聚丙烯纺黏/机织复合土工布的制备及其污泥脱水性能

丁泽钊，王 超，王先锋,，俞建勇，丁 彬

(1.东华大学 纺织学院，上海 201620；2.东华大学 纺织科技创新中心，上海 200051)

0 引 言

工业化的快速发展产生了大量的水体底泥、工业污泥、市政污泥以及收集在围堵池中的粉煤灰泥浆等废弃污泥[1-3]。这些含有污染物和高含水率的污泥已经对生态环境造成严重污染。污泥脱水被视为污泥处置的关键步骤，经脱水固化至含水率低于80%的污泥既运输方便，也可用于制砖或其他资源化利用[4-5]。近年来，用土工布缝合制成的功能性土工管袋被广泛应用于污泥脱水。流体通过土工布的孔隙排出，但固体颗粒将被截留，达到脱水保土的效果[6-8]。从应用角度看，土工布首先应该具有较高的力学性能，如拉伸强度、撕裂强力和顶破强力等，以避免污泥充填和脱水过程中土工布发生破损[9-11]。其次是土工布渗透性能，如透水率Ψ，一些研究者发现污泥的保留效果随着Ψ的增大而增大[12-13]，另一些研究者认为过滤系统的脱水行为是由滤饼(污泥在土工布表面沉积形成的一层饼状物)的性质所决定的[14-15],污泥能否快速脱水，与土工布的渗透性能无关。因此很多研究聚焦在使用絮凝剂来改变污泥特性，进而加快污泥脱水的速度[16]。对于土工布的另一个水力学性能指标—有效孔径(O98或O95)在污泥脱水中扮演重要角色。例如，土工布的O98>425 μm时，污泥颗粒损失将大大增加，意味着土工布的颗粒保留能力失败[17]。当土工布有效孔径过小时，需要更大的充填压力将水排出，而过大的压力可能导致土工布的撕裂。BOURGS-GASTAUD等评估了8种不同有效孔径的非织造布对一种高含水率污泥(d90=22 μm，粒径<63 μm，占比高达94%)的脱水性能。结果发现，当使用O98约为222 μm的非织造土工布时，过滤效率仅剩47%，即颗粒过滤失败[18]。

土工管袋脱水法在污泥脱水领域具有极为广阔的前景，但是，现有的土工布材料时常无法同时满足高强度、高过滤和脱水效率等性能要求。因此，本文首先以PP长丝机织土工布(PPW)为基材，与作为面层的PP纺黏针刺土工布(PPN)针刺复合，PPW起到支撑和过滤的作用，复合PPN可提高颗粒的拦截效率。随后，改变针刺复合工艺参数制备了一系列PP复合土工布(PPN/PPW)，并分析针刺工艺参数对PPN/PPW力学和水力学性能的影响。最后，采用压力过滤实验和落差脱水实验以研究土工布对未絮凝污泥的脱水性能以及Ψ对污泥脱水的影响。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料 PP纺黏针刺土工布(面密度约为100 g/m2，天鼎丰聚丙烯材料技术有限公司) ；PP长丝机织布(面密度约为270 g/m2，宏祥新材料股份有限公司)；PPW和PPN各项性能的测试结果如表1所示。一级粉煤灰(d90为56.7 μm，94%的粒径小于69.61 μm，龙泽净水材料有限公司)。

表 1 PPN和PPW的各项性能

1.1.2 仪器 SU5000型扫描电子显微镜(日本日立株式会社)；YG(B)141G型织物厚度仪(大荣纺织仪器有限公司)；YG026MB-250型电子万能试验机(温州方圆仪器有限公司)；CMT-50型电子万能试验机(天津美特斯试验仪器厂)；CFP-1100AX型毛细管孔径分析仪(美国PMI公司)；YT020G型土工合成材料垂直渗透仪(上海际发仪器设备有限公司)。

1.2 聚丙烯复合土工布制备

按照PPW在下，PPN在上的叠合方式将PP长丝机织布(PPW)和PP纺黏土工布(PPN)喂入预针刺机，两者同时穿过针刺机网板。在针刺深度为10 mm不变的条件下，改变针刺密度(15、20、25、30和35 刺/cm2)制备5组不同针刺密度的PPN/PPW复合土工布，编号为CO-X，X为1～5，以探究针刺密度对PPN/PPW各项性能的影响。

1.3 表征及性能测试

1.3.1 形貌 使用SU5000型扫描电镜观察不同针刺密度下制备的PPN/PPW样品的表面形貌。

1.3.2 物理性能 面密度：参照ISO 9864—2005进行测试。从PPN和PPW上各裁剪5块相同大小(100 cm2)的试样，依次在ME204E天平上称其质量。

