餐厨垃圾预处理过剩浆液制备水凝胶及其应用前景分析

2022-10-12张美兰唐佶缪春霞周涛

当代化工研究 2022年17期

＊张美兰唐佶缪春霞周涛

（1.上海老港废弃物处置有限公司上海 201300 2.同济大学上海 200092）

随着城市的发展和垃圾分类的快速推行，餐厨垃圾产生量逐年上升。2005—2025年间，亚洲国家城市中产生的餐厨垃圾将从每年的2.78亿吨增加到4.16亿吨[1]。中国早在十年前就已经成为世界上城镇生活垃圾年产生量最大的国家[2]，2018年餐厨垃圾产生量达10800万吨。

由于餐厨垃圾有机质含量高、含水量大、营养丰富等特点，具有很高的回收价值[3]。常用的餐厨资源化技术有堆肥化处理技术[4]、饲料化处理技术、厌氧能源化处理技术[5-6]。其中的厌氧发酵因其能源化优势，已经成为了餐厨垃圾资源化利用的主流技术[7-8]。然而，现有厌氧反应周期长以及餐厨垃圾量大，导致预处理浆液量过剩，后端湿式厌氧工艺无法全量消纳。原生餐厨垃圾的主要成分为淀粉、纤维素、蛋白质、油脂等大分子物质，含有-COOH、-OH、C=C等特征官能团，具有发生自由基聚合反应特性，使餐厨垃圾主成分聚合交联进而向更大分子物质转化，同时所得产品可进一步应用于农业或环境领域，实现餐厨垃圾营养成分的高效回收与资源化利用。

以餐厨垃圾为基质，丙烯酸为单体，过硫酸钾为引发剂，N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，通过自由基聚合交联反应合成餐厨垃圾水凝胶，研究环境因子对水凝胶吸水/释水性能的影响及其pH的释放性能。同时，分析该水凝胶在调控pH后具备缓释肥的应用前景。

1.实验材料与方法

(1)主要试剂及底物来源

实验所使用的主要试剂有丙烯酸（Acrylic acid，AA）、过硫酸钾（Potassium persulphate，KPS）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（N,N'-Methylenebisacrylamide，MBA），所有试剂均为分析纯，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司，使用前不做任何预处理。

餐厨垃圾取自上海市某学校食堂，该餐厨垃圾已经过简单压榨，人工剔除骨头、纸张、塑料等杂质，与自来水按重量1:1混合并用电搅拌机搅碎，得到餐厨垃圾浆液。将浆液在80℃水浴下热水解2h，以保证餐厨垃圾中颗粒态的有机物充分向溶解态转变。热处理后的餐厨垃圾浆液静置30min，除去表层浮油后，取上层浆液进行实验。

(2)餐厨垃圾水凝胶的制备

①制备装置

餐厨垃圾水凝胶（FW-Hydrogel）制备装置示意图，如图1所示，由DJ6CS型恒温水浴锅、机械搅拌器、氮气发生器和250mL三口烧瓶构成，制备实验在通风橱中进行。

图1 餐厨垃圾水凝胶制备装置

②合成步骤

取50mL餐厨垃圾浆化液加入100mL烧杯中，通N2将浆液及烧杯中氧气排出，放置70℃水浴中加热。10min后，快速加入定量AA、KPS、MBA。磁力搅拌器搅拌至反应体系出现一定黏度（约30min）后关闭，继续保持70℃直至反应完成（约60min），生成淡黄色凝胶状固体。将产物取出，真空干燥箱中60℃干燥、粉碎待用。

(3)检测项目及方法

①吸水能力

选取干燥块状样品于盛有150mL去离子水或质量分数为1.0%的NaCl溶液的烧杯中，室温下（25～30℃）静置，直至吸水平衡，即用滤纸拭去吸水凝胶表面水分后连续称重测量之差≤0.05g。水凝胶最大溶胀率Qm，计算公式如下。

