一種測量污泥結(jié)合水含量的方法

(19)中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利說明書(10)申請公布號CN104155338A

(43)申請公布日2014.11.19(21)申請?zhí)朇N201410441816.8(22)申請日2014.09.01(71)申請人北京石油化工學(xué)院地址102600北京市大興區(qū)黃村清源北路19號(72)發(fā)明人周翠紅凌鷹陳家慶曾萌楊長順(74)專利代理機構(gòu)北京凱特來知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司代理人鄭立明(51)Int.CI G01N25/20權(quán)利要求說明書說明書幅圖(54)發(fā)明名稱 一種測量污泥結(jié)合水含量的方法(57)摘要 本發(fā)明公開了一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，屬污泥含水指標表征領(lǐng)域。包括：測得模擬物料的不同類型水分的譜圖特征；將污泥樣品置于能改變溫度的環(huán)境中，采用差示掃描量熱儀測得所述污泥樣品在形態(tài)轉(zhuǎn)化時吸收或者釋放的熱量；對測得的所述熱量進行熱分析得到熱分析圖譜，計算所述熱分析圖譜中放熱峰峰面積得到所述污泥樣品的凝結(jié)熱；利用所述凝結(jié)熱計算得到所述污泥樣品的結(jié)合水含量。該方法能準確測量污泥結(jié)合水含量。法律狀態(tài)法律狀態(tài)公告日法律狀態(tài)信息法律狀態(tài)

權(quán)利要求說明書1.一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，其特征在于，包括：

測得模擬物料的不同類型水分的譜圖特征；

將污泥樣品置于能改變溫度的環(huán)境中，采用差示掃描量熱儀測得所述污泥樣品在形態(tài) 轉(zhuǎn)化時吸收或者釋放的熱量；

對測得的所述熱量進行熱分析得到熱分析圖譜，將所述熱分析圖譜與測得的所述模擬 物料的不同類型水分的譜圖特征進行對比，并計算所述熱分析圖譜中放熱峰峰面積得到所 述污泥樣品的凝結(jié)熱；

利用所述凝結(jié)熱計算得到所述污泥樣品的結(jié)合水含量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，其特征在于，所述將污 泥樣品置于能改變溫度的環(huán)境中，利用差示掃描量熱儀測得所述污泥樣品在形態(tài)轉(zhuǎn)化時吸 收或者釋放的熱量為：

測量時的氣氛為N₂氣氛，氣體流速為50mL/min，升或降溫速率為2℃/min，將測量的 所述污泥樣品先降至-80℃再回升至指定溫度，測得所述污泥樣品在形態(tài)轉(zhuǎn)化時吸收或者 釋放的熱量。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，其特征在于，所述測定 所述污泥樣品的形態(tài)轉(zhuǎn)化為水冰轉(zhuǎn)化。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，其特征在于， 所述模擬物料為：土壤、牛奶、葡萄糖溶液、牛奶和葡萄糖混合溶液中一種或幾種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，其特征在于，所述污泥樣 品為脫水后的干泥和/或經(jīng)不同微波功率調(diào)理后的污泥樣品。

說明書<p>技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及污泥含水率測量領(lǐng)域，特別是涉及一種測量污泥結(jié)合水含量的方法。

背景技術(shù)

污泥是污水處理最終產(chǎn)物，是一種非均質(zhì)體，主要由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、 膠體等組成，其成分非常復(fù)雜。污泥中所含水分可以分為四類：自由水、間隙水、表面水 和結(jié)合水。其中自由水不以任何形態(tài)與污泥附著或結(jié)合，約占污泥水分的70％，可用重力 分離；間隙水是污泥間因毛細管現(xiàn)象而保持的水，可用離心、真空等機械力使顆粒變形、 壓縮而分離；表面水是通過氫鍵附著在膠體表面的水分子層，只有經(jīng)過調(diào)理才能用機械方 式脫水去除；結(jié)合水指的是通過化學(xué)鍵與污泥緊密結(jié)合的水，約占污泥水分的4％。通過國 內(nèi)外研究情況的調(diào)研，可知污泥非自由水的分布情況直接影響污泥脫水的難易程度，因此， 進行污泥脫水特性特別是水分分布的研究非常必要。

