烧结生物陶粒的配方设计及性能研究

烧结生物陶粒的配方设计及性能研究

这种配合是陶粒生产工艺的主要参数，直接影响着陶粒的质量。由于陶粒生产工艺复杂，影响粉煤灰陶粒质量的因素很多，试验设计存在一定的盲目性。均匀均匀设计是一种基于试验点在整个试验范围内均匀分布的试验设计方法，可以有效提高试验结果的代表性。在这项工作中，我们使用均匀设计方法设计了有限的配方方案，分析了不同组合的生物陶粒的比面和占地面积的影响，并确定了各主要因素和比例范围。1均匀配置原则1.1混料设计方法混料设计是日常生活和工业生产中经常遇到的一类问题.这类问题的试验指标与每种成分的含量有关,每种成分的比例必须是非负的并且在0～1变动,其总和必须等于1或者常数,即:各成分不能完全自由地变化,受到一定条件的约束.设某产品的原料组分有s种:M1,M2,…,Ms,它们在产品中的百分比为xi(i=1,2,…,s),y为试验指标,则混料问题的约束条件即混料条件为:xi≥0(i=1,2,⋯,s).(1)s∑i=1xi=x1+x2+⋯+xs=1.(2)xi≥0(i=1,2,⋯,s).(1)∑i=1sxi=x1+x2+⋯+xs=1.(2)其中xi(i=1,2,…,s)称为混料成分或混料分量,即混料试验中的试验因素.如果混料试验中混料成分只受(1)和(2)式的条件限制,则称这种混料问题称为“无限制的混料问题”.带限制的混料问题除了要满足(1)和(2)式条件约束外,还必须满足(3)式的要求,为0≤ai≤xi≤bi≤1‚(i=1,2,⋯,s).(3)0≤ai≤xi≤bi≤1‚(i=1,2,⋯,s).(3)要寻找最佳配方,需要做混料设计.混料设计方法主要有单纯形重心设计、单纯形格子点设计和轴设计等.但这些方法主要存在以下两个问题:(1)试验点在试验范围内分布不十分均匀;(2)在试验边界上有太多的试验点.为了克服这两个缺点,方开泰研究出了有限制的配方均匀设计.其思想是将混料设计的实验点均匀地分布在试验范围内.1.2组合参数计算(1)限制条件的确定.根据相关的专业知识背景选择适当的限制条件,即确定(3)式中的ai和bi.(2)确定试验次数n和因素个数s,一般情况下,n≥3s.从文中查到均匀设计表U*n(ns-1)或Un(ns-1),用qki记U*n(ns-1)或Un(ns-1)中的元素.(3)对i=1,…,(s-1),计算cki=2qki-12n‚(k=1‚2‚⋯‚ncki=2qki−12n‚(k=1‚2‚⋯‚n;i=1,2,…,s-1).(4)计算{xki=(1-c*1s-iki)∏i-1j=1c*1s-jki;ai≤xki≤bi,i=1,⋯‚s-1；k=1‚2‚⋯‚n.xks=∏s-1j=1c*1s-jkj；as≤xks≤bs‚k=1,2,⋯,n.(4)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪xki=(1−c*1s−iki)∏i−1j=1c*1s−jki;ai≤xki≤bi,i=1,⋯‚s−1；k=1‚2‚⋯‚n.xks=∏s−1j=1c*1s−jkj；as≤xks≤bs‚k=1,2,⋯,n.(4)整理式(3)与式(4),可以求得由{cki}所决定的区域,记这个区域为D.令R是包含D的最小矩形.如果在R中给出一个均匀设计,其中落在D中的点即视为在D上的一个均匀设计.若符合条件的试验点的个数满足试验的要求则均匀设计结束,否则重新选择更大的均匀设计表重复上述步骤,直到满足要求为止.这样便可获得符合要求的均匀设计方案.2生物陶粒综合试验方案2.1多粘土用量试验研究欲烧制出优质的陶粒产品,原料的化学成分必须满足一定的要求.同时尽最大可能减少粘土用量,通过综合考虑各种条件的约束,最后为4种原料选取了以下的变化范围进行试验研究.粉煤灰X1:0.50≤X1≤0.70,生物质X2:0.20≤X2≤0.40,添加剂X3:0≤X3≤0.10,粘土X4:0≤X4≤0.09.2.2基于进程ingity系统调度的设计考虑到试验条件的允许和精度的要求,采用DPS(DataProcessingSystem)数据处理系统进行设计优化后选取的设计见表1,其中心偏差CD=0.07869,修正偏差MD=0.09122,条件数C=1.0952.2.3比较方案的生成在表1和各个因素的约束条件的共同作用下,DPS数据处理系统有限制的混料均匀设计方案优化的配方方案见表2.3试验结果与分析3.1烧结陶粒性能测试结果进行了发泡剂系添加剂和石膏系添加剂两组实验,分别记为Ⅰ#和Ⅱ#.所得烧结陶粒性能测试结果见表3,测试方法见文,陶粒的工艺条件参见文.考虑作为生物陶粒的特点,在各项指标均满足要求的前提下,优先以比表面积、孔隙率两项性能作为产品优化标准.3.2最佳配比的确定及显著性分析均匀设计法的一个缺点是数据分析计算量大,需将试验数据输入DPS统计软件,运用回归分析,建立各个因素与试验结果之间的回归函数模型,然后对回归函数模型y=f(x1,x2,…,xn)中的y求极值,得到相应的x1,x2,…,xn值,即为最佳配比.参照文可知,二次多项式逐步回归模型是最恰当的回归函数模型,本文直接利用二次多项式逐步回归模型对以上试验数据进行回归分析,并对回归方程进行了显著性检验,见表4、5、6、7.