丁澤釗，王 超，王先鋒,，俞建勇，丁 彬

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 紡織科技創(chuàng)新中心，上海 200051)

0 引 言

工業(yè)化的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量的水體底泥、工業(yè)污泥、市政污泥以及收集在圍堵池中的粉煤灰泥漿等廢棄污泥[1-3]。這些含有污染物和高含水率的污泥已經(jīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。污泥脫水被視為污泥處置的關(guān)鍵步驟，經(jīng)脫水固化至含水率低于80%的污泥既運(yùn)輸方便，也可用于制磚或其他資源化利用[4-5]。近年來，用土工布縫合制成的功能性土工管袋被廣泛應(yīng)用于污泥脫水。流體通過土工布的孔隙排出，但固體顆粒將被截留，達(dá)到脫水保土的效果[6-8]。從應(yīng)用角度看，土工布首先應(yīng)該具有較高的力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)力和頂破強(qiáng)力等，以避免污泥充填和脫水過程中土工布發(fā)生破損[9-11]。其次是土工布滲透性能，如透水率Ψ，一些研究者發(fā)現(xiàn)污泥的保留效果隨著Ψ的增大而增大[12-13]，另一些研究者認(rèn)為過濾系統(tǒng)的脫水行為是由濾餅(污泥在土工布表面沉積形成的一層餅狀物)的性質(zhì)所決定的[14-15],污泥能否快速脫水，與土工布的滲透性能無關(guān)。因此很多研究聚焦在使用絮凝劑來改變污泥特性，進(jìn)而加快污泥脫水的速度[16]。對(duì)于土工布的另一個(gè)水力學(xué)性能指標(biāo)—有效孔徑(O98或O95)在污泥脫水中扮演重要角色。例如，土工布的O98>425 μm時(shí)，污泥顆粒損失將大大增加，意味著土工布的顆粒保留能力失敗[17]。當(dāng)土工布有效孔徑過小時(shí)，需要更大的充填壓力將水排出，而過大的壓力可能導(dǎo)致土工布的撕裂。BOURGS-GASTAUD等評(píng)估了8種不同有效孔徑的非織造布對(duì)一種高含水率污泥(d90=22 μm，粒徑<63 μm，占比高達(dá)94%)的脫水性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用O98約為222 μm的非織造土工布時(shí)，過濾效率僅剩47%，即顆粒過濾失敗[18]。

土工管袋脫水法在污泥脫水領(lǐng)域具有極為廣闊的前景，但是，現(xiàn)有的土工布材料時(shí)常無法同時(shí)滿足高強(qiáng)度、高過濾和脫水效率等性能要求。因此，本文首先以PP長絲機(jī)織土工布(PPW)為基材，與作為面層的PP紡黏針刺土工布(PPN)針刺復(fù)合，PPW起到支撐和過濾的作用，復(fù)合PPN可提高顆粒的攔截效率。隨后，改變針刺復(fù)合工藝參數(shù)制備了一系列PP復(fù)合土工布(PPN/PPW)，并分析針刺工藝參數(shù)對(duì)PPN/PPW力學(xué)和水力學(xué)性能的影響。最后，采用壓力過濾實(shí)驗(yàn)和落差脫水實(shí)驗(yàn)以研究土工布對(duì)未絮凝污泥的脫水性能以及Ψ對(duì)污泥脫水的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 PP紡黏針刺土工布(面密度約為100 g/m2，天鼎豐聚丙烯材料技術(shù)有限公司) ；PP長絲機(jī)織布(面密度約為270 g/m2，宏祥新材料股份有限公司)；PPW和PPN各項(xiàng)性能的測試結(jié)果如表1所示。一級(jí)粉煤灰(d90為56.7 μm，94%的粒徑小于69.61 μm，龍澤凈水材料有限公司)。

表 1 PPN和PPW的各項(xiàng)性能

1.1.2 儀器 SU5000型掃描電子顯微鏡(日本日立株式會(huì)社)；YG(B)141G型織物厚度儀(大榮紡織儀器有限公司)；YG026MB-250型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(溫州方圓儀器有限公司)；CMT-50型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(天津美特斯試驗(yàn)儀器廠)；CFP-1100AX型毛細(xì)管孔徑分析儀(美國PMI公司)；YT020G型土工合成材料垂直滲透儀(上海際發(fā)儀器設(shè)備有限公司)。