從污泥絮體所含有的各種水分不難看出，污泥中結(jié)合水的含量對于污泥脫水特性來說 也是一個重要指標，能夠從水分分布的方面來表征污泥脫水的難易程度，從而達到表征污 泥脫水特性的目的。

結(jié)合水的表征方法有很多，常用的方法主要包括熱干燥法、膨脹計法、熱重-差熱分 析法(TG-DTA)、抽濾法和水活度法等。但如何更方便、準確地測量污泥中結(jié)合水的含量是 需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供一種能更方便準確測量污泥中結(jié)合水含 量的方法，解決現(xiàn)有方法測量結(jié)合水不方便或不準確的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，可先使用模擬物 料，得到不同類型水分的譜圖特征與熱量變化規(guī)律；

將污泥樣品置于能改變溫度的環(huán)境中，采用差示掃描量熱儀測得所述污泥樣品在形態(tài) 轉(zhuǎn)化時吸收或者釋放的熱量；

對測得的所述熱量進行熱分析得到熱分析圖譜，將所述熱分析圖譜與測得的模擬物料 的不同類型水分的譜圖特征進行對比，并計算所述熱分析圖譜中放熱峰峰面積得到所述污 泥樣品的凝結(jié)熱；

利用所述凝結(jié)熱計算得到所述污泥樣品的結(jié)合水含量。

本發(fā)明的有益效果為：該方法對污泥樣品產(chǎn)生的熱效應(yīng)能及時提供應(yīng)有的補償，使得 污泥樣品與參比物之間呈無溫差、無熱交換狀態(tài)，污泥樣品升溫速度始終跟隨環(huán)境溫度呈 線性升溫，從而使測量靈敏度和精度大為提高。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附 圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附 圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的測量方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的測量方法測量的干燥后污泥的熱分析圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的測量方法測量的污泥樣品的熱分析圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅 僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明實施例提供一種測量污泥結(jié)合水含量的方法，可以準確測量污泥結(jié)合水的含 量，該方法如圖1所示，包括以下步驟：

測得模擬物料的不同類型水分的譜圖特征；

將污泥樣品置于能改變溫度的環(huán)境中，采用差示掃描量熱儀DSC(可采用熱流型DSC) 測得所述污泥樣品在形態(tài)轉(zhuǎn)化時吸收或者釋放的熱量；

利用測得的所述熱量進行熱分析得到熱分析圖譜，將所述熱分析圖譜與所述模擬物料 的不同類型水分的譜圖特征進行對比，并計算所述熱分析圖譜中放熱峰峰面積得到所述污 泥樣品的凝結(jié)熱；

利用所述凝結(jié)熱計算得到所述污泥樣品的結(jié)合水含量。

上述方法中，計算所述熱分析圖譜中放熱峰峰面積得到所述污泥樣品的凝結(jié)熱，可按 下述公式(1)計算得到熱分析圖譜中放熱峰峰面積：

<maths><math><mrow><msub><mi>ΔH</mi><mi>FUS</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mo>∫</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></msubsup><mfrac><mi>q</mi><mi>β</mi></mfrac><mi>dT</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math></maths>

上述公式(1)中，△H_FUS為污泥樣品的凝結(jié)熱；q為每克污泥的放熱(W/g)；β為降 溫速率；T₁和T₂分別為峰兩端的溫度。

上述方法中，利用所述凝結(jié)熱計算得到所述污泥樣品的結(jié)合水含量，可按下述公式(2) 計算得到污泥樣品的結(jié)合水含量：

<maths><math><mrow><msub><mi>W</mi><mi>b</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ΔH</mi><mo>-</mo><msub><mi>ΔH</mi><mi>FUS</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>ω</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>ΔH</mi><mi>FUS</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msub><mi>ω</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math></maths>

上述公式(2)中，ω_s為污泥含水率(％)；W_b為結(jié)合水含量(kg/kg

DS)；△H_FUS為污 泥樣品的凝結(jié)熱(J/g)。

上述方法中，采用差示掃描量熱儀測得所述污泥樣品在形態(tài)轉(zhuǎn)化時吸收或者釋放的熱 量為：測量時的氣氛為N₂氣氛，氣體流速為50mL/min，升或降溫速率為2℃/min，將測量 的污泥樣品先降至-80℃再回升至指定溫度，測定污泥樣品在形態(tài)轉(zhuǎn)化時吸收或者釋放的 熱量。

