本發(fā)明涉及一種新型吸水保水材料的制備工藝，特別是一種非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料及制備方法。

背景技術：

對工業(yè)和城市污水處理過程中，產生大量的污泥，其成分及含量為：有機腐殖質(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％)是良好的土壤改良劑；蛋白質、脂肪、維生素是有價值的動物飼料成分。所以，污泥具有潛在的利用價值，引起了國內外政府、企業(yè)及研究人員的持久關注、研究和推廣使用。目前，污泥處置的主要方式有填埋、投海、焚燒和土地利用。這些方法都能容納大量的污泥，是污泥處置的有效途徑，但其中也存在諸多問題。為了充分利用污泥資源，減輕環(huán)境公害，世界上許多國家都在大力發(fā)展污泥處理處置和資源化利用的各種技術，取得了良好的經濟效益和社會效益。

有研究者為將污泥應用到吸水保水材料領域進行了大量的研究推廣工作。吸水保水材料屬于一種高吸水性樹脂材料，是一種含有強親水性基團并具有一定交聯度的功能性高分子材料。該材料不溶于水，也不溶于有機溶劑，能吸收數百倍乃至數千倍于自身重量的水，而且保水性能強，即使加壓水也不會被擠出，由于高吸水性樹脂良好的吸水保水能力，其被廣泛應用于醫(yī)療、衛(wèi)生、建筑材料、環(huán)境保護、農業(yè)、林業(yè)及食品等多個行業(yè)領域。高吸水性樹脂種類繁多，一般按高吸水性樹脂的原料來源可以分為淀粉類高吸水性樹脂、纖維素類高吸水樹脂和合成類高吸水樹脂等；其中，又以聚丙烯酸鹽類高吸水樹脂是目前生產最多的一類合成類高吸水樹脂，由丙烯酸或其鹽類與具有二官能度的單體共聚而成。一般具有吸水倍率高、制備工藝簡單、吸水和保水能力強、吸水速度較快、耐水解、吸水后凝膠強度大以及抗菌性好但可降解性差等特點。高吸水保水材料的制備方法主要有本體聚合法、溶液聚合法、反相懸浮聚合法和反相乳液聚合法等方法。

但是，利用污泥的前提條件是污泥必須經過脫水和干燥處理，由于污泥含水量達60％-80％，且本生呈凝膠狀結構，所以，污泥脫水干燥的難度和工業(yè)成本偏高，造成了大量的能耗，這是阻礙污泥進一步應用于更高端領域和高端材料制品的主要因素之一；在日本、歐洲和美國有研究者將脫水干燥后的污泥采用富摻法制備了污泥填充類高吸水保水樹脂材料，但是一直無法進行該技術的推廣使用，原因也是如此。鑒于我國水資源十分匱乏、國土沙漠化日趨嚴重、化肥的利用率較低和大量化肥流失而污染水源的基本國情，開發(fā)一種高效的、低成本的和環(huán)保的吸水保水材料，必將節(jié)水抗旱、治理沙漠、植樹造林、減少化肥流失提高化肥利用率等方面將發(fā)揮重要作用。

技術實現要素：

鑒于上述利用污泥合成吸水保水材料中存在的技術難題，本發(fā)明的目的在于提供一種非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料及制備方法，本發(fā)明采用一種新型的材料配比和合成工藝路線，在污泥不需要脫水狀態(tài)即非脫水態(tài)的條件下制備具有高吸水倍率的吸水保水材料，極大的降低了吸水保水材料的制備成本，也為污泥的高附加值應用及變廢為寶提供了一種全新的制備方法，該材料的有效制備及推廣，能有效節(jié)能減排。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現：

一種非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一，用氫氧化鈉中和丙烯酸單體，得到澄清的混合溶液；

步驟二，再向步驟一所得的混合溶液中加入淀粉添加劑，使淀粉溶解；

步驟三，再向混合溶液中加入過硫酸鉀溶液進行反應，反應至溶液粘稠，顏色呈乳白色；

步驟四，再向步驟三的混合溶液中加入非脫水態(tài)污泥的水分散液進行反應，反應至溶液變黑，粘稠度高于步驟三的溶液的粘稠度；

步驟五，再向步驟五的混合溶液中加入N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液進行聚合反應，至溶液分層；

步驟六，待步驟五的聚合反應完全后，將液體倒出，剩余的物質進行烘干即得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

