技术领域
[0001] 本发明涉及渣土处理技术领域，特别涉及一种压电材料用于渣土筛分与降解污染物的方法。
相关背景技术
[0002] 在大城市的工程建设施工中，工程渣土以每年数十亿立方米计的体量产生，传统的处理方式一般为脱水干化后外运堆积填埋。工程渣土成分复杂，含有不同程度的重金属、溶盐、苯类和烃类有机物等。直接进行渣土场堆放也存在较大风险，易导致污染环境，对环境产生长期无法缓解的影响。其中，盾构渣土以每年数亿立方米计的体量产生。大量泡沫剂、膨润土、改性剂和水的掺入，使得废弃泥浆含水率高、力学性质差，难以处置。在土压盾构渣土中常见的有机污染物包括多环芳烃（PAHs）、苯系物、石油烃等。这些污染物可能来自施工过程中的油污、润滑剂泄漏或地层中的天然有机物。
[0003] 压电催化技术作为一种能够有效去除有机污染物的先进的技术，与传统的催化技术相比，可以充分将自然界的振动能量转化为化学能，能耗低且无污染，催化过程中生成活性物种能够有效分解污染物。现有专利技术中，已有一种复合压电催化材料在污泥脱水中的应用（CN111068659B），复合压电催化材料通过负载电催化剂，利用压电材料的剩余压电场去诱导电催化剂产生感应电场，从而提高污泥的脱水量；复合压电催化材料与助催化剂、凝聚剂和絮凝剂共同应用时，再辅以超声处理,经过压滤机压滤后，可提高污泥的脱水量，减少污泥的质量。
[0004] 但上述的渣土处理方式存在以下的技术问题：①废弃渣土传统处理方式没有对污染物进行处理，在上覆压力、降雨入渗等作用下，产生的渗滤液容易渗入到周边土体中，造成地下水污染和土体污染；
②已有的专利技术通过压电效应催促污泥微生物的细胞膜氧化、破裂，提高污泥脱水减量效率，没有进一步去除土内的有机污染物；
③每种处理方法孤立且效果单一，若多种方法直接结合则工序繁琐，处理时间、难度、成本都有所增加。
具体实施方式
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0020] 本发明提供一种压电材料用于渣土筛分与降解污染物的方法，主要应用于建筑工程处理废弃渣土之中，特别是针对高有机质含量的渣土，通过振动筛的激振力激发压电材料，驱动其本征自由载流子产生活性氧自由基降解有机污染物。
[0021] 具体的，如图1所示，本方法包括以下步骤：S1.压电材料选择：选择合适的压电材料作为涂料制备的原料，压电材料例如BaTiO3、MoS2、ZnO、Ag/BaTiO3、HPVDF/BTO‑OV等。其中Ag/BaTiO3、HPVDF/BTO‑OV为复合压电材料。
[0022] S2.涂层1制备：可用62 68%的压电材料、19 24%的聚丙烯酸乙烯酯(PVEA) 、6 8%~ ~ ~的碳化硅（SiC）、5 8%的碳纳米管(CNT) 通过超声波混合制成涂料。将制备好的压电材料涂~
料采用低成本涂料形式进行涂覆。涂层1需要具有柔韧性，并通过溶剂浇铸方法干燥，使其牢固粘附在金属表面上。其制备过程如下：
a) 准备溶液：将所需量的PVEA溶解在去离子水或乙醇中，搅拌至完全溶解，形成均匀的PVEA溶液。可以适当加热（约60℃）以加速溶解过程。
[0023] b) 分散碳纳米管(CNT)：将所需量的CNT加入PVEA溶液中，使用超声波处理器对混合物进行超声波处理，持续约30分钟，以确保CNT在溶液中均匀分散。超声波处理时要注意防止过热，可以间歇性处理，如处理5分钟，停2分钟。
