从皮革固体废物中提取的明胶接枝共聚物环保材料在保水固沙方面的应用外文翻译资料

 2021-12-15 22:18:26

英语原文共 9 页

从皮革固体废物中提取的明胶接枝共聚物环保材料在保水固沙方面的应用

Xugang Dang，Hongchang Yuan，Zhihua Shan

（a教育部皮革化学与工程重点实验室（四川大学），四川成都610065 b四川大学皮革制造清洁技术国家工程实验室，四川成都610065）

摘要 本实验研究的固沙材料是从皮革固体废物中提取出的明胶（G）后接枝的明胶接枝共聚物。G是通过以下方法从皮革固体废物中提取的，首先进行碱水解，然后将丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）单体接枝到G上，通过自由基共聚合成接枝共聚物（G-g-P（AM-co-AA））。接枝共聚物通过溶剂法纯化，然后通过FTIR，TG-DTG等分析技术对纯化的G-g-P（AM-co-AA）进行表征分析。结果表明，红外光谱图中明胶酰胺键和单体的吸附峰均证明AM和AA单体均与G接枝。与AM和AA单体反应后，G的热稳定性得到改善，最高分解温度约为380℃。G-g-P（AM-co-AA）具有良好的储存稳定性，稀释稳定性和耐温性。该产品具有优异的生物降解性，体现了更好的环保性和安全性。G-g-P（AM-co-AA）可与砂粒结合，形成固结层，具有良好的保水性，抗风蚀性和抗水蚀性。当质量分数为3％时，G-g-P（AM-co-AA）溶液可以满足常规沙漠环境下的固沙要求。

1.简介

生态环境质量对人类和其他生物的生存和发展起着至关重要的作用。近年来，随着人类经济的不断发展，生活质量的提高和生态环境的变化，荒漠化已成为一个严重的问题。细砂颗粒悬浮在周围环境中，会导致大气和水质严重退化。特别是当地增加的沙量成为主要的空气污染物，以及浮尘的天气加剧了总悬浮颗粒物（TSP）的污染。预防和消除沙漠化的有效方法是防尘和固沙。最常用的方法是种植固沙，人工固沙和化学固沙。化学固沙是一种重要的防治荒漠化方法，因为其成本低，效率高，柔韧性好，以聚合物为主要材料。化学固沙主要依靠固结层的形成，将化学物质喷洒在沙子上，使松散的沙子相互粘结，形成防风固沙的保护层。目前，随着研究人员的进一步努力，化学固沙材料在控制沙尘的产生方面表现出良好的效果。但是，大多数固沙材料都无法之间在环境保护与应用性能上找到很好的平衡。因此，准备和开发有效，方便，可再生的生态环境非常重要。

明胶（G）作为一种可再生和可生物降解的材料，具有一些优异的性能，例如：广泛的应用性，生物降解性，高质量生物兼容性，无毒，不易燃，高反应活性，高分子量，重量轻，易于获得，成膜等，这开辟了新的领域固沙的应用机会。基于前者研究，G具有广泛的用途和来源，但是，可用于沙漠化和沙尘天气控制从皮革固体废物中提取的G的报道却很少。本研究主要应用胶原蛋白G的良好成膜性和粘度性，达到砂粒润湿固结的效果，不仅可以有效防止和减少砂污染，还可以很好地提高皮革固体的回收利用率。此外，基于前者的研究，G和土壤颗粒/尘埃颗粒之间的固结层可以保持土壤水分，这进一步表明G具有前景广阔，如：能源材料，农业覆盖材料，除尘器和化学固沙材料。