1.2 聚丙烯復(fù)合土工布制備

按照PPW在下，PPN在上的疊合方式將PP長絲機(jī)織布(PPW)和PP紡黏土工布(PPN)喂入預(yù)針刺機(jī)，兩者同時(shí)穿過針刺機(jī)網(wǎng)板。在針刺深度為10 mm不變的條件下，改變針刺密度(15、20、25、30和35 刺/cm2)制備5組不同針刺密度的PPN/PPW復(fù)合土工布，編號(hào)為CO-X，X為1～5，以探究針刺密度對(duì)PPN/PPW各項(xiàng)性能的影響。

1.3 表征及性能測試

1.3.1 形貌 使用SU5000型掃描電鏡觀察不同針刺密度下制備的PPN/PPW樣品的表面形貌。

1.3.2 物理性能 面密度：參照ISO 9864—2005進(jìn)行測試。從PPN和PPW上各裁剪5塊相同大小(100 cm2)的試樣，依次在ME204E天平上稱其質(zhì)量。

厚度：參照GB/T 13761.1—2009測試PPN和PPW的厚度。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：壓力為400 cN，壓腳面積為2 000 mm2，加壓時(shí)間為30 s。單個(gè)樣品至少測試20次并取其平均值作為土工布的厚度。

1.3.3 力學(xué)性能 拉伸強(qiáng)度：參照GB/T 15788—2017測試試樣的拉伸強(qiáng)度。土工布被裁剪成200 mm×140 mm的試樣，且試樣的上下兩端被200 mm×20 mm的牛皮紙保護(hù)，避免應(yīng)力集中造成試樣在鉗口處受損。每種樣品在縱向和橫向的拉伸強(qiáng)度分別測試6次。

剝離強(qiáng)力：參照FZ/T 60011—2016測試PPN/PPW的剝離強(qiáng)力。每種樣品在縱向和橫向的剝離強(qiáng)力分別測試10次并取平均值。

頂破強(qiáng)力：參照GB/T 14800—2010測試土工布的頂破強(qiáng)力。對(duì)于PPN/PPW的頂破測試，PPN作為測試面最先與頂壓桿接觸。每種樣品的頂破強(qiáng)力測試5次并取平均值。

1.3.4 水力學(xué)性能 孔徑特征：將土工布樣品裁剪成半徑為25 mm的圓形后，使用表面張力為2.01×10-2N/m的潤濕液浸潤20 min，隨后樣品被裝入模具，依次測試濕曲線、干曲線。測試結(jié)束后根據(jù)ASTM D6767—20獲得土工布樣品的孔徑分布曲線，從Caprep軟件中獲取土工布的O98，單個(gè)樣品至少測試5次并取其平均值。

滲透性能：根據(jù)GB/T 15789—2016測試土工布的透水率。其中，流速根據(jù)水頭差為50 mm時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)收集到的水的體積計(jì)算。單個(gè)樣品測試5次并取其平均值。

1.3.5 污泥脫水實(shí)驗(yàn) 壓力過濾試驗(yàn)：壓濾過濾裝置參照文獻(xiàn)[19]制作。該裝置由頂蓋、過濾柱(內(nèi)徑70 mm，高度190 mm)和錐形底板組成。頂蓋上還設(shè)置了污泥入口、氣體入口、泄壓閥和壓力表，如圖1所示。

圖 1 壓力過濾實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Apparatus of the pressure filtration test

在該實(shí)驗(yàn)中，干燥的粉煤灰首先被機(jī)械分散在水中，制備出體積為300 mL，含水率為882.35%的粉煤灰漿。隨后，立即將分散好的300 mL粉煤灰漿倒入壓力過濾裝置中，同時(shí)施加34.5 kPa的壓力。脫水過程中，濾出液被收集在下部燒杯中，采用電子天平每5 s記錄一次濾出液的質(zhì)量，當(dāng)不再有水濾出時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。然后，評(píng)估濾餅固含量、顆粒透過率和流速等指標(biāo)。根據(jù)式(1)、(2)分別計(jì)算濾餅固含量和顆粒透過率。最終的濾餅固含量和顆粒透過率，取3次實(shí)驗(yàn)的平均值。

Esp=(M1/M2)×100%

(1)

式中：Esp為壓力過濾實(shí)驗(yàn)結(jié)束后濾餅的固含量，%；M1為濾餅干燥后的質(zhì)量，g；M2為濾餅干燥前的質(zhì)量，g。

Fpr=Mf/A

(2)