[0024] c)加入碳化硅(SiC)：将所需量的SiC颗粒加入到含有CNT的PVEA溶液中，使用搅拌器或磁力搅拌器充分搅拌，直到SiC均匀分散在溶液中；碳化硅颗粒为微米级颗粒 (1µm 10~µm)。
[0025] d) 加入压电材料：将所需量的压电材料逐渐加入到含有CNT的PVEA溶液中，使用搅拌器或磁力搅拌器充分搅拌，直到压电材料均匀分散在溶液中。
[0026] e) 超声波处理：将上述混合物再次放入超声波处理器中，进行进一步的超声波处理，持续约30分钟。此步骤有助于提高压电材料、PVEA和CNT的均匀分散性和相互结合。
[0027] f) 调整粘度：根据需要，可以适量添加去离子水以调整涂料的粘度。缓慢加入去离子水，同时搅拌，直至涂料达到所需的粘度。
[0028] g) 去气泡：将制备好的涂料混合物静置，或使用真空脱气装置去除混合过程中产生的气泡。
[0029] h) 储存和使用：将制备好的涂料储存在密闭容器中，避免光照和空气接触。使用前可以再进行轻微搅拌以保证涂料的均匀性。
[0030] i) 使用超声波处理器时要注意防止液体过热，可以采取间歇处理的方法。
[0031] j) 涂料配制完成后，尽快使用，以防止储存过程中成分分离或沉降。
[0032] S3.筛网2结构设计：根据渣土颗粒4的大小，选择筛孔孔径小于渣土颗粒4的筛网2；多层筛网2均采用钢制筛网2，其孔径根据不同需求设置。对于大直径颗粒的渣土，建议筛孔孔径依次为20mm、10mm、5mm；用于振动筛脱水设备时，建议筛孔直径在20 120μm范围内。
~
[0033] 筛网2结构设计时，还包括制备压电材料缓释球体3，以夹在多层筛网2之间。压电材料缓释球体3可以根据需求选择使用，使用时，球体直径比筛网2孔径大3mm左右，同一框架上的两层筛网2中夹住固定缓释球体3，根据需求可固定4 8颗。~
[0034] 压电材料缓释球体3的制备过程包括：a) 准备溶液：将所需量的聚丙烯酸乙烯酯（25‑30%）溶解在乙醇中，搅拌至完全溶解，形成均匀的聚丙烯酸乙烯酯溶液。
[0035] b) 分散碳纳米管：将所需量的碳纳米管（3‑5%）加入聚丙烯酸乙烯酯溶液中，使用超声波处理器对混合物进行超声波处理，使碳纳米管在溶液中均匀分散。
[0036] c) 加入碳化硅：将所需量的碳化硅（SiC）颗粒（5‑10%）加入到含有CNT的聚丙烯酸乙烯酯溶液中。使用磁力搅拌器充分搅拌，直到SiC均匀分散在溶液中，形成增强材料的混合溶液。其中，混合溶液是指压电材料和碳纳米管、碳化硅等材料的混合溶液，增强材料是指碳纳米管和碳化硅等材料。
[0037] d) 加入压电材料：将所需量的压电材料BaTiO3（45‑60%）逐渐加入到含有碳纳米管的聚丙烯酸乙烯酯溶液中，充分搅拌，直到压电材料均匀分散在溶液中。
[0038] e) 超声波处理：将混合物再次放入超声波处理器中，进行进一步的超声波处理，使压电材料、聚丙烯酸乙烯酯、碳纳米管的分散均匀和相互结合。
[0039] f) 喷雾干燥：将制备好的压电材料和增强材料的混合溶液通过喷雾干燥机喷雾干燥，形成球形颗粒。调节喷雾干燥机的参数以控制颗粒的大小和形状。
[0040] g) 筛选：使用筛分设备对喷雾干燥得到的颗粒进行筛分，得到粒径均匀的球形压电材料。
