纳米CaO2氧化激发城市污泥碳组分制备水凝胶

刘蕾 杨晓龙 彭江南 黄文宝 孙猛 李亚林

摘 要：本文采用电场-纳米CaO2氧化激发城市污泥促进碳组分释放，以释放的碳组分为原料，通过交联聚合方法制备水凝胶，分别考察了污泥投加量、纳米CaO2用量、引发剂用量、交联剂用量等因素对水凝胶溶胀性的影响。结果表明，当污泥投加量为1.0 g、CaO2投加量为0.08 g、丙烯酸用量为2.0 mL、交联剂用量为0.3 g、引发剂用量为0.13 g时，制备的水凝胶呈现出无明显规则的网状交联结构，溶胀率可以达到434.21%，具有良好的吸水性能。

关键词：城市污泥;過氧化钙;水凝胶;氧化;溶胀性

中图分类号：TQ427.26文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0107-03

Preparation of Hydrogel From Municipal Sludge Carbon Components by Nano CaO2 Oxidation

LIU LeiYANG Xiaolong PENG Jiangnan HUANG Wenbao SUN Meng LI Yalin

（College of Environment and Bioengineering， Henan Institute of Engineering，Zhengzhou Henan 451191）

Abstract： In this paper， electric field-nano CaO2 oxidation was used to stimulate municipal sludge to promote the release of carbon components. Hydrogels were prepared by crosslinking polymerization with the released carbon components as raw materials. The effects of sludge dosage， nano CaO2 dosage， initiator dosage， crosslinking agent dosage on the swelling of hydrogels were investigated. The results showed that when the sludge dosage was 1.0 g， the CaO2 dosage was 0.08 g， the acrylic acid dosage was 2 mL， the crosslinking agent dosage was 0.3 g， and the initiator dosage was 0.13 g， the prepared hydrogel showed no obvious regular network cross-linking structure， and the swelling ratio could reach 434.21 %， which had good water absorption performance.

Keywords： municipal sludge;calcium peroxide;hydrogel;oxidation;swelling

1 研究背景

随着城镇化进程的加快，我国大批已建污水处理厂提标改造导致污泥产量迅速增长。污泥对人类生存环境的影响日益突出，其安全处理与处置已成为环境领域一项亟待解决的问题。但是，传统的污泥处置方式，如卫生填埋[1]、土地利用[2]、焚烧[3]等，由于受填埋点或高环境风险限制，已无法满足绿色发展的要求。

现阶段，污泥处理与处置费用占废水处理总费用的50%～60%，然而，即使在花费如此高的情况下，现有污泥处理与处置的情况仍不乐观。因此，寻求一种低成本、高脱水效率的新型污泥脱水技术迫在眉睫。

碳元素是污泥的重要组成元素之一，通常污泥中含碳有机化合物占污泥有机物总量的55%～75%[4]。碳在污泥有机分子结构中属于活泼元素，化学活性较强，容易在能源转化处理过程中发生化学反应，实现资源的转化。从经济角度考虑，将丰富的潜在的碳源加以利用，可以实现污泥从目前的可再生资源到增值产品的转化。

本试验以污水处理厂的一次脱水污泥作为对象，使用纳米CaO2氧化激发促进污泥中碳组分的释放，以释放的碳组分为原料，通过交联聚合制备水凝胶，并探究不同试验条件对水凝胶溶胀率性能的影响。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验中的一次脱水污泥取自新郑市某市政污水处理厂，为剩余污泥加入聚丙烯酰胺并通过带式压滤脱水所得，含水率为85.43%，有机质含量（VSS/TSS）为46.73%。试验中使用的纳米CaO2为自制，纯度为79.13%，粒度在45～300 nm;丙烯酸（Acrylic Acid，AA），引发剂过硫酸钾（Potassium Persulphate，KPS）和交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺（N，N'-Methylenebisacrylamide，MBA），均为分析纯。

2.2 试验方法

污泥按比例加入蒸馏水，用破碎机混匀，烧杯中加入定量污泥浆液置于浸在35 ℃的恒温水浴中，并用磁力搅拌器搅拌5 min后加入CaO2，30 min后加入AA，搅拌5 min后加入MBA，1 min后加入KPS，搅拌至成胶，停止，并记录成胶时间。

将制备的凝胶放到培养皿中，并进行称重，之后放入干燥箱，在105℃下烘9 h，再次称量，计算其失水率。将完全干燥的水凝胶放入蒸馏水中，待24 h后，用吸水纸吸干凝胶表面水分并称重，测试其吸水性来表示溶胀性，按式（1）计算溶胀率[5]。