式中，W0（g）和W1（g）分别为干燥和吸水平衡后的凝胶质量。

②水凝胶pH释放测定

取干燥粉末样品1.0g于150mL烧杯中，添加100mL去离子。烧杯于磁力搅拌器中搅拌（80rpm），相应时间下测定溶液pH。

2.结果与分析

(1)水凝胶表观性状分析

凝胶合成过程中，随着反应时间的增加，体系粘度不断增大，溶液从最初的浆液状逐渐向凝胶状转化。如图2所示，所制备FW-Hydrogel呈乳白色胶体状，内部饱含水分，手触具有一定粘性，挤压时也具有一定弹性，表现出水凝胶的特性，且随着聚合条件的不同表现出不同特征。

图2 FW-Hydrogel表观形貌图

(2)吸水性能影响因素

吸水保水性能是水凝胶特有性质，水凝胶能够在短时间内吸收高于自身重量数十倍乃至百倍的水。因此，找出最优合成条件，对FW-Hydrogel的实际应用具有重要意义。

①单体添加量的影响

丙烯酸单体在引发剂和交联剂作用下可发生自由基反应，自聚或与餐厨垃圾接枝共聚。以50mL溶液为基准，在反应温度70℃、MBA=0.3g、KPS=4mmol/L的条件下，考察了AA（质量分数5.7%～12.3%）对水凝胶吸水性能的影响。如图3所示，水凝胶的最大溶胀率Qm在添加量9.1%（5mL）时达到最大，为73.5g/g，即9.1%为AA最佳添加量。

图3 丙烯酸单体添加量对FW-Hydrogel吸水性能的影响

②交联剂投加量的影响

聚合体系中的交联反应既可以发生在同一大分子内部（如淀粉、聚丙烯酸），也存在于不同的分子之间。此外，MBA在初级自由基的引发下也可以增长成短链自由基，也能强化体系中的聚合交联反应。如图4所示，MBA添加量从0.1%增加到0.2%时，Qm从48.5g/g升至80.0g/g；而添加量从0.2%增加至0.6%时，Qm从80.0g/g下降至28.8g/g。随着交联剂MBA的增加，反应体系内聚合交联程度增大，聚丙烯酸自交联产物、丙烯酸与餐厨垃圾主成分聚合产物等物质增多，吸水性不断增强；当聚合体系中产率达到最大时，继续增加MBA量则会导致Qm的下降。

图4 交联剂NN-亚甲基双丙烯酰胺对FW-Hydrogel吸水性能的影响

③反应温度的影响

温度是KPS引发剂产生自由基的必要条件。KPS在温度高于70℃时才会热分解生成自由基，进而引发体系中聚合反应。由图5可知在60～85℃范围内，随反应温度升高，由于自由基生成速率加快，AA自身或与餐厨垃圾聚合交联速度加快，反应活性点增多，但过高的温度却给空间网络结构的有序交联带来阻碍，表现出来为FW-Hydrogel吸水性能下降。体系温度为70℃时FW-Hydrogel吸水性能达到最大，为73.5g/g。

图5 反应体系温度对FW-Hydrogel吸水性能的影响

(3)水凝胶pH释放性能

判断FW-Hydrogel本身pH的释放性能，对其实际应用具有重要意义。取等质量（1.0g）不同粒径FW-Hydrogel干燥样品，分别置于50mL烧杯中，加入25mL去离子水中，25℃下缓慢磁力搅拌，于5min、10min、20min、30min、60min、90min、120min下测试各烧杯中pH，结果如图6所示。各粒径FW-Hydrogel样品在水溶液中均呈酸性，在前90min内，水溶液pH逐渐降低，从6.50～7.20降至平衡时的4.20～4.50，粒径越小，pH降低速率越快的趋势。但在足够长时间内，其酸性物质得以完全释放，最终水溶液显示出的pH也大致相同。

图6 不同粒径FW-Hydrogel样品的pH释放性能

(4)水凝胶应用前景分析

固体废物集装箱运输是一种现代化的先进运输方式，市政污泥集装运输过程因其密闭环境会产生氨气等污染气体。本论文合成的FW-Hydrogel呈酸性，内部结构为网状交联结构，且富含-OH、-COOH等特征官能团，对NH3和水分子具有较好的吸收作用，其应用于污泥集装化运输，在污泥运输至码头过程中自动自发吸收和消减NH3、VOCs等，具有凸显的应用前景。

FW-Hydrogel应用于污泥集装化运输NH3削控流程如图7。