基于正交試驗的泥漿絮凝因素分析

楊春英 張清林 馬洪波

摘要：泥漿與絮凝劑的作用受到膨潤土、Na₂CO₃、CMC、砂、重晶石等常用成份制約，采用正交試驗方法安排多因素多水平試驗，采用單因素分析及公示評分分析兩種方法闡述泥漿成份對絮凝效果的影響程度。提出了不同考察指標時絮凝劑的最優選型。結果表明若重點以分離出液體的清凈度和濾產率為考察指標時，選擇粘度較大的陰離子聚丙烯酰胺效果較好；砂對泥漿各項絮凝結果起積極作用，重晶石對控制水質清凈度起促進作用；膨潤土、Na₂CO₃是影響絮凝效果的兩個重要因素，CMC為第三因素。

關鍵詞：泥漿成份；絮凝；正交試驗

泥漿性質決定著其發揮作用的程度與優劣，例如在地下連續墻成槽施工全過程中泥漿需始終充滿槽段，保證開挖槽面的穩定、并起懸浮泥渣、冷卻切削機具的作用，泥漿的性質是地下連續墻成槽成功與否的關鍵，而決定泥漿性質的是材料及配比。工程上根據使用需求往往要配置不同成份的泥漿。工程結束后，產生的大量廢棄泥漿，目前認為行之有效的方法為絮凝固液分離。雖然絮凝處理泥漿的實驗方法已有報道：文獻研究了不同類型、不同分子量和不同加藥量對鉆孔粘土泥漿壓濾脫水性能的影響規律；文獻研究了復合絮凝劑對廢棄泥漿脫水性能的影響；文獻通過對鉆孔泥漿中添加陽離子聚丙烯酰胺，分析了泥漿pH值、粘度、Zeta電位在絮凝過程中隨時間的變化規律，但絮凝成因復雜，這些試驗和報道中并沒有研究到泥漿不同成份及試驗環境對絮凝效果的影響程度及規律。

泥漿與絮凝劑的作用受到內因（泥漿成份）主要為膨潤土、Na₂C0₃、CMC、砂、重晶石等常用組份。明確泥漿各組成成份對絮凝效果的影響規律將有助于快速確定絮凝劑種類及用量，提高工作效率，節約處理成本。

由于絮凝效果受多種因素制約，各種因素又有多種水平，如果對每個因素的每個水平都相互搭配進行全面試驗，需要做的試驗數量會非常龐大，這就要求選擇一種有效方法，在不影響試驗效果的前提下，盡可能地減少試驗次數。本文基于正交試驗理論開展研究，分析內因對泥漿絮凝效果的影響規律。試驗所用泥漿來源為根據工程經驗自配置泥漿，各泥漿成份差異為膨潤土、Na₂CO₃、CMC、砂、重晶石的含量不同，各組分均取兩位級；絮凝劑采用兩種陰離子聚丙烯酰胺，分別為PAM2530、PAM2540，兩者的區別在于粘度不同。

1正交試驗原則

1）根據效果指標評定主要因素與次要因素（通過位級指標計算、極差R大小比較及方差分析，分析絮凝的主要影響因素）。

2）分別列舉試驗的濾產率（絮凝后分離出的上清液體積減去絮凝劑用量之后與絮凝前試樣總體積的比值，值大者為佳）之和、分離出的固體含水率（值小者為佳）之和，及水質清凈度（采用觀察法，評分高者為佳），計算極差，并進行方差分析。

3）判別試驗結果，輔以公式評分法。對考察指標進行排隊評分，即根據考察指標的重要程度對各指標進行公式計算，例如z+Y-X等。

2泥漿絮凝內因試驗

查明除粘土以外的泥漿成份（膨潤土、Na₂CO₃、CMC、砂、重晶石）對效果的影響的程度，各因素均取兩位級，以正交表L₈（2⁷）來安排試驗。泥漿成份位級見表1，正交實驗方案見表2。

五個兩位級因素，絮凝劑種類為陰離子PAM，實驗溫度20℃，pH=7。

各試驗泥漿樣本均為500mL，其中試驗N-l至N-8使用絮凝劑陰離子PAM2530進行，N-9至N-12使用絮凝劑陰離子PAM2540進行。兩種絮凝劑的區別在于后者較前者粘度更高。