式中：Fpr為顆粒透過率，g/m2；Mf濾液中粉煤灰顆粒的質(zhì)量，g；A為與粉煤灰漿接觸的土工布面積，m2。

落差脫水實(shí)驗(yàn)：在不施加壓力的前提下，使用與上述實(shí)驗(yàn)相同的裝置。此外，配制并使用了體積為600 mL，含水率為400%的粉煤灰漿。

2 結(jié)果與分析

2.1 針刺密度對(duì)PPN/PPW性能的影響

2.1.1 表面形貌 圖2為不同針刺密度條件下制備的PPN/PPW的SEM圖片?？梢郧逦乜闯?，當(dāng)針刺密度為15 刺/cm2時(shí)，從PPW背面伸出的纖維數(shù)量很少，見圖2(a)。但隨著針刺密度的增大，PPW背面伸出的纖維數(shù)量增多，見圖2(b)～(d)。這是因?yàn)樵龃筢槾堂芏?，刺針作用于土工布單位面積上的數(shù)量增多，導(dǎo)致PPN中的長絲被刺針上的倒鉤攜帶穿過PPW并最終被留在PPW的背面。

(a) 15 刺/cm2 (b) 20 刺/cm2

(c) 30 刺/cm2 (d) 35 刺/cm2圖 2 不同針刺密度下復(fù)合土工布的SEM圖像Fig.2 SEM images of composite geotextiles with different punch densities

2.1.2 力學(xué)性能 不同針刺密度條件下制備的PPN/PPW的縱、橫向拉伸強(qiáng)度分析結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)針刺密度從15 刺/cm2增大到20 刺/cm2時(shí)，縱、橫向拉伸強(qiáng)度均有增長，這是由于PPN中纖維轉(zhuǎn)移和纏結(jié)的程度增大。但是，當(dāng)針刺密度從20 刺/cm2增大到30 刺/cm2時(shí)，刺針對(duì)PPN/PPW產(chǎn)生的縱向牽拉力增大，因此縱向拉伸強(qiáng)度緩慢降低。但是橫向拉伸強(qiáng)度在20～30 刺/cm2時(shí)未見降低，一直呈明顯的上升趨勢。當(dāng)針刺密度增大到35 刺/cm2時(shí)，縱、橫向拉伸強(qiáng)度均表現(xiàn)出明顯的下降，這是因?yàn)閯×业尼槾踢^程對(duì)PPW造成了損傷，可從圖2(d)中看出PPW中纖維的抱合程度減弱且纖維出現(xiàn)了斷裂。結(jié)合表1可見，復(fù)合以后PPN/PPW的縱橫向強(qiáng)度有明顯差別，這種現(xiàn)象可以解釋為：PPN和PPW在復(fù)合時(shí)需要各自退卷并經(jīng)導(dǎo)輥牽引至復(fù)合針刺機(jī)中。在牽引過程中，PPN中的長絲會(huì)因?yàn)闋恳Φ淖饔冒l(fā)生重排，即從橫向重排至縱向，因此，復(fù)合后的PPN/PPW會(huì)出現(xiàn)縱向強(qiáng)度高于橫向強(qiáng)度的現(xiàn)象。但是，所制備PPN/PPW的橫向拉伸強(qiáng)度高達(dá)60 N/mm，能夠滿足脫水應(yīng)用中對(duì)土工布強(qiáng)度的要求。

圖 3 不同針刺密度下復(fù)合土工布的拉伸強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength of composite geotextiles with different punch densities

盡管PPN/PPW的剝離強(qiáng)力無需過大，但過低的剝離強(qiáng)力可能導(dǎo)致土工布在縫制成土工管袋的過程中分離，因此需要對(duì)PPN/PPW的剝離強(qiáng)力進(jìn)行測試。不同針刺密度下PPN/PPW的剝離強(qiáng)力分析結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同針刺密度下復(fù)合土工布的剝離強(qiáng)力Fig.4 Peeling strength of composite geotextiles with different punch densities