[0041] h) 偶联剂处理：将筛分后的球形压电材料置于含有硅烷偶联剂（0.5‑1%）的溶液中，搅拌一定时间（如1小时），然后在烘箱中干燥，干燥后待用。改善压电材料与基体的结合，提高材料的机械性能和耐磨性。
[0042] 压电材料缓释球体3作用如下：压电材料缓释球体3同样可以降解有机污染物；在高振动环境下，通过压电材料缓释球体3的减振效果，保护筛网2免受过度应力，延长设备寿命；利用压电材料的振动特性，缓释球体3可以在筛网2表面产生微振动，有助于防止物料堵塞和积聚，保持筛网2的清洁。
[0043] S4.筛网2安装与调节：将筛框上组装成多层筛网2结构，并调节多层筛网2之间的间距；确保两层筛网2之间的间距可调节，并且可以拆卸，以便适应不同的筛分要求和维护需求。具体如下：a) 准备筛框：确保筛框干净，无残留物和污垢。
[0044] b) 安装下层筛网2：将孔径较大的下层筛网2放置在筛框底部，对齐筛框的边缘。使用插销固定筛网2的四角和边缘，插销应牢固插入筛框上的预留孔内，以确保筛网2平整紧固。
[0045] c) 安装上层筛网2：将孔径较小的上层筛网2放置在底层筛网2上，对齐筛框的边缘。使用插销固定上层筛网2的四角和边缘，确保插销紧固，以防止筛网2在使用过程中移动或松脱。
[0046] 同一个筛框内由上下两层筛网2构成，下面一层筛网2的孔径要比上面一层筛网2的孔径略微大一点。同一个筛框采用双层筛网2的作用：减少压电材料涂层1的磨损；增加了筛网2的结构稳定性，减少了筛网2在高频振动中的变形和损坏风险；固定压电材料缓释体。
[0047] 在实际应用中，可以由上到下摆放多个筛框，不同筛框的筛网2孔径从上到下递减，这样可以逐层筛出不同大小的颗粒。
[0048] d) 间距调节：调节上层筛网2与下层筛网2之间的间距并固定。上下两层筛网2的间距可以为3 8mm。~
[0049] e) 筛孔调节：根据需求更换筛网2，卸下插销，移除现有筛网2，选择合适孔径的新筛网2并按上述步骤重新安装。
[0050] f) 紧固度调节：检查筛网2是否紧固平整，如有松动，重新调整插销位置并确保插销牢固插入。
[0051] g) 平整度检查：确保筛网2无明显凸起或凹陷，使用工具轻轻敲打筛网2，使其平整。
[0052] h) 振动筛脱水设备固定使用：将安装有筛网2的筛框安装到振动筛设备上，确保筛网2在振动过程中稳定牢固。定期检查筛网2的紧固情况，如有松动及时调整插销。
[0053] S5.压电材料涂覆：将制备好的压电材料涂料均匀涂覆在多层筛网2的表，确保涂层1覆盖均匀且牢固，以保证激发效果和使用寿命。具体过程包括：a) 基材准备：清洁筛网2的金属基材表面，去除所有油脂、灰尘和其他污染物。可以使用乙醇或丙酮擦拭，确保表面清洁干燥。
[0054] b)涂料准备：如果涂料在储存过程中出现沉淀或分层，使用搅拌器进行轻微搅拌，使涂料均匀。
[0055] c) 涂覆：选择适当的涂覆工具（刷子、滚筒或喷枪）将涂料均匀地涂覆在金属基材表面。涂层1厚度可以根据应用需求进行调整，通常建议涂覆多层，每层干燥后再进行下一层的涂覆，以确保涂层1的均匀性和覆盖性。
[0056] d)干燥：涂覆完成后，将涂层1放置在干燥环境中，进行溶剂浇铸干燥。将涂覆好的金属基材放置在平板或流延机上，确保其水平放置，避免涂层1流淌和不均匀。干燥过程可以在室温下自然干燥，或在低温下烘干加速干燥，建议温度不超过60℃，以防止涂层1开裂或脱落。