3試驗結果分析

3.1陰離子PAM2540與PAM2530比較

表3是各試驗結果數據。圖1～圖4分別是兩種絮凝劑的用量、水質清凈度、固體含水率、濾產率對比曲線圖。

除試驗N-7對應的泥漿兩種絮凝劑效果近似外，其他泥漿的分離出的水質清凈度，均為陰離子2540效果明顯優良。單獨以濾產率為考察指標，同樣為陰離子2540更勝一籌。

根據試驗含水率對比，可以確定陰離子2540對含CMC的泥漿絮凝效果優良。

因此，在工程應用中，若重點以分離出液體的清凈度和濾產率為考察指標時，選擇粘度較大的陰離子聚丙烯酰胺效果較好。

3.2內因結果分析

3.2.1單因素分析

各因素單獨分析結果見表4、表5，其中表4為極差分析值，表5為極差分析結果。

1）泥餅含水率分析。含水率值越高，則絮凝分離效果越差。根據試驗極差數據，膨潤土、Na₂CO₃、CMC中（Ⅰ-Ⅱ）為負值，表明這三種因素對對控制含水率起負作用，即含量越高，同樣的試驗條件下，絮凝分離出的泥餅含水率越高，效果越差；Na₂C0₃不同位級對應的含水率極差絕對值最大，表面其對絮凝效果影響最大，膨潤土次之，CMC相較于二者小。

砂、重晶石中（Ⅰ-Ⅱ）為正值，表明此兩種因素易于發育低含水率的泥漿固相物，前者相較于后者作用程度更深，即重晶石雖然不抑制絮凝發育，但促進作用也不明顯。

根據方差分析F檢驗結果，Na₂C0₃的F值26.1大于F_0.05（1，2）=18.51，為重要因素，其次為膨潤土。

因此，綜合極差、方差分析結果，以含水率為控制指標時，泥漿的各種成份中Na₂CO₃為重要因素，膨潤土次之。

2水質清凈度分析

與含水率相反，清凈值越高，表明分離出的液體更清澈，絮凝效果越好。膨潤土、Na₂CO₃中（i-ii）為正值，表明這兩種因素對控制水質清凈度起負作用，即膨潤土、Na₂CO₃含量越高，析出的液體越渾濁。Na₂CO₃不同位級對應的水質清凈度極差絕對值也為最大，因此同樣質量分數下，Na₂CO₃為影響絮凝水質效果的主要因素，膨潤土次之。

CMC、重晶石、砂三種因素的（i-ii）為負值，表明幾種成份對水質清凈起積極作用，但很微小。

根據方差分析，F檢驗中同樣為Na₂CO₃的F值39.38大于F_0.05（1，2）=18.51，為主要因素，膨潤土的F值15.38接近F_0.05（1，2），對清凈度也有較為重要的影響。

3濾產率分析

濾產率為分離出的液體體積與絮凝劑用量的差值與泥漿體積之比。濾產率越高，表明分離出的液體量越大，絮凝效果越好。根據極差分析，只有砂對提高濾產率起積極作用，其余各種成份均起抑制作用。CMC較重晶石影響略大，但均不是主要因素。

F檢驗結果表明，Na₂CO₃、膨潤土F值甚至大于F_0.01（1，2）=98.5，因此Na₂CO₃、膨潤土為主要因素，二者對濾產率的影響程度近似。

綜上所述，從整體出發，膨潤土、Na₂CO₃是影響絮凝效果的兩個重要因素，因為膨潤土對泥漿粘度影響大，Na₂CO₃影響pH值，使得作業環境呈堿性。

3.2.2公式評分分析濾產率（代號Z）及水質清凈度（代號Y）越高，絮凝效果越好；分離出的固體含水率（代號X）越低，絮凝效果越好，因此公式評分分析中采用公式：Z+Y-X進行綜合分析，極差值為正時，為負作用因素，極差絕對值高者為主要因素。公式評分極差分析結果見表6、方差分析見表7。

極差分析結果表明，同樣是砂對絮凝效果起積極作用；重晶石對水質清凈效果的積極促進作用，使得公式分析顯示其對綜合效果起促進作用。膨潤土、Na₂CO₃是影響絮凝效果的兩個重要因素，CMC為第三因素，但對試驗結果影響不大。

F檢驗結果同樣表明，Na₂CO₃F值接近F_0.01（1，2）=98.5，為第一重要因素，膨潤土F值大于F_0.05（1，2）=18.51，為第二重要因素。

4結論

若重點以分離出液體的清凈度和濾產率為考察指標時，選擇粘度較大的陰離子聚丙烯酰胺效果較好。使用陰離子聚丙烯酰胺2530處理泥漿，分離出的泥漿固體含水率更低，相較于陰離子聚丙烯酰胺2540，前者用量更少，更易于控制成本，因此，在工程應用時可優先選擇2530聚丙烯酰胺作為絮凝劑，待分離提取出上清液后，再使用2540聚丙烯酰胺進行水處理，提高水質清凈度。

砂對泥漿各項絮凝結果起積極作用，重晶石對控制水質清凈度起促進作用，膨潤土、Na₂CO₃是影響絮凝效果的兩個重要因素，CMC為第三因素。