從圖4可以看出，從15～35 刺/cm2，縱、橫向剝離強(qiáng)力一直在快速增加，與15 刺/cm2相比，35 刺/cm2時(shí)縱、橫向剝離強(qiáng)力分別增大了712.19%和381.41%。剝離PPN和PPW，必須將刺入PPW中的長絲纖維抽離出來，然而，隨著針刺密度的增大，更多纖維束被刺針帶出并留在了PPW的背面，因此剝離PPN/PPW所需的外力也越大。同時(shí)還可以看出，針刺密度與剝離強(qiáng)度近似于線性關(guān)系，因此對(duì)其進(jìn)行線性擬合?？v、橫向剝離強(qiáng)度與針刺密度間的經(jīng)驗(yàn)公式分別為y1=0.261 7x-2.645 5，R2=0.94；y2=0.263 7x-2.944 4，R2=0.96。

PPN/PPW的頂破強(qiáng)力與針刺密度的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，在15～35 刺/cm2的針刺密度范圍內(nèi)，PPN/PPW的頂破強(qiáng)力區(qū)別不大，均在9 kN左右。由表1可知，PPN和PPW的頂破強(qiáng)力分別是(1.32±0.13) kN和(7.78±0.21) kN。若不進(jìn)行針刺復(fù)合，雙層土工布的理論頂破強(qiáng)力應(yīng)為8.76～9.44 kN，可見所選用的針刺密度對(duì)頂破強(qiáng)力的影響不大。

圖 5 不同針刺密度下復(fù)合土工布的頂破強(qiáng)力Fig.5 Puncture strength of composite geotextiles with different punch densities

2.1.3 水力學(xué)性能 圖6所示為不同針刺密度下制備的PPN/PPW和PPW的孔徑分布曲線。在孔徑分布曲線中，曲線越偏左，表示被測樣品的孔徑越大。從圖6可以看出，PPW的孔徑分布曲線在縱坐標(biāo)為80%時(shí)的橫坐標(biāo)為0.078 mm，意味著PPW中有80%的孔徑小于78 μm，而孔徑分布曲線最靠右的CO-5中孔徑小于45 μm占比超過80%。說明了PPW與PPN復(fù)合之后，PPN/PPW的孔徑進(jìn)一步降低。此外，還可以看出，隨著針刺密度的增大，PPN/PPW的孔徑分布曲線沒有明顯區(qū)別。

圖 6 不同針刺密度下復(fù)合土工布和單層機(jī)織布的孔徑分布曲線Fig.6 Pore size distribution curve of simple woven and composite geotextiles with different punch densities

針刺密度對(duì)PPN/PPW的O98和Ψ的影響如圖7所示。O98是孔徑分布曲線上累積頻率為98%時(shí)對(duì)應(yīng)的有效孔徑值，表示材料中有98%的孔徑小于該值[20]。隨著針刺密度的增大，從15～20 刺/cm2，PPN/PPW的O98有明顯下降。當(dāng)針刺密度超過25 刺/cm2，PPN中纖維的纏結(jié)程度增大，緊實(shí)度提高，密度變大，導(dǎo)致O98發(fā)生一定程度的下降，當(dāng)針刺密度超過30 刺/cm2時(shí)，劇烈的針刺過程導(dǎo)致PPN中的長絲斷裂，因此O98略微增大。Ψ隨針刺密度增大而逐漸增大。這是因?yàn)镻PN/PPW的Ψ由PPW主導(dǎo)，隨著針刺密度的增大，作用于PPW單位面積上的刺針數(shù)量增多，進(jìn)而增大了PPW的孔隙率，因此單位時(shí)間內(nèi)水流更大，更易透過PPN/PPW。

圖 7 不同針刺密度下復(fù)合土工布的O98和ΨFig.7 O98 and Ψ of composite geotextiles with different punch densities

2.2 脫水性能

2.2.1 壓力過濾實(shí)驗(yàn) 依次將PPW和具有較低O98且較高Ψ的PPN/PPW作為過濾介質(zhì)，并對(duì)粉煤灰漿實(shí)施壓力過濾實(shí)驗(yàn)。使用2種土工布進(jìn)行壓力過濾實(shí)驗(yàn)后濾餅固體含量和顆粒透過率如表2所示。從表2可以看出，使用PPN/PPW作為過濾介質(zhì)獲得的濾餅固含量優(yōu)于PPW。此外，將PPN與PPW復(fù)合后，顆粒透過率有所降低。這是因?yàn)?，PPN/PPW具有更小的孔徑，更多的粉煤灰顆粒被土工布截留。

