申请日2016.11.30
公开(公告)日2017.05.24
IPC分类号C08F285/00; C08F222/38; C08F251/00; C08F220/06; C08F2/18; C08K11/00
摘要
本发明涉及一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料及制备方法，先用氢氧化钠中和丙烯酸单体;再向步骤一所得的混合溶液中加入淀粉添加剂，使淀粉溶解;再向混合溶液中加入过硫酸钾溶液进行反应;再向步骤三的混合溶液中加入非脱水态污泥的水分散液进行反应;再向步骤五的混合溶液中加入N，N′‑亚甲基双丙烯酰胺的水溶液进行聚合反应;再将液体倒出，剩余的物质进行烘干即得非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料。本发明采用新的材料配比和合成路线，在污泥不需要脱水状态下制备具有高吸水倍率的吸水保水材料，极大的降低了吸水保水材料的制备成本，为污泥的高附加值应用及变废为宝提供了一种全新的制备方法，该材料的有效制备及推广，能有效节能减排。
摘要附图
权利要求书
1.一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，用氢氧化钠中和丙烯酸单体，得到澄清的混合溶液;
步骤二，再向步骤一所得的混合溶液中加入淀粉添加剂，使淀粉溶解;
步骤三，再向混合溶液中加入过硫酸钾溶液进行反应，反应至溶液粘稠，颜色呈乳白色;
步骤四，再向步骤三的混合溶液中加入非脱水态污泥的水分散液进行反应，反应至溶液变黑，粘稠度高于步骤三的溶液的粘稠度;
步骤五，再向步骤五的混合溶液中加入N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液进行聚合反应，至溶液分层;
步骤六，待步骤五的聚合反应完全后，将液体倒出，剩余的物质进行烘干即得非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料。
2.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一至步骤五中，各组分以质量份数计，氢氧化钠为10-15份，丙烯酸单体为10-20份，淀粉添加剂为5-10份，过硫酸钾为0.2-0.6份，非脱水态污泥为40-60份，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺为0.02-0.06份。
3.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，在冰水浴条件下，通过氢氧化钠中和丙烯酸单体，氢氧化钠与丙烯酸单体的中和度为50%-85%。
4.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，淀粉溶解后将混合溶液在40℃-50℃水浴加热。
5.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，溶液中加入过硫酸钾溶液反应30-40分钟。
6.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，非脱水态污泥的水分散液的pH值为4-6，反应时间为2-2.5小时。
7.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，非脱水态污泥的水分散液通过杀菌消毒后的非脱水态污泥制得。
8.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，反应温度为40-50℃，反应时间为2-2.5小时，在反应过程中不断搅拌。
9.根据权利要求1所述的一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤六中，烘干温度为80-90℃，时间为3-4小时。
10.一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料，其特征在于，所述非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料通过权利要求1的制备方法制得。
说明书
一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料及制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种新型吸水保水材料的制备工艺，特别是一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料及制备方法。
【背景技术】
对工业和城市污水处理过程中，产生大量的污泥，其成分及含量为：有机腐殖质(初沉池污泥含33%，消化污泥含35%，活性污泥含41%，腐殖污泥含47%)是良好的土壤改良剂;蛋白质、脂肪、维生素是有价值的动物饲料成分。所以，污泥具有潜在的利用价值，引起了国内外政府、企业及研究人员的持久关注、研究和推广使用。目前，污泥处置的主要方式有填埋、投海、焚烧和土地利用。这些方法都能容纳大量的污泥，是污泥处置的有效途径，但其中也存在诸多问题。为了充分利用污泥资源，减轻环境公害，世界上许多国家都在大力发展污泥处理处置和资源化利用的各种技术，取得了良好的经济效益和社会效益。
有研究者为将污泥应用到吸水保水材料领域进行了大量的研究推广工作。吸水保水材料属于一种高吸水性树脂材料，是一种含有强亲水性基团并具有一定交联度的功能性高分子材料。该材料不溶于水，也不溶于有机溶剂，能吸收数百倍乃至数千倍于自身重量的水，而且保水性能强，即使加压水也不会被挤出，由于高吸水性树脂良好的吸水保水能力，其被广泛应用于医疗、卫生、建筑材料、环境保护、农业、林业及食品等多个行业领域。高吸水性树脂种类繁多，一般按高吸水性树脂的原料来源可以分为淀粉类高吸水性树脂、纤维素类高吸水树脂和合成类高吸水树脂等;其中，又以聚丙烯酸盐类高吸水树脂是目前生产最多的一类合成类高吸水树脂，由丙烯酸或其盐类与具有二官能度的单体共聚而成。一般具有吸水倍率高、制备工艺简单、吸水和保水能力强、吸水速度较快、耐水解、吸水后凝胶强度大以及抗菌性好但可降解性差等特点。高吸水保水材料的制备方法主要有本体聚合法、溶液聚合法、反相悬浮聚合法和反相乳液聚合法等方法。