厚度：参照GB/T 13761.1—2009测试PPN和PPW的厚度。试验参数设置：压力为400 cN，压脚面积为2 000 mm2，加压时间为30 s。单个样品至少测试20次并取其平均值作为土工布的厚度。

1.3.3 力学性能 拉伸强度：参照GB/T 15788—2017测试试样的拉伸强度。土工布被裁剪成200 mm×140 mm的试样，且试样的上下两端被200 mm×20 mm的牛皮纸保护，避免应力集中造成试样在钳口处受损。每种样品在纵向和横向的拉伸强度分别测试6次。

剥离强力：参照FZ/T 60011—2016测试PPN/PPW的剥离强力。每种样品在纵向和横向的剥离强力分别测试10次并取平均值。

顶破强力：参照GB/T 14800—2010测试土工布的顶破强力。对于PPN/PPW的顶破测试，PPN作为测试面最先与顶压杆接触。每种样品的顶破强力测试5次并取平均值。

1.3.4 水力学性能 孔径特征：将土工布样品裁剪成半径为25 mm的圆形后，使用表面张力为2.01×10-2N/m的润湿液浸润20 min，随后样品被装入模具，依次测试湿曲线、干曲线。测试结束后根据ASTM D6767—20获得土工布样品的孔径分布曲线，从Caprep软件中获取土工布的O98，单个样品至少测试5次并取其平均值。

渗透性能：根据GB/T 15789—2016测试土工布的透水率。其中，流速根据水头差为50 mm时，一定时间内收集到的水的体积计算。单个样品测试5次并取其平均值。

1.3.5 污泥脱水实验 压力过滤试验：压滤过滤装置参照文献[19]制作。该装置由顶盖、过滤柱(内径70 mm，高度190 mm)和锥形底板组成。顶盖上还设置了污泥入口、气体入口、泄压阀和压力表，如图1所示。

图 1 压力过滤实验装置Fig.1 Apparatus of the pressure filtration test

在该实验中，干燥的粉煤灰首先被机械分散在水中，制备出体积为300 mL，含水率为882.35%的粉煤灰浆。随后，立即将分散好的300 mL粉煤灰浆倒入压力过滤装置中，同时施加34.5 kPa的压力。脱水过程中，滤出液被收集在下部烧杯中，采用电子天平每5 s记录一次滤出液的质量，当不再有水滤出时，实验结束。然后，评估滤饼固含量、颗粒透过率和流速等指标。根据式(1)、(2)分别计算滤饼固含量和颗粒透过率。最终的滤饼固含量和颗粒透过率，取3次实验的平均值。

Esp=(M1/M2)×100%

(1)

式中：Esp为压力过滤实验结束后滤饼的固含量，%；M1为滤饼干燥后的质量，g；M2为滤饼干燥前的质量，g。

Fpr=Mf/A

(2)

式中：Fpr为颗粒透过率，g/m2；Mf滤液中粉煤灰颗粒的质量，g；A为与粉煤灰浆接触的土工布面积，m2。

落差脱水实验：在不施加压力的前提下，使用与上述实验相同的装置。此外，配制并使用了体积为600 mL，含水率为400%的粉煤灰浆。

2 结果与分析

2.1 针刺密度对PPN/PPW性能的影响

2.1.1 表面形貌 图2为不同针刺密度条件下制备的PPN/PPW的SEM图片。可以清晰地看出，当针刺密度为15 刺/cm2时，从PPW背面伸出的纤维数量很少，见图2(a)。但随着针刺密度的增大，PPW背面伸出的纤维数量增多，见图2(b)～(d)。这是因为增大针刺密度，刺针作用于土工布单位面积上的数量增多，导致PPN中的长丝被刺针上的倒钩携带穿过PPW并最终被留在PPW的背面。

(a) 15 刺/cm2 (b) 20 刺/cm2

(c) 30 刺/cm2 (d) 35 刺/cm2图 2 不同针刺密度下复合土工布的SEM图像Fig.2 SEM images of composite geotextiles with different punch densities