所述步驟一至步驟五中，各組分以質量份數計，氫氧化鈉為10-15份，丙烯酸單體為10-20份，淀粉添加劑為5-10份，過硫酸鉀為0.2-0.6份，非脫水態(tài)污泥為40-60份，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺為0.02-0.06份。

所述步驟一中，在冰水浴條件下，通過氫氧化鈉中和丙烯酸單體，氫氧化鈉與丙烯酸單體的中和度為50％-85％。

所述步驟二中，淀粉溶解后將混合溶液在40℃-50℃水浴加熱。

所述步驟三中，向混合溶液中加入過硫酸鉀溶液反應30-40分鐘。

所述步驟四中，非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為4-6，反應時間為2-2.5小時。

所述步驟四中，非脫水態(tài)污泥的水分散液通過殺菌消毒后的非脫水態(tài)污泥制得。

所述步驟五中，反應溫度為40-50℃，反應時間為2-2.5小時，在反應過程中不斷攪拌。

所述步驟六中，烘干溫度為80-90℃，時間為3-4小時。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明通過氫氧化鈉和丙烯酸單體進行中和反應，生成丙烯酸鈉，再在反應體系中加入淀粉作為添加劑，淀粉溶解后再加入過硫酸鉀溶液進行反應，再加入過硫酸鉀作為引發(fā)劑，再加入非脫水態(tài)污泥的水分散液進行反應，再加入N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯劑，丙烯酸鈉和丙烯酰胺在過硫酸鉀作用下開始聚合，生成聚合物，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺與自由基聚合產生的聚合物發(fā)生交聯反應，形成網狀結構，最后將將混合液進行烘干，即得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料；

本發(fā)明采用“懸浮聚合”法制備的非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料，改變了當前利用污泥制備新材料時必須提前干燥的工藝，利用污泥凝膠體系中提供的水分自溶解懸浮體系本生，簡化了當前利用污泥或其它無機填料填充改性吸水保水材料是必須對無機填料提前進行干燥的工藝步驟，干燥工藝段的簡化節(jié)約了烘干填料導致的成本；

現有技術在合成無機填料填充改性類吸水保水材料時，添加無機填料后制備的吸水保水材料材料的吸水倍率與不加填料使用同一配方和工藝制備的吸水保水材料材料的吸水倍率低，前者的吸水倍率大致為后者的50％；而采用本發(fā)明所述非脫水態(tài)污泥合成的吸水保水材料與不加本發(fā)明所述非脫水態(tài)污泥合成的吸水保水材料，在同一配方和工藝條件下，后者的吸水倍率大致為前者的50％，實現了類添加無機填料后制備的吸水保水材料材料的吸水倍率倍增的實驗工藝和方法；

與利用其他無機填料合成的吸水保水材料相比較，由于污泥中的固體顆粒和腐殖質粒徑非常小，微孔多，比表面積和表面能巨大，能與自由基聚合產生的聚合物發(fā)生物理交聯，形成網狀結構，當該材料使用放置一段時間(大于12個月)，聚合物之間的物理交聯點將發(fā)生脫落解離，網狀結構的分子體系將分離成若干鏈狀結構的大分子，實現了非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料的自動降解，有利于環(huán)境的可持續(xù)利用。

進一步的，現有技術在合成無機填料填充改性類吸水保水材料時，所加無機填料占全部合成體系的質量比在5％-10％之間；而本發(fā)明使用的各組分以質量份數計，氫氧化鈉為10-15份，丙烯酸單體為10-20份，淀粉添加劑為5-10份，過硫酸鉀為0.2-0.6份，非脫水態(tài)污泥為40-60份，N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為0.02-0.06份；采用本發(fā)明所述非脫水態(tài)污泥(固含量30wt％)，其摻量達到12％-18％之間，實現了污泥的高富摻化，為大批量使用污泥合成吸水保水材料成為可能。

進一步的，通過對非脫水態(tài)污泥進行殺菌消毒，能夠防止污泥中的細菌和有度物質影響制備的吸水保水材料的制備速率和吸水保水的性能。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料制備工藝流程圖。

圖2未添加本發(fā)明所述污泥和添加本發(fā)明所述污泥在同一工藝下制備的吸水樹脂的吸水倍率隨時間的變化曲線。

【具體實施方式】

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明的非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料及制備方法做出詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料的制備方法的具體步驟如下：

1)原料選取

非脫水態(tài)污泥(工業(yè)品)；N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺(分析純)，丙烯酸(分析純)，氫氧化鈉(分析純)，淀粉(分析純)，蒸餾水(分析純)，過硫酸鉀(分析純)。