上述方法中，模擬物料的不同類型水分的譜圖特征采用差示掃描量熱儀測得，主要是 為了得到不同類型水分是否出峰及出峰位置，只要有出峰都可計算凝結(jié)熱，模擬物料為土 壤、牛奶、葡萄糖溶液中一種或幾種。

上述方法中，污泥樣品為脫水后的干泥和/或經(jīng)不同微波功率調(diào)理后的污泥樣品。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的方法作進一步說明。

本發(fā)明實施例方法運用的是熱流型DSC，DSC測量的是溫度與熱流的關(guān)系，此與污泥 樣品內(nèi)部的熱轉(zhuǎn)變相關(guān)，該方法先測得模擬物料的不同類型水分的譜圖特征，將污泥樣品 置于可控的環(huán)境中并改變溫度，測定樣品形態(tài)轉(zhuǎn)化(水冰轉(zhuǎn)化)時吸收或者釋放的熱量，直 接進行熱分析，根據(jù)結(jié)合水在特定溫度下不結(jié)凍的假定，且樣品中形態(tài)轉(zhuǎn)化時所釋放的熱 量與樣品中自由水含量成正比。

具體步驟：

均勻污泥樣品(可以直接取得)后取5mg至10mg左右的樣品放入特定的鋁制坩堝內(nèi)， 蓋上坩堝蓋，用卷邊壓制器進行沖壓制片即可。除氣體外，固體、液態(tài)或粘稠狀樣品均可 用于測定。裝樣時應(yīng)盡量使樣品均勻、密實地分布于樣品坩堝中，以提高傳熱效率，降低 熱阻。

測量時的氣氛為N₂氣氛，氣體流速為50mL/min，升溫或降溫速率為2℃/min，試樣先 降至-80℃再回升至指定溫度，以此觀察記錄試樣的熱流情況。

選取土壤進行模擬性DSC實驗時，所取土壤測得含水率約為10％，將土樣烘干后取樣 測試，向所取土樣中加入定量的水配制成含水率為20％、30％、40％、50％的土樣分別進行測 試。

將純牛奶和脫脂牛奶進行對比實驗。純牛奶成分為：蛋白質(zhì)3.0％，脂肪3.6％，碳水 化合物4.5％，鈉0.06％，鈣0.1％，非脂乳固體≥8.1％。脫脂牛奶成分為：蛋白質(zhì)3.0％， 碳水化合物5.1％，鈉0.058％，食品添加劑。

用葡萄糖粉及純水配制不同濃度的葡萄糖溶液，配制的葡萄糖溶液濃度為5％、10％、 20％、30％，并分別進行DSC測試。

將葡萄糖粉與純牛奶按照質(zhì)量比為1：3、1：4、1：5、1：6的比例進行樣品配制， 然后進行DSC測試。

將脫水后含水率為86.05％的污泥進行漸進式的干燥，即在對污泥干燥過程中，當檢測 到試樣失去的水分占總試樣的45％時停止干燥并取樣測試，同樣的方式在含水率為55％、 65％、75％時進行，所得DSC熱分析圖譜如圖2干燥后污泥的熱分析圖。

圖3為污泥的熱分析圖，試樣分別表示的是，處理時間對應(yīng)為30s、60s、120s、180s、 240s，經(jīng)功率為600W的微波調(diào)理污泥的五個試樣進行DSC熱分析。將分析所得各個調(diào)理 條件下污泥的凝結(jié)熱進行換算。將測試所得熱分析圖譜中放熱峰峰面積積分，峰面積即為 該試樣的凝結(jié)熱，如式(1)：

<maths><math><mrow><msub><mi>ΔH</mi><mi>FUS</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mo>∫</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></msubsup><mfrac><mi>q</mi><mi>β</mi></mfrac><mi>dT</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math></maths>

上式中，q為每克污泥的放熱(W/g)；β為降溫速率；T₁和T₂分別為峰兩端的溫度。換 算時純水的凝結(jié)熱為334.7J/g。結(jié)合水含量W_b如式(2)進行換算：

<maths><math><mrow><msub><mi>W</mi><mi>b</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ΔH</mi><mo>-</mo><msub><mi>ΔH</mi><mi>FUS</