阅读说明：本技术 一种利用含磷污泥制备的阻锈剂、制备方法及应用 (Rust inhibitor prepared from phosphorus-containing sludge, and preparation method and application thereof ) 是由 宋子健 刘晴阳 蒋林华 储洪强 张英杰 蔡焕春 徐娜 钟芳 徐文浩 刘浪 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用含磷污泥制备的阻锈剂、制备方法及应用。所述阻锈剂通过以下方法制备：(1)将污泥与水混合投入反应釜中,加入铁粉于常压下在20～60℃进行反应；(2)在反应釜中加入氢氧化钠调节pH值至10.5-13.5；(3)对反应釜中的产物进行固液分离；(4)使用分子筛对步骤(3)中制得的液体中有机磷化合物进行吸附分离,并使用110～150℃水蒸气洗脱分子筛中吸附的有机磷化合物,得到有机磷化合物悬浊液；(5)真空浓缩得到有机磷化合物,加入硝酸镨得到阻锈剂。本发明制备的阻锈剂实现了污水处理厂污泥资源化利用,同时有效提高了混凝土中钢筋的阻锈能力,进而提高了钢筋混凝土结构的使用寿命,易于推广和产业化,应用前景广阔。(The invention discloses a rust inhibitor prepared from phosphorus-containing sludge, a preparation method and application thereof. The rust inhibitor is prepared by the following method: (1) mixing sludge and water, putting the mixture into a reaction kettle, adding iron powder, and reacting at 20-60 ℃ under normal pressure; (2) adding sodium hydroxide into the reaction kettle to adjust the pH value to 10.5-13.5; (3) carrying out solid-liquid separation on the product in the reaction kettle; (4) adsorbing and separating the organic phosphorus compound in the liquid prepared in the step (3) by using a molecular sieve, and eluting the organic phosphorus compound adsorbed in the molecular sieve by using steam at the temperature of 110-150 ℃ to obtain an organic phosphorus compound suspension; (5) vacuum concentration is carried out to obtain an organic phosphorus compound, and praseodymium nitrate is added to obtain the rust inhibitor. The rust inhibitor prepared by the invention realizes resource utilization of sludge of a sewage treatment plant, effectively improves the rust inhibiting capability of the steel bar in the concrete, further prolongs the service life of the reinforced concrete structure, is easy to popularize and industrialize and has wide application prospect.)

一种利用含磷污泥制备的阻锈剂、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种阻锈剂，特别涉及一种利用含磷污泥制备的阻锈剂、制备方法及应用。

背景技术

污水中磷酸盐的主要来源为人类活动的***物、废弃物和工业废水。随着工农业生产的增加和人口的增多，污水中磷的含量也越来越高。污水处理厂对污水中磷的去除方法主要有物理法、化学法和生物法三大类。其中生物法是目前最为经济有效和常用的除磷方法，具有处理过程稳定可靠、效果好、成本低、操作管理方便等优点，被广泛的应用于污水除磷工艺中。其利用主要是聚磷菌将污水中溶解性含磷物质转化成富磷的生物固体然后沉淀到污泥中，故含磷污泥的有效回收利用也是是全世界面临的技术挑战。

污水处理厂污泥中的磷主要存在于有机磷化合物中，有机磷化合物的磷原子有空的d轨道，可与过渡金属形成离子键或共价键，且其形成的离子键或者共价键稳定性很高不易被破坏。钢筋的主要成分铁是过渡金属，有机磷化合物可以在钢筋表面形成一层稳定的络合物保护膜，从而保护钢筋免受离子、水或氧气的侵蚀，具有作为钢筋阻锈剂的潜质。目前建筑结构的安全性和耐久性越来越受重视，通常使用钢筋阻锈剂提高钢筋的耐久性和安全性。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种利用含磷污泥制备的阻锈剂，为污水处理厂的污泥提供了新的处置途径且能增加钢筋的抗锈蚀能力。本发明还提供了该阻锈剂的制备方法及应用。