然而，由于许多固有的弱点（例如：热粘和冷脆性，有限的保水性，有限的耐腐蚀性等），G在应用中存在许多缺陷，G通常需要在应用中进行修改。本研究采用丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）单体对皮革固体废物中提取的G进行改性，合成了接枝共聚物（G-g-P（AM-co-AA）），再应用于固沙。根据先前的研究，由于具有优异的粘性和高吸水性，AA和AM已被广泛应用于制备共聚物。例如，AA和AM的共聚以形成高吸水剂或通过接枝乙烯基单体（如丙烯酸甲酯，丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA））合成了藻酸盐基接枝共聚物。同时，由于AM分子中存在大量反应基团（-NH2），所形成的接枝共聚物（AA-co-AM）可通过化学改性反应与天然生物聚合物（G）交联，这不仅可以改善G的性质，还可以增加吸水和保水性，达到防尘效果。此外，AA价格便宜且易于聚合成高分子量的产物。因此，在实验中，G用AA和AM接枝以制备共聚物，用于固沙。实验发现接枝共聚物不仅可以有效地防止和减少沙子污染，而且还可以改善皮革固体废物的回收利用。即，皮革固体废物的资源利用和沙子污染的抑制巧妙地结合在一起，这是一个出色的“世界最佳”解决方案。

2.实验部分

2.1物料

明胶（G）由我国教育部皮革化学与工程重点实验室（四川大学）制备（灰分含量0.15％，脂肪含量0.95％，总铬含量30mg/kg，分子量9-26.5kD）。分析试剂（硫酸，丙烯酰胺（AM），丙烯酸（AA），过硫酸钾，氢氧化铵，盐酸，氢氧化钠，过氧化氢，甲醇，甘油，乙醇，丙酮和二甲基甲酰胺（DMF））由中国成都树都有限公司提供。80-100目砂粒样品来自中国陈生矿业有限公司。

2.2G-g-P（AM-co-AA）的制备

将G和蒸馏水按一定比例混合加四颈烧瓶中。混合后，将体系连续搅拌并加热至80℃，通入氮气。然后，缓慢添加选定质量分数的AA/AM（AA和AM的最佳混合重量比为1：4）混合单体和2/3引发剂（引发剂的剂量为单体质量的1.0％）。在固定时间后，将其余的引发剂也加入到系统中，并保持温度1小时。最后，将反应体系的温度冷却至室温，用氢氧化铵溶液将pH调节至7，获得接枝共聚物（G-g-P（AM-co-AA））。在整个过程中使用半连续滴加的进料模式。

2.3制备产物的分离和纯化

首先，从无水乙醇中提取制备的混合物，用真空泵脱水，得到絮凝沉淀物，用蒸馏水洗涤，除去未反应的原料。然后将纯化的样品放入在中索氏提取器提取12小时。最后，将纯化的接枝共聚物在60℃下干燥至恒重。

2.4稳定性测试

G的溶解度大于约40℃，但在室温下水中溶解度很低，容易出现分层和沉淀现象。为了研究外部条件对接枝共聚物溶解性的影响，进行了共聚物的稳定性实验。

储存稳定性：将制备的G-g-P（AM-co-AA）在常温下放入烧瓶中，然后静置时间分别为1天，10天，30天，180天和360天。

稀释稳定性：制备的G-g-P（AM-co-AA）分别稀释2,5,10,50和100倍，然后在常温下放入烧瓶中30天。

储热稳定性：将制备的G-g-P（AM-co-AA）放入烧瓶中，然后将温度分别调节至0,5,25,45和50℃。 C持续48小时。观察到了分层和降水现象。

2.5FT-IR分析

通过傅立叶变换红外光谱仪分析G与AM和AA单体的官能团之间的化学相互作用。将干燥的G和G-g-P（AM-co-AA）用搅拌器造粒，然后在选定的波数区域（4000cm-1至500cm-1）测试用光谱级KBr粉末稀释的定量粉末样品）。

2.6TG-DTG分析

使用TGA测试干燥的G和G-g-P（AM-co-AA）的热重分析。使用具有冷冻冷却系统和氮气氛的TG209F1热分析仪进行测量，以达到0℃的温度。将干燥的粉末样品称重（3~5mg）并在TGA分析仪器中分析热稳定性和重量变化，参照物是空盘。记录TGA热分析图，同时从45℃加热到600℃的加热速率为10℃min-1。

