一种测量污泥结合水含量的方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利说明书(10)申请公布号CN104155338A

(43)申请公布日2014.11.19(21)申请号CN201410441816.8(22)申请日2014.09.01(71)申请人北京石油化工学院地址102600北京市大兴区黄村清源北路19号(72)发明人周翠红凌鹰陈家庆曾萌杨长顺(74)专利代理机构北京凯特来知识产权代理有限公司代理人郑立明(51)Int.CI G01N25/20权利要求说明书说明书幅图(54)发明名称 一种测量污泥结合水含量的方法(57)摘要 本发明公开了一种测量污泥结合水含量的方法，属污泥含水指标表征领域。包括：测得模拟物料的不同类型水分的谱图特征；将污泥样品置于能改变温度的环境中，采用差示扫描量热仪测得所述污泥样品在形态转化时吸收或者释放的热量；对测得的所述热量进行热分析得到热分析图谱，计算所述热分析图谱中放热峰峰面积得到所述污泥样品的凝结热；利用所述凝结热计算得到所述污泥样品的结合水含量。该方法能准确测量污泥结合水含量。法律状态法律状态公告日法律状态信息法律状态

权利要求说明书1.一种测量污泥结合水含量的方法，其特征在于，包括：

测得模拟物料的不同类型水分的谱图特征；

将污泥样品置于能改变温度的环境中，采用差示扫描量热仪测得所述污泥样品在形态 转化时吸收或者释放的热量；

对测得的所述热量进行热分析得到热分析图谱，将所述热分析图谱与测得的所述模拟 物料的不同类型水分的谱图特征进行对比，并计算所述热分析图谱中放热峰峰面积得到所 述污泥样品的凝结热；

利用所述凝结热计算得到所述污泥样品的结合水含量。

2.根据权利要求1所述的一种测量污泥结合水含量的方法，其特征在于，所述将污 泥样品置于能改变温度的环境中，利用差示扫描量热仪测得所述污泥样品在形态转化时吸 收或者释放的热量为：

测量时的气氛为N₂气氛，气体流速为50mL/min，升或降温速率为2℃/min，将测量的 所述污泥样品先降至-80℃再回升至指定温度，测得所述污泥样品在形态转化时吸收或者 释放的热量。

3.根据权利要求1所述的一种测量污泥结合水含量的方法，其特征在于，所述测定 所述污泥样品的形态转化为水冰转化。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种测量污泥结合水含量的方法，其特征在于， 所述模拟物料为：土壤、牛奶、葡萄糖溶液、牛奶和葡萄糖混合溶液中一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种测量污泥结合水含量的方法，其特征在于，所述污泥样 品为脱水后的干泥和/或经不同微波功率调理后的污泥样品。

说明书<p>技术领域

本发明涉及污泥含水率测量领域，特别是涉及一种测量污泥结合水含量的方法。

背景技术

污泥是污水处理最终产物，是一种非均质体，主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、 胶体等组成，其成分非常复杂。污泥中所含水分可以分为四类：自由水、间隙水、表面水 和结合水。其中自由水不以任何形态与污泥附着或结合，约占污泥水分的70％，可用重力 分离；间隙水是污泥间因毛细管现象而保持的水，可用离心、真空等机械力使颗粒变形、 压缩而分离；表面水是通过氢键附着在胶体表面的水分子层，只有经过调理才能用机械方 式脱水去除；结合水指的是通过化学键与污泥紧密结合的水，约占污泥水分的4％。通过国 内外研究情况的调研，可知污泥非自由水的分布情况直接影响污泥脱水的难易程度，因此， 进行污泥脱水特性特别是水分分布的研究非常必要。

从污泥絮体所含有的各种水分不难看出，污泥中结合水的含量对于污泥脱水特性来说 也是一个重要指标，能够从水分分布的方面来表征污泥脱水的难易程度，从而达到表征污 泥脱水特性的目的。

结合水的表征方法有很多，常用的方法主要包括热干燥法、膨胀计法、热重-差热分 析法(TG-DTA)、抽滤法和水活度法等。但如何更方便、准确地测量污泥中结合水的含量是 需要解决的问题。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种能更方便准确测量污泥中结合水含 量的方法，解决现有方法测量结合水不方便或不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测量污泥结合水含量的方法，可先使用模拟物 料，得到不同类型水分的谱图特征与热量变化规律；

将污泥样品置于能改变温度的环境中，采用差示扫描量热仪测得所述污泥样品在形态 转化时吸收或者释放的热量；

对测得的所述热量进行热分析得到热分析图谱，将所述热分析图谱与测得的模拟物料 的不同类型水分的谱图特征进行对比，并计算所述热分析图谱中放热峰峰面积得到所述污 泥样品的凝结热；

利用所述凝结热计算得到所述污泥样品的结合水含量。

本发明的有益效果为：该方法对污泥样品产生的热效应能及时提供应有的补偿，使得 污泥样品与参比物之间呈无温差、无热交换状态，污泥样品升温速度始终跟随环境温度呈 线性升温，从而使测量灵敏度和精度大为提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附 图。