2)制備工藝

第一步、在冰水浴條件下，以質量份數計，用10-15份的氫氧化鈉中和10-20份的丙烯酸單體，中和度控制在50％-85％，得到澄清的混合溶液；

第二步、以質量份數計，將5-10份的淀粉添加劑加入第一步制得的混合溶液中，待淀粉溶解后，再將混合溶液加入到裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，于40-50℃水浴鍋中加熱；

第三步、以質量份數計，將0.2-0.6份的引發(fā)劑過硫酸鉀溶入適量水中，再將過硫酸鉀溶液加入第二步所述三口燒瓶中，反應30-40分鐘，反應至溶液粘稠，顏色呈乳白色；

第四步、將污泥經過微波或紫外殺菌消毒，以質量份數計，將40-60份的非脫水態(tài)污泥分散于水中，調節(jié)非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為4.0-6.0；

第五步、將第四步的混合溶液倒入第三步所述的三口燒瓶中，反應2-2.5小時，溶液變黑，粘稠度進一步增加，變得更粘稠；

第六步、以質量份數計，將0.02-0.06份的交聯劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺溶于適量水中，加入第五步所述三口燒瓶中，加熱至40-50℃進行聚合反應，反應過程中并不斷攪拌，反應時間為2-2.5小時，溶液出現分層，分層明顯之后反應完全；

第七步、將液體倒出入容器中，再將剩余的物質放入真空干燥箱中，在80-90℃下烘干3-4小時即得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

3)、本發(fā)明的非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料的制備原理

制備非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料主要涉及自由基聚合、化學交聯、物理交聯等等機理：

自由基聚合的主要有兩個階段：

第一階段：氫氧化鈉和丙烯酸進行中和反應，生成丙烯酸鈉；

第二階段：丙烯酸鈉和丙烯酰胺在過硫酸鉀作用下開始聚合，生成聚合物；

化學交聯主要是N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺與自由基聚合產生的聚合物發(fā)生交聯反應，形成網狀結構。

物理交聯的主要機理是，污泥中的固體顆粒和腐殖質粒徑非常小，有的達納米粒級，比表面積和表面能巨大，加之顆粒表面有很多微孔，導致了污泥較其他無機填料而言具有更好的活性，能與自由基聚合產生的聚合物發(fā)生物理交聯，形成網狀結構。這也是本發(fā)明所述吸水保水材料能產生較高的吸水倍率的原因。同時也是該吸水保水材料具有自動降解性能的原因。

非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料的結構和性能可以通過XRD、TG、DSC、TEM和SEM等測試儀器設備進行表征；可以用吸水倍率、吸水速率、保水時間等技術指標進行效果評價。

依照本發(fā)明所述機理制備的一種非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料與未添加本發(fā)明所述污泥在同一工藝下合成吸水保水材料的吸水倍率隨時間的變化曲線如本發(fā)明所述圖2所示，添加本發(fā)明污泥的吸水樹脂和未添加本發(fā)明污泥的吸水樹脂其吸水倍率均隨著吸水時間的增加而增加，但是當吸水飽和之后，添加本發(fā)明制備的吸水保水材料的樹脂的吸水倍率為未添加本發(fā)明制備的吸水保水材料的樹脂的2倍。

下面通過具體實施例來進一步說明本發(fā)明。

實施例1

在冰水浴情況下，用10g的氫氧化鈉中和10g的丙烯酸單體，中和度控制在70％，得澄清的混合溶液；再稱取5g淀粉添加入上述混合溶液中，待淀粉溶解后，再將混合液加入到裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，于40℃恒溫水浴鍋中加熱；再將0.2g過硫酸鉀溶入適量水中進行溶解，再將過硫酸鉀水溶液加入三口燒瓶中，反應30分鐘，至溶液粘度明顯上升，顏色呈乳白色；將40g污泥經過微波殺菌消毒后分散在水中，調節(jié)非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為5.0，然后將非脫水態(tài)污泥的水分散液倒入三口燒瓶中，反應2小時，溶液變黑，粘度進一步增加，變得更粘稠；將0.02g交聯劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺溶于適量水中并加入三口燒瓶中，在40℃下攪拌反應，聚合反應2小時，溶液出現分層，分層明顯之后反應完全；將聚合后的液體倒出到容器中，剩余的物質放入真空干燥箱中，在80℃下烘干3小時即得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