2.1.2 力学性能 不同针刺密度条件下制备的PPN/PPW的纵、横向拉伸强度分析结果如图3所示。

当针刺密度从15 刺/cm2增大到20 刺/cm2时，纵、横向拉伸强度均有增长，这是由于PPN中纤维转移和缠结的程度增大。但是，当针刺密度从20 刺/cm2增大到30 刺/cm2时，刺针对PPN/PPW产生的纵向牵拉力增大，因此纵向拉伸强度缓慢降低。但是横向拉伸强度在20～30 刺/cm2时未见降低，一直呈明显的上升趋势。当针刺密度增大到35 刺/cm2时，纵、横向拉伸强度均表现出明显的下降，这是因为剧烈的针刺过程对PPW造成了损伤，可从图2(d)中看出PPW中纤维的抱合程度减弱且纤维出现了断裂。结合表1可见，复合以后PPN/PPW的纵横向强度有明显差别，这种现象可以解释为：PPN和PPW在复合时需要各自退卷并经导辊牵引至复合针刺机中。在牵引过程中，PPN中的长丝会因为牵引力的作用发生重排，即从横向重排至纵向，因此，复合后的PPN/PPW会出现纵向强度高于横向强度的现象。但是，所制备PPN/PPW的横向拉伸强度高达60 N/mm，能够满足脱水应用中对土工布强度的要求。

图 3 不同针刺密度下复合土工布的拉伸强度Fig.3 Tensile strength of composite geotextiles with different punch densities

尽管PPN/PPW的剥离强力无需过大，但过低的剥离强力可能导致土工布在缝制成土工管袋的过程中分离，因此需要对PPN/PPW的剥离强力进行测试。不同针刺密度下PPN/PPW的剥离强力分析结果如图4所示。

图 4 不同针刺密度下复合土工布的剥离强力Fig.4 Peeling strength of composite geotextiles with different punch densities

从图4可以看出，从15～35 刺/cm2，纵、横向剥离强力一直在快速增加，与15 刺/cm2相比，35 刺/cm2时纵、横向剥离强力分别增大了712.19%和381.41%。剥离PPN和PPW，必须将刺入PPW中的长丝纤维抽离出来，然而，随着针刺密度的增大，更多纤维束被刺针带出并留在了PPW的背面，因此剥离PPN/PPW所需的外力也越大。同时还可以看出，针刺密度与剥离强度近似于线性关系，因此对其进行线性拟合。纵、横向剥离强度与针刺密度间的经验公式分别为y1=0.261 7x-2.645 5，R2=0.94；y2=0.263 7x-2.944 4，R2=0.96。

PPN/PPW的顶破强力与针刺密度的关系如图5所示。从图5可以看出，在15～35 刺/cm2的针刺密度范围内，PPN/PPW的顶破强力区别不大，均在9 kN左右。由表1可知，PPN和PPW的顶破强力分别是(1.32±0.13) kN和(7.78±0.21) kN。若不进行针刺复合，双层土工布的理论顶破强力应为8.76～9.44 kN，可见所选用的针刺密度对顶破强力的影响不大。

图 5 不同针刺密度下复合土工布的顶破强力Fig.5 Puncture strength of composite geotextiles with different punch densities

2.1.3 水力学性能 图6所示为不同针刺密度下制备的PPN/PPW和PPW的孔径分布曲线。在孔径分布曲线中，曲线越偏左，表示被测样品的孔径越大。从图6可以看出，PPW的孔径分布曲线在纵坐标为80%时的横坐标为0.078 mm，意味着PPW中有80%的孔径小于78 μm，而孔径分布曲线最靠右的CO-5中孔径小于45 μm占比超过80%。说明了PPW与PPN复合之后，PPN/PPW的孔径进一步降低。此外，还可以看出，随着针刺密度的增大，PPN/PPW的孔径分布曲线没有明显区别。

图 6 不同针刺密度下复合土工布和单层机织布的孔径分布曲线Fig.6 Pore size distribution curve of simple woven and composite geotextiles with different punch densities

针刺密度对PPN/PPW的O98和Ψ的影响如图7所示。O98是孔径分布曲线上累积频率为98%时对应的有效孔径值，表示材料中有98%的孔径小于该值[20]。随着针刺密度的增大，从15～20 刺/cm2，PPN/PPW的O98有明显下降。当针刺密度超过25 刺/cm2，PPN中纤维的缠结程度增大，紧实度提高，密度变大，导致O98发生一定程度的下降，当针刺密度超过30 刺/cm2时，剧烈的针刺过程导致PPN中的长丝断裂，因此O98略微增大。Ψ随针刺密度增大而逐渐增大。这是因为PPN/PPW的Ψ由PPW主导，随着针刺密度的增大，作用于PPW单位面积上的刺针数量增多，进而增大了PPW的孔隙率，因此单位时间内水流更大，更易透过PPN/PPW。