(1)下标用量的确定在利用二次多项式逐步回归模型时,回归函数变量个数一般通过选择较大调整后的相关系数Ra来确定.而回归方程的主要有以下几个指标决定:①函数的方差分析F值的显著水平应小于等于0.05;②各个回归系数的偏相关系数的显著水平最好也小于等于0.05;③Durbin-Watson统计量是否接近于2.根据此原则求取比表面积SⅠ,SⅡ的回归方程见式5,6.下标Ⅰ为Ⅰ#添加剂,下标Ⅱ为Ⅱ#添加剂.SⅠ=107.42475-183.67382x1-380.50392x2-99.38990x24+673.19897x1x2.(5)SⅡ=177.44675-297.23057x1-604.34079x2+1035.96331x1x2.(6)从表4及表5可以看出,上面建立的回归方程有意义.优化得最优解:X*Ⅰ=(0.64620,0.31850,0.03136,0.00394),S*Ⅰ=6.31143;X*Ⅱ=(0.64688,0.32030,0.02090,0.01192),S*Ⅱ=6.35485.从回归方程可以看出,粉煤灰、生物质的添加量x1和x2是影响烧结陶粒比表面积的主要因素;且x1和x2具有交互作用,为正效应.在试验范围内,比表面积总体趋势随着x1和x2的增大而增大.坯料中有机质含量多时,在预热阶段不能全部分解,会使带入烧结阶段的剩余碳相应较多,从而导致膨胀气体的增多,最终造成陶粒表面开口气孔增多,使得比表面积增大.另外,在Ⅰ#试验中,添加剂x4对比表面积起着负效应的影响,随着x4的增多,比表面积减小.因此在保证成球工艺的前提下尽量减少添加剂用量可以提高陶粒产品的比表面积.(2)粉煤灰/生物质生物陶粒孔隙结构回归模型同理得孔隙率模型式(7)和式(8):PⅠ=-4086.8692+28145.1666x2-3637.8044x3-47356.7550x22-3081.4854x24+11741.9075x2x3.(7)PⅡ=-36.98027+2496.06680x23+549.39106x1x2+1622.45636x1x4-2853.96896x2x4.(8)从孔隙率回归方程的显著性检验及各项的偏相关系数显著性检验(表6、表7)可知,此回归模型有意义,可得其最优解为:X*Ⅰ=(0.64969,0.29770,0.00432,0.00375),P*Ⅰ=94.28%.X*Ⅱ=(0.64764,0.32030,0.01303,0.01903),P*Ⅱ=80.01%.粉煤灰/生物质生物陶粒的孔隙主要有两方面生成:一方面是配比中低着火点生物质烧失遗留孔隙,生物质起了造孔剂的作用;另一方面是粉煤灰中的碳酸盐类高温分解产生大量气体,引起发泡,产生孔隙.从回归方程上来看,各种成分均能影响陶粒的孔隙率.若生物质成分过多,粉煤灰成分则相应减少,生物质碳化后所形成的孔隙因缺乏足够的晶体结构支撑而塌陷,使得陶粒内部形成釉瓷,反而降低了陶粒的孔隙率.从孔隙率及比表面积回归方程的最优解可知:x2一般控制在32%为宜.3.3陶粒的选取和配比(1)最佳组分的确定.将比表面积回归方程求出的最佳各组分含量带入孔隙率回归方程,得到:ΡⅠ=76.54%<Ρ*Ⅰ=94.28%；ΡⅡ=79.49%<Ρ*Ⅱ=80.01%.将孔隙率回归方程求出的最佳各组分含量带入比表面积回归方程,得到:SⅠ=5.02<S*Ⅰ=6.31；SⅡ=6.28<S*Ⅱ=6.35.由回代结果可以看出:不能同时获得最大的比表面积和最大孔隙率.考虑到生物陶粒多用于污水处理中作为生物膜载体,其主要指标是强度、比表面积.强度保证能够承受自重和水流的冲刷,比表面积大的陶粒有利于微生物附着和代谢.因此在满足强度及孔隙率的前提下优先选取比表面积大的陶粒为目标陶粒.故确定最佳配比为:X*Ⅰ=(0.64620,0.31850,0.03136,0.00394);X*Ⅱ=(0.64688,0.32030,0.02090,0.01192).(2)最佳添加剂的确定.从文中可以看出,添加不同添加剂获得各个指标的回归方程也不同,导致最终最佳配比也不相同.由最佳配比的结果分析看:在最佳比表面积的条件下,PⅡ=79.49%>PⅠ=76.54%,更接近于最优孔隙率P*Ⅱ=80.01%;在最佳孔隙率的前提下,比表面积SⅡ=6.28>SⅠ=5.02,也更接近于S*Ⅱ=6.35.故石膏作为添加剂能更好的协调比表面积与孔隙率之间的矛盾,使二者都达到最优指标.同时本试验目的是最大限度利用粉煤灰,尽可能地降低粘土的加入量.综合寻优,Ⅱ#添加剂(石膏)相对于Ⅰ#(发泡剂)较为理想.(3)最佳配比的确定.由(1)和(2)可以得出,本实验所得到的最佳配方为:粉煤灰/生物质/石膏/粘土=0.64688/0.32030/0.02090/0.01192.4生物陶粒最佳配方的确定(1)应用配方均匀设计确定粉煤灰/生物质生物陶粒的配方简便可行,确定的最佳配方:粉煤灰为0.64688、生物质为0.32030、石膏为0.02090,粘土为0.01192.最佳配方下获得的陶粒实测比表面积为6.26m2/g,孔隙率为79.53%.(2)应用二次多项式逐步回归建立的比表面积回归方程为:S2=177.44675-29