餐厨垃圾组分回收制备高溶胀性水凝胶*

刘 蕾，孙 猛，关明玥，孙丽莉，王恩赐，李亚林

(河南工程学院环境与生物工程学院，河南 郑州 451191)

1 研究背景

随着人们生活水平的提高及餐饮行业的发展，我国餐厨垃圾呈现出快速增长的趋势[1]。数据显示，餐厨垃圾占我国城市固体废弃物总量的60%以上。我国餐厨垃圾约为1.35亿t/a，在人口密集的一线城市，其产量甚至超过了50万t/d。长期以来，国内大部分餐厨垃圾的处理处于一种严重的无序管理状态，“泔水猪饲养”及“地沟油充当食用油”事件时常发生。在政策上缺乏系统性，导致餐厨垃圾的后续处理处置不到位，致使政策的实施和企业的执行都存在较大难度[2]。

餐厨垃圾本身含有大量的有机物、油脂及水分，主要成分包括淀粉(来自米面食品)、纤维素(来自蔬菜茎叶)、蛋白质及脂肪(来自肉食)，同时还含有少量K、N、P、Ca、Mg、Fe等元素[3]。部分传统的处理技术以处置为目的，造成了大量的资源浪费。餐厨垃圾内部含有大量—OH、—COOH等官能团，可将其交联聚合为高分子凝胶材料，实现餐厨垃圾的增值化利用。

本文以餐厨垃圾为原料，丙烯酰胺作为单体，先后加入交联剂与引发剂，采用接枝共聚法制备了一种高溶胀性水凝胶，探究了不同的单因素对水凝胶溶胀率的影响，并对水凝胶的溶胀机理进行了分析，以期为餐厨垃圾的资源化提供一种新思路。

2 材料与方法

2.1 实验材料与试剂

实验所用餐厨垃圾取自河南省某高校学生餐厅，取回后将其中的餐巾纸、包装袋及大骨头等成分捡出，储存于冰箱中冷藏待用。进行实验时，将其与蒸馏水以一定质量比混合[4]，利用破壁机进行破碎均质处理制成浆液[5]，再将浆液过筛制得餐厨浆液原料。

实验中所用的丙烯酰胺(Acrylamide，AM)、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(N,N′-Methylenebisacrylamide，MBA)、过硫酸钠(Sodium persulfate，SPS)，均为分析纯，实验过程中所用的水为蒸馏水。

2.2 试验方法

2.2.1 水凝胶的制备过程

取定量的餐厨垃圾浆液，置于 70 ℃ 恒温磁力水浴锅(HH-M6，江苏科析仪器有限公司)中，预热搅拌20 min。预热结束后，分别向各组内投加AM，再过 20 min 后投加MBA，10 min 后投加SPS，搅拌直至成胶，记录成胶时间。

2.2.2 水凝胶溶胀性能的测定

取制备得到的水凝胶，放入真空冷冻干燥机(LGJ-10，北京悦诚嘉业科技有限公司)中干燥 24 h，干燥结束后取出样品称量；之后，将样品放入 200 mL 的蒸馏水中直至其达到溶胀平衡；每隔 12 h 测一次质量。用吸水纸将水凝胶表面附着的水分尽可能去除，称量其质量。溶胀率的计算如式(1)所示[6]。

(1)

式中：Sr为水凝胶的溶胀率，%；Ws为凝胶达到溶胀平衡后的质量，g；W0为凝胶干燥后的质量，g。

2.2.3 水凝胶的微观表征

为了探究水凝胶的溶胀机理，将餐厨垃圾原料和制得的凝胶在真空冷冻干燥机中干燥后，使用场发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)对其分别进行表征；样品研磨后将磨碎粉末涂片，使用X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCE，德国BRUKER公司)对其物相组成进行鉴别，物相组成采用Jade软件进行分析。

3 结果与讨论

3.1 交联剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

量取餐厨浆液 50 mL，控制反应温度为 60 ℃，AM用量为 3.0 g，改变MBA的用量，SPS用量为 0.3 g，制得水凝胶测定溶胀性的结果如图1所示。

图1 交联剂用量对水凝胶溶胀率的影响

由图1分析，随着MBA用量的增加，水凝胶的Sr逐渐增大，在MBA用量为 0.07 g 时，Sr达到最大值，为611.2%。因为MAB的增加为水凝胶网络的形成提供了更多的交联位点，网络交联程度变强，溶胀率上升。当继续增大MBA用量时，过量的MBA存在于同一反应体系中时产生自聚倾向[7]，导致凝胶网络交联程度降低，Sr降低。