技术方案：本发明所述的一种利用含磷污泥制备的阻锈剂，所述阻锈剂通过以下方法制备：

(1)将污泥与水混合投入反应釜中，加入铁粉于常压下在20～60℃进行反应；

(2)在反应釜中加入氢氧化钠调节pH值至10.5-13.5；

(3)对反应釜中的产物进行固液分离；

(4)使用分子筛对步骤(3)中制得的液体中有机磷化合物进行吸附分离，并使用110～150℃水蒸气洗脱分子筛中吸附的有机磷化合物，得到有机磷化合物悬浊液；

(5)将分离得到的有机磷化合物悬浊液进行真空浓缩得到有机磷化合物，加入硝酸镨得到阻锈剂。

步骤(1)中，污泥中总磷含量大于15g/kg。

优选地，步骤(1)中，加入铁粉于常压下在40℃进行反应。

优选地，步骤(1)中，污泥与水的质量比为1:1。

步骤(1)中，所述铁粉掺入量为铁粉：污泥的质量比为6-10g/kg。

步骤(2)中，使用的氢氧化钠为纯度90～99.5％的氢氧化钠粉末。

优选地，步骤(2)中，调节pH值至12.5。

步骤(3)中，固液分离的离心速度为1000～5000G。

优选的，步骤(3)中，使用5000g离心10分种对固液进行分离。

步骤(4)中，所述分子筛为钠X型分子筛，所述分子筛为直径1-3mm。

步骤(5)中，所述有机磷化合物与硝酸镨质量比为35-40:1。

本发明所述的一种利用含磷污泥制备阻锈剂的方法，包括以下步骤：

(S1)将污泥用水稀释后混合投入反应釜中，加入铁粉于常压下在20～60℃进行反应；

(S2)在反应釜中加入氢氧化钠调节pH值至10.5-13.5；

(S3)通过离心机以1000～5000G对反应釜中的产物进行固液分离；

(S4)使用钠X型分子筛对(S3)中制得的液体中有机磷化合物进行吸附分离，并使用110～150℃水蒸气洗脱钠X型分子筛中吸附的有机磷化合物，得到有机磷化合物悬浊液；

(S5)将分离得到的有机磷化合物悬浊液进行真空浓缩得到浓度较高的有机磷化合物，加入硝酸镨得到钢筋阻锈剂成品。

优选地，步骤(S4)中，所述水蒸气温度为120℃。

步骤(S5)中，所述有机磷化合物与硝酸镨质量比为35-40:1。

步骤(S1)中，所述污泥中总磷含量超过15g/kg，所述铁粉的掺入量为铁粉：污泥的质量比为6-10g/kg。

本发明还提供了所述的阻锈剂在钢筋防腐中的应用。

有益效果：(1)本发明采用污水处理厂含磷污泥(总磷含量超过15g/kg的污泥作为成品钢筋阻锈剂，减少环境污染，同时制成的钢筋阻锈剂成品有效提高了混凝土中钢筋的抗锈蚀能力，进而提高了钢筋混凝土结构的使用寿命；(2)本发明利用污水处理厂含磷污泥制备钢筋阻锈剂污水处理厂的污泥提供了新的处置途径；(3)本发明实现污水处理厂污泥资源化利用，减少环境污染，同时有效提高混凝土中钢筋的抗锈蚀能力。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明测试样品和对照样品自腐蚀电位Ecorr的测试结果；

图3为本发明测试样品和对照样品腐蚀电流密度i_corr的测试结果。

具体实施方式

一、原料来源

本实施中的原料的含磷污泥是将在污水处理厂经浓缩以及脱水的污泥搬运过来的，来自菏泽市第二污水处理厂，所述污泥中混合有有机物以及无机物的固体物和水，其中磷的含量为17.1g/kg。

二、钢筋阻锈剂的制备及应用

2.1钢筋阻锈剂的制备

S1：按重量计，将总磷含量为17.1g/kg污泥100份、100份水与1份铁粉混合投入反应釜中，加于常压下在40℃进行反应；

S2：在反应釜中加入纯度99.5％的氢氧化钠粉末调节pH至12.5；

S3：通过离心机以5000g离心10分种对反应釜中的产物进行固液分离；

S4：使用直径1-3mm的球形颗粒钠X型分子筛对S3中制得的液体中有机磷化合物进行吸附分离，并使用120℃水蒸气洗脱钠X型分子筛中吸附的有机磷化合物，得到的液体为有机磷化合物悬浊液。

S5：将分离得到的有机磷化合物悬浊液进行真空浓缩(水分蒸发完全)得到有机磷化合物，本实施例中制备的有机磷化合物为淡黄色粘稠状液态有机物，每40份有机磷化合物加入1份纯度99.5％硝酸镨得到钢筋阻锈剂成品，制备工艺如图1所示。

2.2钢筋阻锈剂的应用

将上述方法制得的利用含磷污泥生产的钢筋阻锈剂按照不同的添加量加入到混凝土模拟液中制得测试样品1、测试样品2和对照样品，对测试样品1、测试样品2和对照样品进行腐蚀性能测试，进而对不同添加量的阻锈剂对钢筋的阻锈性能进行评价，样品制备如下：

a、制备测试样品1

将Φ12mm的HPB235钢筋切成长度为5mm的短钢筋棒，并将短钢筋棒的柱状侧面用环氧树脂密封，以端面为工作面，用氧化铝金相砂纸逐级打磨至镜面；配制饱和氢氧化钙溶液，用磷酸和氢氧化钠溶液调节pH值至11.5；将磨成镜光的钢筋置入上述饱和氢氧化钙溶液中，从而制得混凝土模拟液；将上述方法制得的钢筋阻锈剂成品按3％(体积百分比)加入到混凝土模拟液的饱和氢氧化钙溶液中，制得测试样品1，将测试样品1密封，并进行腐蚀性能测试。

