一种聚（丙烯酸-co-丙烯酰胺）水凝胶及其制备方法与在生活污水回用中的应用

本发明涉及生活污水回用，尤其是涉及一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶及其制备方法与在生活污水回用中的应用。

背景技术：

1、近年来，水凝胶作为一种环保、吸水性好、成本较低的高分子复合吸水材料受到人们的广泛关注。一方面它所具有的亲水基团如-cooh、-nh2等使其具有卓越的吸水性能，在吸收大量水的同时也能保持结构的完整性，另一方面水凝胶能够在各种物理或化学刺激下收缩，释放出吸收的水，如挤压、加热、施加电场、太阳辐照等。水凝胶脱水所需要的蒸发焓远小于其他吸水材料，这使水凝胶能够快速将水运送至表面，脱水时水凝胶释放的溶液中污染物质的浓度也会有所降低且以吸收的水为主。以上这些特点使水凝胶有可能成为一种非常有前途的污水回用材料。

2、目前各种污水回用技术如膜分离、人工湿地、高级氧化技术等都被研究用于污水回用，但都存在一些限制因素。水凝胶作为一种吸水性强和对外界刺激敏感的材料，有望实现高效、低成本、简便地从污水中回收水资源。尤其是聚丙烯酸-共丙烯酰胺(p(aa-co-am))水凝胶，具有易制备、吸水性强、合成成本低等优点。且在吸水的同时能够通过静电排斥和孔径截留等作用阻碍污水中的污染物质进入到水凝胶内部。此外，p(aa-co-am)水凝胶中的羧酸基团可电离，这有助于增加水凝胶的离子强度和对ph值的敏感性。因此p(aa-co-am)水凝胶对氨气十分敏感，在氨气氛围下可快速将吸收的水排出，且在几次吸脱水之后仍然保持结构及性能的稳定性。

3、目前，关于p(aa-co-am)水凝胶吸水溶胀的有效性已有大量研究，但是对于利用p(aa-co-am)水凝胶从生活污水中回收水资源尚无研究报道。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶及其制备方法与在生活污水回用中的应用，基于原位溶液聚合法，获得一种机械性能稳定的、高效回收水资源的水凝胶的制备方法，并补充了水凝胶在现有生活污水回用技术中的部分空白。本发明将水凝胶用于实际生活污水中，以查看其去除实际污水中的污染物和回收水资源的性能，并考察水凝胶吸脱水前后性能及形貌的稳定性并验证了利用水凝胶从城市生活污水中回收水资源的可行性，为城市生活污水的回收利用提供了一种新的思路和方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一方面提供一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)(p(aa-co-am))水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

4、在氮气氛围下将含有丙烯酰胺、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的混合溶液，混合溶液中的溶剂为水，以滴加的方式将混合溶液滴入酸碱中和后的丙烯酸溶液中，通过使用磁力搅拌，确保混合充分均匀，制得成胶溶液，水浴加热确保聚合反应完成，然后干燥得到聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶；所述聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶用于生活污水回用。

5、

6、本发明选取丙烯酸和丙烯酰胺为单体，以过硫酸铵和n,n’-亚甲基双丙烯酰胺为引发剂和交联剂。剧烈搅拌使溶液均匀共混，在隔绝空气和70℃水浴加热的条件下引发原位溶液聚合反应，制备聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶。

7、进一步地，所述混合溶液中，丙烯酰胺的浓度为35-40 g/l，n,n’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度为3-5 g/l，过硫酸铵的浓度为1-3 g/l。

8、进一步地，所述丙烯酸溶液为中和度50-70％的丙烯酸水溶液。优选的，在丙烯酸溶液中加入氢氧化钠，一部分丙烯酸中和成为丙烯酸钠盐作为单体参与自由基聚合，使聚合后的水凝胶基团在溶液中可部分解离出带负电的醋酸根离子。

9、进一步地，所述丙烯酸溶液为中和度60％的丙烯酸水溶液。

10、进一步地，所述混合溶液与丙烯酸溶液的体积比为(20-22):15。

11、进一步地，所述聚合反应中，反应温度为60-80℃，反应时间为3.5-4.5h。

12、进一步地，所述聚合反应中，反应温度为70℃，反应时间为4h。

13、进一步地，所述聚合反应为自由基聚合反应。

14、进一步地，所述干燥过程中，干燥温度为60-80℃，干燥时间为20-28h。

15、本发明的第二方面提供一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶，采用如上述所述的制备方法制备而成。