[0057] e) 多层涂覆：如需多层涂覆，在每一层完全干燥后，重复涂覆和干燥过程。通常建议进行3 5层涂覆，以获得所需的涂层1厚度和性能。~
[0058] f) 固化：如需提高涂层1的附着力和耐久性，可以在最后一层涂覆干燥后进行低温固化处理。将涂覆好的基材放置在烘箱中，逐渐升温至60℃左右，保持1 2小时，然后自然~冷却。
[0059] S6.振动筛实施激振力：通过振动筛的激振力，以激发涂覆在筛网2上的压电材料，使压电材料产生本征自由载流子。这些自由载流子进一步产生活性氧自由基。具体过程包括：a) 振动筛的安装和准备：将涂覆有压电材料的筛网2安装在振动筛设备中。确保筛网2固定牢固，以便在振动过程中保持稳定。
[0060] b) 振动筛启动：启动振动筛设备，使其开始产生机械振动。这些振动将通过筛网2传递到涂覆在筛网2上的压电材料。
[0061] c) 机械应力传递：振动筛产生的机械应力作用在压电材料上，引起材料内部晶格的周期性变形。这种变形会导致压电材料内的电荷分布发生变化。
[0062] d) 电场产生：由于压电效应，压电材料在机械应力作用下会产生内部电场。此电场可以分离电子和空穴，形成自由载流子。
[0063] e) 自由载流子生成：压电材料内的电子被激发到导带，形成电子‑空穴对。电子和空穴在材料内部移动，形成本征自由载流子。
[0064] f) 自由载流子迁移：自由载流子（电子和空穴）在电场作用下迁移到材料表面。这些自由载流子具有高能量，能够与周围的分子或原子发生反应。
[0065] g) 活性氧自由基产生：自由载流子迁移到压电材料表面后，与空气中的氧分子反应，产生活性氧自由基（如超氧阴离子 OH 等）。这些自由基具有很高的化学活性，可以用于降解污染物或进行其他化学反应。
[0066] h) 持续反应：振动筛持续工作，保持机械振动，使压电材料持续产生自由载流子和活性氧自由基。通过调整振动筛的频率和强度，可以优化自由载流子的产生效率。
[0067] S7.高压喷淋装置辅助：在渣土筛分过程中，对筛网2进行高压喷淋，使用高压喷淋装置产生的机械力，进一步激发压电材料，增强其产生活性氧自由基的能力，从而提高有机污染物的降解效率。具体过程包括：a) 高压喷淋装置的安装和准备：将高压喷淋装置安装在振动筛的上方或侧面，使喷淋水流能够均匀覆盖涂覆有压电材料的筛网2。确保高压喷淋装置的喷嘴清洁无堵塞，水源充足并保持适当的水压。
[0068] b) 启动振动筛和高压喷淋装置：启动振动筛设备，使其产生机械振动，激发压电材料产生自由载流子。同时启动高压喷淋装置，喷射高压水流至涂覆有压电材料的筛网2上，高压水流对压电材料施加额外的机械力。
[0069] c) 高压水流的机械力作用：高压喷淋装置产生的水流冲击压电材料表面，产生瞬间的高机械应力，这种机械应力进一步增强了压电材料的压电效应，促使更多的自由载流子产生。
[0070] d) 自由载流子的增强生成：在振动筛的振动和高压喷淋水流的共同作用下，压电材料产生的自由载流子数量显著增加，自由载流子迁移到材料表面。
[0071] S8.脱水筛脱水干燥处理：将涂覆好压电材料的筛网2安装在脱水筛中，启动脱水筛设备，对经过振动筛处理的渣土进行脱水干燥处理，压电材料在振动作用下产生本征自由载流子，降解渣土中的有机污染物。
[0072] 有机污染物降解中，活性氧自由基作用于渣土中的有机污染物，将其分解为无害的小分子物质，实现渣土的净化和资源化利用。整个过程在确保筛分效率的同时，兼顾了环保和成本效益。