b、制备测试样品2

将Φ12mm的HPB235钢筋切成长度为5mm的短钢筋棒，并将短钢筋棒的柱状侧面用环氧树脂密封，以端面为工作面，用氧化铝金相砂纸逐级打磨至镜面；配制饱和氢氧化钙溶液，用磷酸和氢氧化钠溶液调节pH值至11.5；将磨成镜光的钢筋置入上述饱和氢氧化钙溶液中，从而制得混凝土模拟液；将上述方法制得的钢筋阻锈剂成品按1％(体积百分比)加入到凝土模拟液的饱和氢氧化钙溶液中，制得测试样品2，将测试样品2密封，并进行腐蚀性能测试。

c、制备对照样品

将Φ12mm的HPB235钢筋切成长度为5mm的短钢筋棒，并将短钢筋棒的柱状侧面用环氧树脂密封，以端面为工作面，用氧化铝金相砂纸逐级打磨至镜面；配制饱和氢氧化钙溶液，用磷酸和氢氧化钠溶液调节pH值至11.5；将磨成镜光的钢筋置入上述饱和氢氧化钙溶液中，从而制得混凝土模拟液；该混凝土模拟液中未加上述方法制得的钢筋阻锈剂，该样品作为对照样品，同样进行腐蚀性能测试。

采用PARSTAT2273电化学工作站，测试系统采用典型的三电极体系(即钢筋为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极)，对测试样品1、测试样品2和对照样品的自腐蚀电位、腐蚀电流密度进行测试，进而对不同添加量的阻锈剂对钢筋的阻锈性能进行评价，具体试验条件如下：

(1)自腐蚀电位Ecorr由PARSTAT 2273型电化学工作站PowerCorr模块中Ecorr vsTime标准模板来测试。

测试结果如图2。图2中三条曲线分别代表测试样品1、测试样品2和对照样品的钢筋自腐蚀电位Ecorr随Cl^-添加浓度变化趋势图，自腐蚀电位Ecorr是热力学上表征材料在特定介质中耐腐蚀性趋势的参数，Ecorr负向值越大，显示钢筋越易腐蚀，如图2所示，随着Cl^-浓度的增大，测试样品1、测试样品2和对照样品的钢筋自腐蚀电位E_corr均呈逐步降低的趋势，而测试样品1的钢筋自腐蚀电位E_corr比初始数值降低最少，自腐蚀电位E_corr负向值最小，测试样品2的钢筋自腐蚀电位E_corr负向值次之，对照样品的钢筋自腐蚀电位E_corr负向值最大，说明测试样品1钢筋的耐腐蚀性最强，测试样品1中3％利用含磷污泥制备的钢筋阻锈剂明显降低钢筋受Cl^-腐蚀的速率，测试样品2中1％利用含磷污泥制备的钢筋阻锈剂一定程度降低了钢筋受Cl^-腐蚀的速率，对照样品钢筋的耐腐蚀性最差。

(2)电化学阻抗谱是给电化学体系施加一个频率不同的小振幅的交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率的变化，或者阻抗的相位角随正弦波频率的变化，进而分析电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护等机理。本实验中电化学阻抗谱测试采用扰动幅度为10mV的正弦交流电压，测试的频率范围为10mHz～100KHz，使用ZSimpWin软件对所测数据进行拟合整理，计算得到腐蚀电流密度。

测试结果如图3。图3中三条曲线分别代表测试样品1、测试样品2和对照样品的钢筋的腐蚀电流密度i_corr随Cl^-添加浓度变化趋势图，腐蚀电流密度icorr越大，表示钢筋的腐蚀速度越快，如图3所示，随着Cl^-浓度的增大，测试样品1的钢筋腐蚀电流密度i_corr数值最小且数值无明显变化，说明测试样品1钢筋的腐蚀速率最低，钢筋的耐腐蚀性最强，测试样品1中3％利用含磷污泥制备的钢筋阻锈剂明显降低钢筋的腐蚀速率；随着Cl^-浓度的增大，测试样品2钢筋腐蚀电流密度i_corr数值变大，但测试样品2钢筋腐蚀电流密度仍然低于对照样品的钢筋腐蚀电流密度i_corr，可见测试样品2中1％利用含磷污泥制备的钢筋阻锈剂也一定程度降低了钢筋的腐蚀速率。

两组实验结果规律相同，可见向混凝土模拟液中分别加入3％和1％利用含磷污泥制备的钢筋阻锈剂明显提高了钢筋的耐腐蚀性，对钢筋具有很好的阻锈作用。

本发明利用其中富含有机磷化合物，能够吸附钢筋表面起到到抗氧化、抗腐蚀等有效作用，具有很好的作为钢筋阻锈剂原材料的化学成分基础。此方法实现了污水处理厂污泥资源化利用，减少环境污染，同时有效提高混凝土中钢筋的抗锈蚀能力。