納米CaO2氧化激發城市污泥碳組分制備水凝膠

劉蕾 楊曉龍 彭江南 黃文寶 孫猛 李亞林

摘 要：本文采用電場-納米CaO2氧化激發城市污泥促進碳組分釋放，以釋放的碳組分為原料，通過交聯聚合方法制備水凝膠，分別考察了污泥投加量、納米CaO2用量、引發劑用量、交聯劑用量等因素對水凝膠溶脹性的影響。結果表明，當污泥投加量為1.0 g、CaO2投加量為0.08 g、丙烯酸用量為2.0 mL、交聯劑用量為0.3 g、引發劑用量為0.13 g時，制備的水凝膠呈現出無明顯規則的網狀交聯結構，溶脹率可以達到434.21%，具有良好的吸水性能。

關鍵詞：城市污泥;過氧化鈣;水凝膠;氧化;溶脹性

中圖分類號：TQ427.26文獻標識碼：A文章編號：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

隨著城鎮化進程的加快，我國大批已建污水處理廠提標改造導致污泥產量迅速增長。污泥對人類生存環境的影響日益突出，其安全處理與處置已成為環境領域一項亟待解決的問題。但是，傳統的污泥處置方式，如衛生填埋[1]、土地利用[2]、焚燒[3]等，由于受填埋點或高環境風險限制，已無法滿足綠色發展的要求。

現階段，污泥處理與處置費用占廢水處理總費用的50%～60%，然而，即使在花費如此高的情況下，現有污泥處理與處置的情況仍不樂觀。因此，尋求一種低成本、高脫水效率的新型污泥脫水技術迫在眉睫。

碳元素是污泥的重要組成元素之一，通常污泥中含碳有機化合物占污泥有機物總量的55%～75%[4]。碳在污泥有機分子結構中屬于活潑元素，化學活性較強，容易在能源轉化處理過程中發生化學反應，實現資源的轉化。從經濟角度考慮，將豐富的潛在的碳源加以利用，可以實現污泥從目前的可再生資源到增值產品的轉化。

本試驗以污水處理廠的一次脫水污泥作為對象，使用納米CaO2氧化激發促進污泥中碳組分的釋放，以釋放的碳組分為原料，通過交聯聚合制備水凝膠，并探究不同試驗條件對水凝膠溶脹率性能的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗中的一次脫水污泥取自新鄭市某市政污水處理廠，為剩余污泥加入聚丙烯酰胺并通過帶式壓濾脫水所得，含水率為85.43%，有機質含量（VSS/TSS）為46.73%。試驗中使用的納米CaO2為自制，純度為79.13%，粒度在45～300 nm;丙烯酸（Acrylic Acid，AA），引發劑過硫酸鉀（Potassium Persulphate，KPS）和交聯劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺（N，N'-Methylenebisacrylamide，MBA），均為分析純。

2.2 試驗方法

污泥按比例加入蒸餾水，用破碎機混勻，燒杯中加入定量污泥漿液置于浸在35 ℃的恒溫水浴中，并用磁力攪拌器攪拌5 min后加入CaO2，30 min后加入AA，攪拌5 min后加入MBA，1 min后加入KPS，攪拌至成膠，停止，并記錄成膠時間。

將制備的凝膠放到培養皿中，并進行稱重，之后放入干燥箱，在105℃下烘9 h，再次稱量，計算其失水率。將完全干燥的水凝膠放入蒸餾水中，待24 h后，用吸水紙吸干凝膠表面水分并稱重，測試其吸水性來表示溶脹性，按式（1）計算溶脹率[5]。

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

式中：[Sr]表示水凝膠的溶脹率，%;[Wt]表示[t]時刻水凝膠的總質量，g;[Ws]表示干水凝膠的質量，g。

水凝膠經冷凍干燥后采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM，德國卡爾·蔡司股份公司，型號Auriga）對其進行形貌分析。

3 結果與討論

3.1 引發劑用量對水凝膠溶脹性能的影響

取泥漿液1.25 g（體積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，制得的凝膠溶脹性能測定結果如圖1所示。