[0073] a) 压电材料产生的活性氧自由基与渣土中的有机污染物接触，发生氧化反应，将有机污染物分解为无害的小分子物质（如二氧化碳和水）。具体降解反应如下：羟基自由基（•OH）的氧化反应：
R‑H+•OH→R•+H2O
R•+O2→ROO•
ROO•+R‑H→ROOH+R•
超氧阴离子（O2‑）的氧化反应：
O2‑+R‑H→H2O2+R•
R•+O2→ROO•。
[0074] b) 振动筛和高压喷淋装置持续工作，确保不断有新的活性氧自由基生成，与有机污染物反应，持续降解有机污染物。脱水筛对经过振动筛处理的渣土进行脱水干燥处理。
[0075] c) 渣土在振动过程中，不断被筛分和翻动，增加有机污染物与活性氧自由基的接触面积，提高降解效率。
[0076] 通过上述步骤，本发明有效地实现了对渣土的筛分和有机污染物的降解，提供了一种高效、低成本的综合解决方案，既提高了渣土的利用率，又减少了环境污染。
[0077] 以下列举两个实施例具体说明本方法的应用过程。
[0078] 实施例一：
[0079] （1）设备和材料：振动筛设备：三层筛网2，提前进行喷砂处理，筛网2尺寸为20mm、10mm、5mm，用于粗筛和初步降解有机污染物。
[0080] 脱水筛设备：筛网2尺寸为50μm，用于进一步脱水和细筛。
[0081] 高压喷淋装置：喷淋压力为1MPa，产生高压水流辅助降解有机污染物。
[0082] 涂覆有压电材料的筛网2：涂料由62%的BaTiO3、24%的聚丙烯酸乙烯酯（PVEA）、6%碳化硅和8%的碳纳米管（CNT）组成。
[0083] 每层筛网2还可以固定6个压电材料缓释球体3，球体直径分别为23 mm、13mm、8mm。
[0084] （2）具体步骤：涂料制备与涂覆：按照62%的BaTiO3、24%的PVEA、8%碳化硅和6%的CNT的比例，称量各组分。将这些组分混合后，加入适量的溶剂（乙醇），在超声波处理器中均匀混合，直到形成稳定的悬浮液。
[0085] 涂覆过程：将混合好的压电材料涂料均匀地涂覆在振动筛和脱水筛的筛网2上。采用溶剂浇铸法干燥，使涂料牢固粘附在筛网2表面。
[0086] 压电材料缓释球体3制备：按照60%的BaTiO3、25%的PVEA、10%碳化硅和5%的CNT的比例，称量各组分。将这些组分混合后，加入适量的溶剂（乙醇），在超声波处理器中均匀混合，直到形成稳定的悬浮液。进行喷雾干燥选型后置于含有硅烷偶联剂的溶液中，搅拌一定时间，然后在烘箱中干燥。
[0087] 振动筛筛分处理设备参数设定：激振力设定为420kN，频率设定为13Hz。
[0088] 筛网2安装：将涂覆好压电材料的筛网2按尺寸顺序安装在振动筛中，顶部为20mm，中间为10mm，底部为5mm。
[0089] 启动振动筛：启动振动筛设备，渣土在机械振动下通过各层筛网2，进行初步筛分和处理。涂覆在筛网2上的压电材料在机械振动下产生自由载流子，与空气中的氧分子反应生成活性氧自由基，初步降解有机污染物。
[0090] 高压喷淋处理：喷淋压力设定为1MPa。将高压喷淋装置安装在振动筛的上方，确保高压水流均匀覆盖筛网2。启动高压喷淋装置，喷射高压水流，进一步增强压电材料的机械应力，提高自由载流子的生成效率。