3.2 反应温度对水凝胶溶胀性能的影响

量取餐厨浆液 50 mL，分别控制不同的反应温度，AM用量为 3.0 g，MBA用量为 0.07 g，SPS用量为 0.3 g，制得水凝胶测定溶胀性的结果如图2所示。

由图2分析，随着反应温度的提升，Sr呈现出先升高后降低的变化趋势，在反应温度为 70 ℃ 时，水凝胶溶胀性能最佳，Sr为642.7%。因为反应温度产生的热量能够影响SPS热分解释放出SO4-·的效率，当反应温度升高时，SPS热活化产生的SO4-·逐渐增多，聚合反应速度加快，有利于凝胶网络结构的构建，Sr增大[8]。而温度过高时，SPS分解速率过快，短时间产生的大量SO4-·加剧了反应程度，凝胶网络结构急剧收缩，凝胶溶胀性能受到抑制。

图2 反应温度对水凝胶溶胀率的影响

3.3 单体用量对水凝胶溶胀性能的影响

量取餐厨浆液 50 mL，控制反应温度为 70 ℃，改变AM用量，MBA用量为 0.07 g，SPS用量为 0.3 g，制得水凝胶测定溶胀性的结果如图3所示。

由图3分析，随着AM用量的增加，接枝反应增多，接枝率上升，水凝胶网络中形成大量亲水性基团COOH·，使得水凝胶Sr升高。当AM用量为 2.0 g 时，凝胶溶胀性能最佳，Sr为698.4%。当进一步增加AM用量时，Sr降低，这是因为过多的COOH·会在水凝胶网络内部生成大量氢键[9]，导致交联密度增加，溶胀性能下降。

3.4 引发剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

量取餐厨浆液 50 mL，控制反应温度为 70 ℃，AM用量为 2.0 g，MBA用量为 0.07 g，改变SPS的用量，制得水凝胶测定溶胀性的结果如图4所示。

由图4分析，随着SPS用量的增加，Sr呈现先增加后降低的趋势，当SPS用量为0.5 g时，水凝胶溶胀性能最佳，Sr达到705.8%。因为随着SPS用量增加，引发自由基与单体进行交联聚合反应，逐渐形成较为完备的网络结构，Sr增大。当SPS过量时，体系中迅速分解产生的SO4-·和S2O8-·会发生猝灭反应，导致Sr下降。

图4 引发剂用量对水凝胶溶胀性能的影响

3.5 水凝胶溶胀性能的机理分析

为了探究水凝胶具有高溶胀性的机理，分别对餐厨原样和水凝胶样品进行了SEM和XRD表征，结果如图5所示。

由图5(b)分析，相较于图5(a)中餐厨垃圾原料的稀疏结构，水凝胶具有更为复杂、类似于交错网状的褶皱结构，这是由于餐厨垃圾内部官能团在化学引发的条件下存在交联现象，水凝胶粗糙的微观表面形貌和众多褶皱沟壑结构增加了其比表面积，极大地增加了水凝胶的吸附性能。

同时，在凝胶表面也发现了少量晶体结构物质。通过图5(c)的XRD表征分析，凝胶图谱中出现多处Na2SO4的结晶衍射峰，说明凝胶表面的晶体结构物质是SPS反应生成的Na2SO4晶体。另外，餐厨垃圾原料在17.04°、19.76°各存在一处含有C、H、O元素的有机化合物特征峰，而水凝胶中这两处特征峰消失，变为明显的广谱峰，峰值在2θ=15°～25°之间，表明凝胶是无定形结构[10]，这与SEM的表征结果相吻合。

(a)餐厨垃圾原料的SEM图像 (b)水凝胶样品的SEM图像 (c)餐厨垃圾原料和水凝胶的XRD图谱

4 结论

1)以餐厨垃圾为原料，丙烯酰胺作为单体、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂、过硫酸钠作为引发剂，采用接枝共聚法可以制备得到一种高溶胀性水凝胶。

2)对于 50 mL 的餐厨浆液，当反应温度为 70 ℃，单体用量为 2.0 g，交联剂用量为 0.07 g，引发剂用量为 0.5 g 时，制备得到的水凝胶溶胀率最大，可达705.8%。

3)通过XRD和SEM的表征，水凝胶表面呈无规则交错及褶皱沟壑结构，这是其具有高溶胀性能的基础。