16、本发明的第三方面提供一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶在生活污水回用中的应用，将所述的水凝胶用于生活污水回用。

17、进一步地，所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶用于生活污水回用的过程如下：所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶在生活污水中吸水达到平衡，而后使吸水后的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶暴露在氨气气氛下进行脱水，对生活污水中cod、总磷、总氮、氨氮进行去除，回收水达到农业灌溉用水标准，可用于农业灌溉回用。

18、进一步地，所述生活污水中包括cod、总磷、总氮、氨氮，并且cod浓度为200～500mg/l，总磷浓度为10～50mg/l，总氮浓度为50～100mg/l，氨氮浓度为50～100mg/l。生活污水中普遍含有有机污染物，包括碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪酸、油脂、酯类等物质，同时还存在大量氨氮及总磷等物质。

19、进一步地，所述生活污水中包括cod、总磷、总氮、氨氮，并且cod浓度为284mg/l，总磷浓度为22mg/l，总氮浓度为71mg/l，氨氮浓度为69mg/l。

20、本发明所制备的水凝胶用于污水回用的优势在于：1)通过简单的原位溶液聚合法，制备出交联度高的水凝胶材料，提高其在吸-脱水过程中的性能稳定性；2)通过将其应用于生活污水中，对cod、总磷等污染物取得了一定的处理效果，其中对于总磷的处理效果尤其明显；3)本发明的水凝胶材料，可在完成多次吸水-脱水循环后依然保持稳定的物理、化学特性，从而延长了材料的使用寿命；4)相较于传统的污水回用技术(如膜分离、人工湿地、高级氧化等)该处理方法成本低廉，工艺简单，操作简便。

21、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

22、1)本发明提供的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶及其制备方法与在生活污水回用中的应用，提高了水凝胶用于实际生活污水回用的稳定性：通过水凝胶的重复吸脱水实验，证实了水凝胶结构和性能的稳定性，并通过提高交联度进一步改善了水凝胶的稳定性，将其应用于实际生活污水中，验证了实际应用的可行性，为水凝胶的实际应用提供了理论支撑。

23、2)本发明提供的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶及其制备方法与在生活污水回用中的应用，制备方法简便、材料易得成本低，且性能稳定。因此，该方法在制备水凝胶应用于生活污水回用等方面均有明显的应用前景。

技术特征：

1.一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸溶液为中和度50-70％的丙烯酸水溶液。

3.根据权利要求2所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，所述丙烯酸溶液为中和度60％的丙烯酸水溶液。

4.根据权利要求1所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，所述混合溶液与丙烯酸溶液的体积比为(20-22):15。

5.根据权利要求1所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚合反应中，反应温度为60-80℃，反应时间为3.5-4.5h。

6.根据权利要求5所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚合反应中，反应温度为70℃，反应时间为4h。

7.根据权利要求1所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的制备方法，其特征在于，所述干燥过程中，干燥温度为60-80℃，干燥时间为20-28h。

8.一种聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶，其特征在于，其采用如权利要求1至7中任一项所述的制备方法制备而成。

9.一种如权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备得到的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶或如权利要求8中所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)的应用，其特征在于，所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶用于生活污水回用。

10.根据权利要求9所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶的应用，其特征在于，所述的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)水凝胶用于生活污水回用的过程如下：

技术总结本发明涉及一种聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)水凝胶及其制备方法与在生活污水回用中的应用，制备方法包括：丙烯酸和氢氧化钠溶液在冰浴条件下中和后，在氮气氛围下加入含丙烯酰胺、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵的混合溶液，进行原位溶液聚合，干燥后得到水凝胶。将干燥后的水凝胶用于处理生活污水以回收水资源，包括：水凝胶在生活污水中吸水达到平衡，而后暴露在氨气气氛下脱水，回收水达到农业灌溉用水标准，可用于农业灌溉回用。与现有污水回用技术相比，本发明制备方法简便，成本低廉，水凝胶在对生活污水具有回用效果的同时在多个吸脱水循环内保持结构稳定。该方法在制备水凝胶并将其应用于生活污水水资源回收利用方面有明显的应用前景。技术研发人员：朱秀萍,孙语辰受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10