[Sr=Wt-WsWs×100%]                    （1）

式中：[Sr]表示水凝胶的溶胀率，%;[Wt]表示[t]时刻水凝胶的总质量，g;[Ws]表示干水凝胶的质量，g。

水凝胶经冷冻干燥后采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM，德国卡尔·蔡司股份公司，型号Auriga）对其进行形貌分析。

3 结果与讨论

3.1 引发剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

取泥浆液1.25 g（体积50 mL），依次加入0.05 g的CaO2、2.0 mL的AA和0.2 g的MBA，分別投加不同用量的KPS，制得的凝胶溶胀性能测定结果如图1所示。

从图1可知，当KPS投加量小于0.13 g时，[Sr]随着KPS投加量的增加而升高，因为KPS在一定聚合温度下可发生热分解，生成SO4-·[6]，引发碳组分和AA间发生聚合反应;当KPS投加量大于0.13 g时，凝胶的[Sr]变差，此时体系中的AA添加量一定，过量的SO4-·会与S2O8-·发生猝灭反应[7]，影响凝胶的溶胀性。当KPS投加量为0.13 g时，凝胶溶胀性能最好，[Sr]为317.61%。因此，选择0.13 g为KPS最佳投加量。

3.2 交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

取泥浆液1.25 g，依次加入0.05 g的CaO2、2.0 mL的AA，分别投加不同用量的MBA，加入0.13 g的KPS，制得的凝胶溶胀性能测定结果如2所示。

从图2可知，当MBA用量小于0.30 g时，随着MBA用量的增加，[Sr]升高，因为此时反应体系中的聚合交联程度增加，凝胶物质增加;而当凝胶产率达到峰值时，继续增加MBA量则会导致[Sr]下降，这种变化趋势可能与交联剂剂量过大时，MBA自聚倾向增加有关。当MBA用量为0.30 g时，溶胀性能最好，[Sr]为367.53 %。因此，选择0.30 g为MBA最佳用量。

3.3 CaO2投加量对水凝溶胀性能的影响

称取污泥浆液1.25 g，分别投加不同量的CaO2，依次加入2.0 mL的AA、0.3 g的MBA和0.13 g的KPS，制得的凝胶溶胀性能测定结果如图3所示。

由图3可知，当CaO2投加量小于0.08 g时，[Sr]随投加量的增加而升高，因为CaO2在水中会发生式（2）中的反应[8]：

[2CaO2+2H2O→2Ca（OH）2+H2O2]         （2）

Ca（OH）2产生的碱度和生成的H2O2均对碳组分释放有一定的促进作用;而当CaO2投加量大于0.08 g时，[Sr]随投加量的增加而降低，这是因为CaO2在氧化裂解污泥的同时，引入的Ca2+又加速了污泥絮体的团聚，阻碍了碳组分的释放。而当CaO2投加量为0.08 g时，[Sr]达到最大值，为434.58%。因此，选择0.08 g为CaO2最佳添加量。

3.4 污泥投加量对水凝溶胀性能的影响

分别称取不同质量的污泥浆液，依次加入0.08 g的CaO2、2.0 mL的AA、0.3 g的MBA和0.13 g的KPS，制得的凝胶溶胀性能测定结果如图4所示。

由图4可知，当污泥投加量小于1.0 g时，[Sr]随着污泥投加量的增加、体系中释放的碳组分增加而升高;当污泥投加量大于1.0 g时，此时虽然释放出的碳组分含量在增加，但交联剂、引发剂的比例不足，无法促使释放的碳组分转化为水凝胶，因此[Sr]随污泥投加量的升高而降低;当污泥投加量为1.0 g时，[Sr]达到最大值，为434.21 %。因此，选择1.0 g为污泥最佳投加量。

3.5 水凝胶的微观表征

为了探究水凝胶的微观形貌，取1.0 g的污泥浆液，依次加入0.08 g的CaO2、2.0 mL的AA、0.3 g的MBA和0.13 g的KPS制得凝胶，使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分别对原污泥和制备的水凝胶进行了微观表征，结果如图5所示。

从图5（a）可以看出，原污泥自身絮体结构完整，呈现出一定团聚状态，污泥中的孔隙结构完整;从图5（b）可以看出，水凝胶在经过冷冻干燥后，表面存在大量微观褶皱与深浅不一的沟壑，呈现出无明显的网状交联结构，增加了凝胶的比表面积，使其具有优越的吸水性能。

4 结论

①引发剂用量、交联剂用量、CaO2投加量和污泥投加量等单因素均会对水凝胶的溶胀性能产生影响。

②当污泥投加量为1.0 g、CaO2投加量为0.08 g、丙烯酸用量为2.0 mL、交联剂用量为0.30 g、引发剂用量为0.13 g时，制备的水凝胶溶胀率可以达到434.21%。

③SEM表明，水凝胶呈现出无明显规则的网状交联结构，体现了良好的吸水性能。

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