但是，利用污泥的前提条件是污泥必须经过脱水和干燥处理，由于污泥含水量达60%-80%，且本生呈凝胶状结构，所以，污泥脱水干燥的难度和工业成本偏高，造成了大量的能耗，这是阻碍污泥进一步应用于更高端领域和高端材料制品的主要因素之一;在日本、欧洲和美国有研究者将脱水干燥后的污泥采用富掺法制备了污泥填充类高吸水保水树脂材料，但是一直无法进行该技术的推广使用，原因也是如此。鉴于我国水资源十分匮乏、国土沙漠化日趋严重、化肥的利用率较低和大量化肥流失而污染水源的基本国情，开发一种高效的、低成本的和环保的吸水保水材料，必将节水抗旱、治理沙漠、植树造林、减少化肥流失提高化肥利用率等方面将发挥重要作用。
【发明内容】
鉴于上述利用污泥合成吸水保水材料中存在的技术难题，本发明的目的在于提供一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料及制备方法，本发明采用一种新型的材料配比和合成工艺路线，在污泥不需要脱水状态即非脱水态的条件下制备具有高吸水倍率的吸水保水材料，极大的降低了吸水保水材料的制备成本，也为污泥的高附加值应用及变废为宝提供了一种全新的制备方法，该材料的有效制备及推广，能有效节能减排。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，用氢氧化钠中和丙烯酸单体，得到澄清的混合溶液;
步骤二，再向步骤一所得的混合溶液中加入淀粉添加剂，使淀粉溶解;
步骤三，再向混合溶液中加入过硫酸钾溶液进行反应，反应至溶液粘稠，颜色呈乳白色;
步骤四，再向步骤三的混合溶液中加入非脱水态污泥的水分散液进行反应，反应至溶液变黑，粘稠度高于步骤三的溶液的粘稠度;
步骤五，再向步骤五的混合溶液中加入N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液进行聚合反应，至溶液分层;
步骤六，待步骤五的聚合反应完全后，将液体倒出，剩余的物质进行烘干即得非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料。
所述步骤一至步骤五中，各组分以质量份数计，氢氧化钠为10-15份，丙烯酸单体为10-20份，淀粉添加剂为5-10份，过硫酸钾为0.2-0.6份，非脱水态污泥为40-60份，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺为0.02-0.06份。
所述步骤一中，在冰水浴条件下，通过氢氧化钠中和丙烯酸单体，氢氧化钠与丙烯酸单体的中和度为50%-85%。
所述步骤二中，淀粉溶解后将混合溶液在40℃-50℃水浴加热。
所述步骤三中，向混合溶液中加入过硫酸钾溶液反应30-40分钟。
所述步骤四中，非脱水态污泥的水分散液的pH值为4-6，反应时间为2-2.5小时。
所述步骤四中，非脱水态污泥的水分散液通过杀菌消毒后的非脱水态污泥制得。
所述步骤五中，反应温度为40-50℃，反应时间为2-2.5小时，在反应过程中不断搅拌。
所述步骤六中，烘干温度为80-90℃，时间为3-4小时。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过氢氧化钠和丙烯酸单体进行中和反应，生成丙烯酸钠，再在反应体系中加入淀粉作为添加剂，淀粉溶解后再加入过硫酸钾溶液进行反应，再加入过硫酸钾作为引发剂，再加入非脱水态污泥的水分散液进行反应，再加入N，N′-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，丙烯酸钠和丙烯酰胺在过硫酸钾作用下开始聚合，生成聚合物，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺与自由基聚合产生的聚合物发生交联反应，形成网状结构，最后将将混合液进行烘干，即得非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料;
本发明采用“悬浮聚合”法制备的非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料，改变了当前利用污泥制备新材料时必须提前干燥的工艺，利用污泥凝胶体系中提供的水分自溶解悬浮体系本生，简化了当前利用污泥或其它无机填料填充改性吸水保水材料是必须对无机填料提前进行干燥的工艺步骤，干燥工艺段的简化节约了烘干填料导致的成本;
现有技术在合成无机填料填充改性类吸水保水材料时，添加无机填料后制备的吸水保水材料材料的吸水倍率与不加填料使用同一配方和工艺制备的吸水保水材料材料的吸水倍率低，前者的吸水倍率大致为后者的50%;而采用本发明所述非脱水态污泥合成的吸水保水材料与不加本发明所述非脱水态污泥合成的吸水保水材料，在同一配方和工艺条件下，后者的吸水倍率大致为前者的50%，实现了类添加无机填料后制备的吸水保水材料材料的吸水倍率倍增的实验工艺和方法;
与利用其他无机填料合成的吸水保水材料相比较，由于污泥中的固体颗粒和腐殖质粒径非常小，微孔多，比表面积和表面能巨大，能与自由基聚合产生的聚合物发生物理交联，形成网状结构，当该材料使用放置一段时间(大于12个月)，聚合物之间的物理交联点将发生脱落解离，网状结构的分子体系将分离成若干链状结构的大分子，实现了非脱水态污泥高掺量合成吸水保水材料的自动降解，有利于环境的可持续利用。
进一步的，现有技术在合成无机填料填充改性类吸水保水材料时，所加无机填料占全部合成体系的质量比在5%-10%之间;而本发明使用的各组分以质量份数计，氢氧化钠为10-15份，丙烯酸单体为10-20份，淀粉添加剂为5-10份，过硫酸钾为0.2-0.6份，非脱水态污泥为40-60份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为0.02-0.06份;采用本发明所述非脱水态污泥(固含量30wt%)，其掺量达到12%-18%之间，实现了污泥的高富掺化，为大批量使用污泥合成吸水保水材料成为可能。
进一步的，通过对非脱水态污泥进行杀菌消毒，能够防止污泥中的细菌和有度物质影响制备的吸水保水材料的制备速率和吸水保水的性能。