过程中，考察了CaO/SiO2对微晶玻璃析晶行为及性能的影响，当污泥热解固体产物利用率为80%、CaO/SiO2=0.33时，制得的微晶玻璃主晶相为钙长石和透辉石，晶粒大小均匀，排列紧密，密度和机械性能均优于其他CaO/SiO2的微晶玻璃。当CaO/SiO2=0.33时，分别利用微波法和传统法制备微晶玻璃。结果表明：微波法制备微晶玻璃大大减少

7、了基础玻璃熔制的时间，降低了热处理温度、减少了热处理时间，节约了能耗；微波法制备的微晶玻璃的理化性能优于传统法制备的微晶玻璃。为了探究微波辐射对微晶玻璃析晶及性能的促进机理，对微晶玻璃的析晶-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文行为和析晶机理进行了深入的研究。对微晶玻璃的动力学分析结果表明，微波法基础玻璃比传统法基础玻璃的析晶活化能Ea低76kJ/mol，微波辐射降低了基础玻璃析晶反应的活化能。微波法和传统法基础玻璃的析晶动力学常数k(Tp)分别为0.24和0.29，k(Tp)越小