表 2 濾餅固含量和顆粒透過率

圖8為2種土工布的流速-時(shí)間曲線。由圖8可見，CO-5的初始流速為3 250 g/(s·m2)，要高于PPW的1 543 g/(s·m2)，結(jié)合2種土工布的Ψ可以發(fā)現(xiàn)，在污泥脫水的初始階段，土工布的Ψ決定了濾液流速的大小。更高的初始濾液流速允許土工布在短時(shí)間內(nèi)排出大量的水，因此CO-5的脫水時(shí)間比PPW少了40 s。但是，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移，流速迅速下降，流速下降的原因是粉煤灰顆粒依靠自身重力發(fā)生沉降且逐漸沉積在土工布的表面。25 s之后2種土工布的流速保持一致，表明25 s時(shí)濾餅基本形成。

圖 8 不同土工布的流速與時(shí)間曲線Fig.8 Flow rate vs time curves with different geotextiles

2.2.2 落差脫水實(shí)驗(yàn) 由于壓力過濾測試中脫水速度過快，175 s內(nèi)即完成脫水，無法較好地評(píng)估濾餅形成的時(shí)間以及系統(tǒng)透水率(由土工布與粉煤灰漿組成的透水率，Ψs)隨時(shí)間的變化。因此，進(jìn)一步對(duì)PPW和CO-5進(jìn)行落差脫水實(shí)驗(yàn)。圖9為落差脫水實(shí)驗(yàn)過程中粉煤灰的沉降與水的脫除。可以看出，粉煤灰漿的脫水過程經(jīng)歷了懸浮—沉降—沉積—固結(jié)4個(gè)主要階段。在脫水的最初階段，粉煤灰顆粒懸浮在水溶液中，液面高度為11 cm，見圖9(a)。隨后，由于顆粒的自身重力，粉煤灰發(fā)生沉降，進(jìn)而出現(xiàn)如圖9(b)所示的顆粒與水分離。隨著時(shí)間的推移，這些發(fā)生沉降的粉煤灰顆粒將逐步沉積在土工布表面。30 min時(shí)，濾餅基本形成，因?yàn)殡S著脫水的進(jìn)行，濾餅的厚度幾乎不發(fā)生變化，見圖9(c)。脫水的最后階段，濾餅上游的水盡可能地依次透過濾餅和土工布，因此水在脫除的同時(shí)濾餅發(fā)生固結(jié)，見圖9(d)。

(a) 0 min (b) 6 min

(c) 30 min (d) 470 min圖 9 粉煤灰漿的沉降與脫水過程Fig.9 Settling and dewatering process of fly ash slurry

圖10顯示了使用2種土工布時(shí)Ψs隨時(shí)間的變化。從圖10可以看出，脫水實(shí)驗(yàn)30 min后，2條Ψs-時(shí)間曲線幾乎重合。說明在濾餅形成之后，Ψs由濾餅控制。2種土工布透水率的差異僅表現(xiàn)在脫水初期的不同Ψs。

圖 10 Ψs與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.10 Ψs vs time curve

3 結(jié) 論

1) 隨著針刺密度的增大，PPN/PPW的縱向拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而橫向拉伸強(qiáng)度在35 刺/cm2的針刺密度之前呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢，但在35 刺/cm2時(shí)，由于機(jī)織布的損傷導(dǎo)致縱、橫向拉伸強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯下降。

2) PPN/PPW的縱、橫向剝離強(qiáng)力隨著針刺密度的增大而線性增大?？v、橫向剝離強(qiáng)力與針刺密度間的經(jīng)驗(yàn)公式分別為y1=0.261 7x-2.645 5，R2=0.94；y2=0.263 7x-2.944 4，R2=0.96。然而，在所選用的針刺密度范圍內(nèi)，PPN/PPW的頂破強(qiáng)力幾乎沒有改變。

3) PPW與PPN復(fù)合之后，PPN/PPW的孔徑進(jìn)一步降低。但是，選用的針刺密度對(duì)PPN/PPW的O98影響較小。此外，隨著針刺密度的增大，作用于PPW單位面積上的刺針數(shù)量增多，進(jìn)而增大了PPW的孔隙率，因此PPN/PPW的Ψ隨針刺密度的增大而逐漸增大。

4) PPN與PPW復(fù)合后降低了土工布的孔徑，因此PPN/PPW的顆粒透過率要低于PPW。此外，初始濾液流速隨著土工布透水率的增大而增大，選用高透水率的土工布可在短時(shí)間內(nèi)脫除大量的水。但是，隨著濾餅在土工布上的沉積，濾餅的性質(zhì)將主導(dǎo)脫水系統(tǒng)的滲透性能。