實施例2

在冰水浴情況下，用15g的氫氧化鈉中和20g的丙烯酸單體，中和度控制在60％，得澄清的混合溶液；再稱取10g淀粉添加入上述混合溶液中，待淀粉溶解后，再將混合液加入到裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，于40℃恒溫水浴鍋中加熱；在將0.6g過硫酸鉀溶入適量水中進行溶解，再將過硫酸鉀水溶液加入三口燒瓶中，反應30分鐘，至溶液粘度明顯上升，顏色呈乳白色；將60g污泥經過微波殺菌消毒后分散在水中，調節(jié)非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為5.0，然后將非脫水態(tài)污泥的水分散液倒入三口燒瓶中，反應2小時，溶液變黑，粘度進一步增加，變得更粘稠；將0.06g交聯劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺溶于適量水中并加入三口燒瓶中，在48℃下攪拌反應，聚合反應2小時，溶液出現分層，分層明顯之后反應完全；將聚合后的液體倒出到容器中，剩余的物質放入真空干燥箱中，在80℃下烘干3.5小時即制得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

實施例3

在冰水浴情況下，用12.5g的氫氧化鈉中和15g的丙烯酸單體，中和度控制在50％，得澄清的混合溶液；再稱取7.5g淀粉添加入上述混合溶液中，待淀粉溶解后，再將混合液加入到裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，于40℃恒溫水浴鍋中加熱；再將0.4g過硫酸鉀溶入適量水中進行溶解，再將過硫酸鉀水溶液加入三口燒瓶中，反應30分鐘，至溶液粘度明顯上升，顏色呈乳白色；將50g污泥經過微波殺菌消毒后分散在水中，調節(jié)非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為5.0，然后將非脫水態(tài)污泥的水分散液倒入三口燒瓶中，反應2小時，溶液變黑，粘度進一步增加，變得更粘稠；將0.04g交聯劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺溶于適量水中并加入三口燒瓶中，在40℃下攪拌反應，聚合反應2小時，溶液出現分層，分層明顯之后反應完全；將聚合后的液體倒出到容器中，剩余的物質放入真空干燥箱中，在80℃下烘干3.5小時即制得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

實施例4

在冰水浴情況下，用14g的氫氧化鈉中和18g的丙烯酸單體，中和度控制在80％，得澄清的混合溶液；再稱取8.0g淀粉添加入上述混合溶液中，待淀粉溶解后，再將混合液加入到裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，于45℃恒溫水浴鍋中加熱；再將0.5g過硫酸鉀溶入適量水中進行溶解，再將過硫酸鉀水溶液加入三口燒瓶中，反應40分鐘，至溶液粘度明顯上升，顏色呈乳白色；將45g污泥經過微波殺菌消毒后分散在水中，調節(jié)非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為4.0，然后將非脫水態(tài)污泥的水分散液倒入三口燒瓶中，反應2.5小時，溶液變黑，粘度進一步增加，變得更粘稠；將0.03g交聯劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺溶于適量水中并加入三口燒瓶中，在50℃下攪拌反應，聚合反應2.5小時，溶液出現分層，分層明顯之后反應完全；將聚合后的液體倒出到容器中，剩余的物質放入真空干燥箱中，在90℃下烘干4小時即制得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

實施例5

在冰水浴情況下，用11g的氫氧化鈉中和12g的丙烯酸單體，中和度控制在85％，得澄清的混合溶液；再稱取9.0g淀粉添加入上述混合溶液中，待淀粉溶解后，再將混合液加入到裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，于50℃恒溫水浴鍋中加熱；再將0.3g過硫酸鉀溶入適量水中進行溶解，再將過硫酸鉀水溶液加入三口燒瓶中，反應35分鐘，至溶液粘度明顯上升，顏色呈乳白色；將55g污泥經過微波殺菌消毒后分散在水中，調節(jié)非脫水態(tài)污泥的水分散液的pH值為6.0，然后將非脫水態(tài)污泥的水分散液倒入三口燒瓶中，反應2.3小時，溶液變黑，粘度進一步增加，變得更粘稠；將0.05g交聯劑N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺溶于適量水中并加入三口燒瓶中，在45℃下攪拌反應，聚合反應2.3小時，溶液出現分層，分層明顯之后反應完全；將聚合后的液體倒出到容器中，剩余的物質放入真空干燥箱中，在85℃下烘干4小時即制得非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。

本發(fā)明通過特定的配方設計和工藝參數選擇，制備合成出一種成本低廉、有良好的兼容性、環(huán)境友好的一種非脫水態(tài)污泥高摻量合成吸水保水材料。該吸附材料具有較大的吸水倍率、較快的吸水速率和自動降解等功能特性。