從圖1可知，當KPS投加量小于0.13 g時，[Sr]隨著KPS投加量的增加而升高，因為KPS在一定聚合溫度下可發生熱分解，生成SO4-·[6]，引發碳組分和AA間發生聚合反應;當KPS投加量大于0.13 g時，凝膠的[Sr]變差，此時體系中的AA添加量一定，過量的SO4-·會與S2O8-·發生猝滅反應[7]，影響凝膠的溶脹性。當KPS投加量為0.13 g時，凝膠溶脹性能最好，[Sr]為317.61%。因此，選擇0.13 g為KPS最佳投加量。

3.2 交聯劑用量對水凝膠溶脹性能的影響

取泥漿液1.25 g，依次加入0.05 g的CaO2、2.0 mL的AA，分別投加不同用量的MBA，加入0.13 g的KPS，制得的凝膠溶脹性能測定結果如2所示。

從圖2可知，當MBA用量小于0.30 g時，隨著MBA用量的增加，[Sr]升高，因為此時反應體系中的聚合交聯程度增加，凝膠物質增加;而當凝膠產率達到峰值時，繼續增加MBA量則會導致[Sr]下降，這種變化趨勢可能與交聯劑劑量過大時，MBA自聚傾向增加有關。當MBA用量為0.30 g時，溶脹性能最好，[Sr]為367.53 %。因此，選擇0.30 g為MBA最佳用量。

3.3 CaO2投加量對水凝溶脹性能的影響

稱取污泥漿液1.25 g，分別投加不同量的CaO2，依次加入2.0 mL的AA、0.3 g的MBA和0.13 g的KPS，制得的凝膠溶脹性能測定結果如圖3所示。

由圖3可知，當CaO2投加量小于0.08 g時，[Sr]隨投加量的增加而升高，因為CaO2在水中會發生式（2）中的反應[8]：

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

Ca（OH）2產生的堿度和生成的H2O2均對碳組分釋放有一定的促進作用;而當CaO2投加量大于0.08 g時，[Sr]隨投加量的增加而降低，這是因為CaO2在氧化裂解污泥的同時，引入的Ca2+又加速了污泥絮體的團聚，阻礙了碳組分的釋放。而當CaO2投加量為0.08 g時，[Sr]達到最大值，為434.58%。因此，選擇0.08 g為CaO2最佳添加量。

3.4 污泥投加量對水凝溶脹性能的影響

分別稱取不同質量的污泥漿液，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，制得的凝膠溶脹性能測定結果如圖4所示。

由圖4可知，當污泥投加量小于1.0 g時，[Sr]隨著污泥投加量的增加、體系中釋放的碳組分增加而升高;當污泥投加量大于1.0 g時，此時雖然釋放出的碳組分含量在增加，但交聯劑、引發劑的比例不足，無法促使釋放的碳組分轉化為水凝膠，因此[Sr]隨污泥投加量的升高而降低;當污泥投加量為1.0 g時，[Sr]達到最大值，為434.21 %。因此，選擇1.0 g為污泥最佳投加量。

3.5 水凝膠的微觀表征

為了探究水凝膠的微觀形貌，取1.0 g的污泥漿液，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制得凝膠，使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分別對原污泥和制備的水凝膠進行了微觀表征，結果如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，原污泥自身絮體結構完整，呈現出一定團聚狀態，污泥中的孔隙結構完整;從圖5（b）可以看出，水凝膠在經過冷凍干燥后，表面存在大量微觀褶皺與深淺不一的溝壑，呈現出無明顯的網狀交聯結構，增加了凝膠的比表面積，使其具有優越的吸水性能。

4 結論

①引發劑用量、交聯劑用量、CaO2投加量和污泥投加量等單因素均會對水凝膠的溶脹性能產生影響。

②當污泥投加量為1.0 g、CaO2投加量為0.08 g、丙烯酸用量為2.0 mL、交聯劑用量為0.30 g、引發劑用量為0.13 g時，制備的水凝膠溶脹率可以達到434.21%。

③SEM表明，水凝膠呈現出無明顯規則的網狀交聯結構，體現了良好的吸水性能。

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