[0091] 脱水筛脱水干燥处理：将涂覆好压电材料的筛网2安装在脱水筛中，筛网2尺寸为50μm。启动脱水筛设备，对经过振动筛处理的渣土进行脱水干燥处理。涂覆在筛网2上的压电材料在机械振动作用下，持续产生自由载流子和活性氧自由基，进一步降解渣土中的有机污染物。
[0092] 取处理前后的渣土进行有机物含量检测，经处理后的渣土，有机污染物含量由6.50%降至1.14%，减少了82%。渣土经过筛分和脱水处理后，含水率大幅下降，变得更加干燥和易于处理。净化后的渣土可以进一步处理或直接应用于资源化利用，如流态化填料、免烧建材等。
[0093] 实施例二：
[0094] （1）设备和材料：振动筛设备：筛网2尺寸为20mm、10mm、5mm，用于粗筛和初步降解有机污染物。
[0095] 脱水筛设备：筛网2尺寸为50μm，用于进一步脱水和细筛。
[0096] 高压喷淋装置：喷淋压力为1MPa，产生高压水流辅助降解有机污染物。
[0097] 涂覆有压电材料的筛网2：涂料由68%的ZnO、19%的聚丙烯酸乙烯酯（PVEA）、8%碳化硅和5%的碳纳米管（CNT）组成。
[0098] 每层筛网2还可以固定6个压电材料缓释球体3，球体直径分别为23 mm、13mm、8mm。
[0099] （2）具体步骤：涂料制备与涂覆：按照68%的ZnO、19%的PVEA、8%碳化硅和5%的CNT的比例，称量各组分。将这些组分混合后，加入适量的溶剂（乙醇），在超声波处理器中均匀混合，直到形成稳定的悬浮液。
[0100] 涂覆过程：将混合好的压电材料涂料均匀地涂覆在振动筛和脱水筛的筛网2上。采用溶剂浇铸法干燥，使涂料牢固粘附在筛网2表面。
[0101] 压电材料缓释球体3制备：按照60%的ZnO、25%的PVEA、10%碳化硅和5%的CNT的比例，称量各组分。将这些组分混合后，加入适量的溶剂（乙醇），在超声波处理器中均匀混合，直到形成稳定的悬浮液。进行喷雾干燥选型后置于含有硅烷偶联剂的溶液中，搅拌一定时间，然后在烘箱中干燥。
[0102] 振动筛筛分处理设备参数设定：激振力设定为420kN，频率设定为13Hz。
[0103] 筛网2安装：将涂覆好压电材料的筛网2按尺寸顺序安装在振动筛中，顶部为20mm，中间为10mm，底部为5mm。
[0104] 启动振动筛：启动振动筛设备，渣土在机械振动下通过各层筛网2，进行初步筛分和处理。涂覆在筛网2上的压电材料在机械振动下产生自由载流子，与空气中的氧分子反应生成活性氧自由基，初步降解有机污染物。
[0105] 高压喷淋处理：喷淋压力设定为1MPa。将高压喷淋装置安装在振动筛的上方，确保高压水流均匀覆盖筛网2。启动高压喷淋装置，喷射高压水流，进一步增强压电材料的机械应力，提高自由载流子的生成效率。
[0106] 脱水筛脱水干燥处理：将涂覆好压电材料的筛网2安装在脱水筛中，筛网2尺寸为50μm。启动脱水筛设备，对经过振动筛处理的渣土进行脱水干燥处理。涂覆在筛网2上的压电材料在机械振动作用下，持续产生自由载流子和活性氧自由基，进一步降解渣土中的有机污染物。
[0107] 取处理前后的渣土进行有机物含量检测，经处理后的渣土，有机污染物含量由7.11%降至0.88%，减少了87%。渣土经过筛分和脱水处理后，含水率大幅下降，变得更加干燥和易于处理。净化后的渣土可以进一步处理或直接应用于资源化利用，如流态化填料、免烧建材等。
[0108] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