图1为本发明实施例提供的测量方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的测量方法测量的干燥后污泥的热分析图；

图3为本发明实施例提供的测量方法测量的污泥样品的热分析图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅 仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种测量污泥结合水含量的方法，可以准确测量污泥结合水的含 量，该方法如图1所示，包括以下步骤：

测得模拟物料的不同类型水分的谱图特征；

将污泥样品置于能改变温度的环境中，采用差示扫描量热仪DSC(可采用热流型DSC) 测得所述污泥样品在形态转化时吸收或者释放的热量；

利用测得的所述热量进行热分析得到热分析图谱，将所述热分析图谱与所述模拟物料 的不同类型水分的谱图特征进行对比，并计算所述热分析图谱中放热峰峰面积得到所述污 泥样品的凝结热；

利用所述凝结热计算得到所述污泥样品的结合水含量。

上述方法中，计算所述热分析图谱中放热峰峰面积得到所述污泥样品的凝结热，可按 下述公式(1)计算得到热分析图谱中放热峰峰面积：

<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为污泥样品的凝结热；q为每克污泥的放热(W/g)；β为降 温速率；T₁和T₂分别为峰两端的温度。

上述方法中，利用所述凝结热计算得到所述污泥样品的结合水含量，可按下述公式(2) 计算得到污泥样品的结合水含量：

<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为污泥含水率(％)；W_b为结合水含量(kg/kg

DS)；△H_FUS为污 泥样品的凝结热(J/g)。

上述方法中，采用差示扫描量热仪测得所述污泥样品在形态转化时吸收或者释放的热 量为：测量时的气氛为N₂气氛，气体流速为50mL/min，升或降温速率为2℃/min，将测量 的污泥样品先降至-80℃再回升至指定温度，测定污泥样品在形态转化时吸收或者释放的 热量。

上述方法中，模拟物料的不同类型水分的谱图特征采用差示扫描量热仪测得，主要是 为了得到不同类型水分是否出峰及出峰位置，只要有出峰都可计算凝结热，模拟物料为土 壤、牛奶、葡萄糖溶液中一种或几种。

上述方法中，污泥样品为脱水后的干泥和/或经不同微波功率调理后的污泥样品。

下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。

本发明实施例方法运用的是热流型DSC，DSC测量的是温度与热流的关系，此与污泥 样品内部的热转变相关，该方法先测得模拟物料的不同类型水分的谱图特征，将污泥样品 置于可控的环境中并改变温度，测定样品形态转化(水冰转化)时吸收或者释放的热量，直 接进行热分析，根据结合水在特定温度下不结冻的假定，且样品中形态转化时所释放的热 量与样品中自由水含量成正比。

具体步骤：

均匀污泥样品(可以直接取得)后取5mg至10mg左右的样品放入特定的铝制坩埚内， 盖上坩埚盖，用卷边压制器进行冲压制片即可。除气体外，固体、液态或粘稠状样品均可 用于测定。装样时应尽量使样品均匀、密实地分布于样品坩埚中，以提高传热效率，降低 热阻。

测量时的气氛为N₂气氛，气体流速为50mL/min，升温或降温速率为2℃/min，试样先 降至-80℃再回升至指定温度，以此观察记录试样的热流情况。

选取土壤进行模拟性DSC实验时，所取土壤测得含水率约为10％，将土样烘干后取样 测试，向所取土样中加入定量的水配制成含水率为20％、30％、40％、50％的土样分别进行测 试。

将纯牛奶和脱脂牛奶进行对比实验。纯牛奶成分为：蛋白质3.0％，脂肪3.6％，碳水 化合物4.5％，钠0.06％，钙0.1％，非脂乳固体≥8.1％。脱脂牛奶成分为：蛋白质3.0％， 碳水化合物5.1％，钠0.058％，食品添加剂。

用葡萄糖粉及纯水配制不同浓度的葡萄糖溶液，配制的葡萄糖溶液浓度为5％、10％、 20％、30％，并分别进行DSC测试。

将葡萄糖粉与纯牛奶按照质量比为1：3、1：4、1：5、1：6的比例进行样品配制， 然后进行DSC测试。

将脱水后含水率为86.05％的污泥进行渐进式的干燥，即在对污泥干燥过程中，当检测 到试样失去的水分占总试样的45％时停止干燥并取样测试，同样的方式在含水率为55％、 65％、75％时进行，所得DSC热分析图谱如图2干燥后污泥的热分析图。

图3为污泥的热分析图，试样分别表示的是，处理时间对应为30s、60s、120s、180s、 240s，经功率为600W的微波调理污泥的五个试样进行DSC热分析。将分析所得各个调理 条件下污泥的凝结热进行换算。将测试所得热分析图谱中放热峰峰面积积分，峰面积即为 该试样的凝结热，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为每克污泥的放热(W/g)；β为降温速率；T₁和T₂分别为峰两端的温度。换 算时纯水的凝结热为334.7J/g。结合水含量W_b如式(2)进行换算：

<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</