图 7 不同针刺密度下复合土工布的O98和ΨFig.7 O98 and Ψ of composite geotextiles with different punch densities

2.2 脱水性能

2.2.1 压力过滤实验 依次将PPW和具有较低O98且较高Ψ的PPN/PPW作为过滤介质，并对粉煤灰浆实施压力过滤实验。使用2种土工布进行压力过滤实验后滤饼固体含量和颗粒透过率如表2所示。从表2可以看出，使用PPN/PPW作为过滤介质获得的滤饼固含量优于PPW。此外，将PPN与PPW复合后，颗粒透过率有所降低。这是因为，PPN/PPW具有更小的孔径，更多的粉煤灰颗粒被土工布截留。

表 2 滤饼固含量和颗粒透过率

图8为2种土工布的流速-时间曲线。由图8可见，CO-5的初始流速为3 250 g/(s·m2)，要高于PPW的1 543 g/(s·m2)，结合2种土工布的Ψ可以发现，在污泥脱水的初始阶段，土工布的Ψ决定了滤液流速的大小。更高的初始滤液流速允许土工布在短时间内排出大量的水，因此CO-5的脱水时间比PPW少了40 s。但是，随着实验时间的推移，流速迅速下降，流速下降的原因是粉煤灰颗粒依靠自身重力发生沉降且逐渐沉积在土工布的表面。25 s之后2种土工布的流速保持一致，表明25 s时滤饼基本形成。

图 8 不同土工布的流速与时间曲线Fig.8 Flow rate vs time curves with different geotextiles

2.2.2 落差脱水实验 由于压力过滤测试中脱水速度过快，175 s内即完成脱水，无法较好地评估滤饼形成的时间以及系统透水率(由土工布与粉煤灰浆组成的透水率，Ψs)随时间的变化。因此，进一步对PPW和CO-5进行落差脱水实验。图9为落差脱水实验过程中粉煤灰的沉降与水的脱除。可以看出，粉煤灰浆的脱水过程经历了悬浮—沉降—沉积—固结4个主要阶段。在脱水的最初阶段，粉煤灰颗粒悬浮在水溶液中，液面高度为11 cm，见图9(a)。随后，由于颗粒的自身重力，粉煤灰发生沉降，进而出现如图9(b)所示的颗粒与水分离。随着时间的推移，这些发生沉降的粉煤灰颗粒将逐步沉积在土工布表面。30 min时，滤饼基本形成，因为随着脱水的进行，滤饼的厚度几乎不发生变化，见图9(c)。脱水的最后阶段，滤饼上游的水尽可能地依次透过滤饼和土工布，因此水在脱除的同时滤饼发生固结，见图9(d)。

(a) 0 min (b) 6 min

(c) 30 min (d) 470 min图 9 粉煤灰浆的沉降与脱水过程Fig.9 Settling and dewatering process of fly ash slurry

图10显示了使用2种土工布时Ψs随时间的变化。从图10可以看出，脱水实验30 min后，2条Ψs-时间曲线几乎重合。说明在滤饼形成之后，Ψs由滤饼控制。2种土工布透水率的差异仅表现在脱水初期的不同Ψs。

图 10 Ψs与时间关系曲线Fig.10 Ψs vs time curve

3 结 论

1) 随着针刺密度的增大，PPN/PPW的纵向拉伸强度呈现先增大后减小的趋势，而横向拉伸强度在35 刺/cm2的针刺密度之前呈现稳定的上升趋势，但在35 刺/cm2时，由于机织布的损伤导致纵、横向拉伸强度均出现明显下降。

2) PPN/PPW的纵、横向剥离强力随着针刺密度的增大而线性增大。纵、横向剥离强力与针刺密度间的经验公式分别为y1=0.261 7x-2.645 5，R2=0.94；y2=0.263 7x-2.944 4，R2=0.96。然而，在所选用的针刺密度范围内，PPN/PPW的顶破强力几乎没有改变。

3) PPW与PPN复合之后，PPN/PPW的孔径进一步降低。但是，选用的针刺密度对PPN/PPW的O98影响较小。此外，随着针刺密度的增大，作用于PPW单位面积上的刺针数量增多，进而增大了PPW的孔隙率，因此PPN/PPW的Ψ随针刺密度的增大而逐渐增大。

4) PPN与PPW复合后降低了土工布的孔径，因此PPN/PPW的颗粒透过率要低于PPW。此外，初始滤液流速随着土工布透水率的增大而增大，选用高透水率的土工布可在短时间内脱除大量的水。但是，随着滤饼在土工布上的沉积，滤饼的性质将主导脱水系统的渗透性能。