2.7生物降解性分析

材料生物降解性的测试方法包括氧摄取率，底物去除率，CO2生成，微生物指数和BOD 5 / COD Cr值方法。 在该研究中，使用BOD 5/COD Cr值的方法来确定G-g-P（AM-co-AA）的生物降解性。如果BOD5/CODCr值大于0.45，则材料易于生物降解;如果该值大于0.3且小于0.45，则该材料是可生物降解的;如果该值大于0.25且小于0.3，则材料不易生物降解;如果该值小于0.25，则材料是不可生物降解的。

2.8G-g-P（AM-co-AA）的应用性能

2.8.1保水性测试

模型设计：用漏斗将一些80-100目的天然沙子倒扣在玻璃培养皿上（直径：9厘米）。形成的锥形砂桩模型如图1所示。

试验方法：通过在设计的砂桩模型的表面上滴加G-g-P（AM-co-AA）溶液进行实验（图1）。G-g-P（AM-co-AA）溶液的浓度分别为水重量的0.1％，2％，3％，4％和5％。将G-g-P（AM-co-AA）溶液均匀喷洒在砂桩模型的表面上;然后将培养皿置于恒温恒湿设备中，温度调节至50℃，湿度20％。获得系统的原始重量，记录重量变化24小时。

记录每种溶液的三个实验读数，并取平均值。砂桩模型样品失重率的计算公式如下：

其中，w用于表示砂桩模型样本的重量损失率;M（g）表示水蒸发后的砂桩模型和培养皿的总重量;M0（g）表示水蒸发前的砂桩模型和培养皿的总重量;m（g）代表培养皿的重量。

图1.锥形砂桩模型

2.8.2抗风蚀试验

通过实验室合成的风阻装置测试了设计砂桩模型的抗风蚀（见图2）。通过改变鼓风机与砂桩模型之间的距离，可以调节出口区域的风速。 通过风速计测试风速。

试验方法：通过在设计的砂桩模型表面喷涂G-g-P（AM-co-AA）溶液进行抗风蚀试验。然后将样品模型放入恒温恒湿设备中干燥12h，温度调节至50℃，湿度为20％。之后，取出样品，用于不同风速的测试。记录每种溶液的三个实验读数，并取平均值。测试一式三份进行。

恒定风速，不同水平的G-g-P（AM-co-AA）：将风速调节至15m/s（对应于近风），喷洒不同浓度的G-g-P（AM-co-）进行抗风蚀实验。浓度为1,2,3,4和5％的溶液。

恒定G-g-P（AM-co-AA），不同水平的风速：将G-g-P（AM-co-AA）的浓度调节至3％，在设计的砂桩模型表面喷涂3％的G-g-P（AM-co-AA）溶液进行抗风蚀实验。风速为12,14,16,18和20米/秒。

图2.风蚀的实验装置（1-可调风机; 2-风道; 3风速测量; 4砂桩模型; 5-砂回收系统）

2.8.3抗水侵蚀试验

通过在设计的砂桩模型的表面上喷洒浓度分别为1,2,3,4和5％的G-g-P（AM-co-AA）溶液进行抗水蚀实验（图1）。然后将模型放入恒温恒湿设备中干燥12小时，直至形成恒重模型（100g），并将温度调节至50℃，湿度为20％。之后，将样品放置在合适的位置（参见图3），并使用水（10L/m2）来模拟雨水测试。然后将模型置于恒温恒湿设备中再次干燥25小时，并将温度调节至50℃，湿度为20％。记录样品模型的外观和重量残留。

2.9G-g-P（AM-co-AA）和沙子之间的组合形式

通过将浓度分别为1,2,3,4和5％的G-g-P（AM-co-AA）溶液均匀混合到砂中，研究了G-g-P（AM-co-AA）与砂砾之间的组合形式。将样品自然干燥，用Hitachi S-4800扫描电子显微镜观察干燥样品的微观结构。

图3.水腐蚀的实验装置

3.结果和讨论

3.1稳定性分析

不同条件（温度，浓度，时间）的G-g-P（AM-co-AA）的稳定性示于表1中。可以看出，当样品置于不同温度（0,5,25,45和50℃）时，G-g-P（AM-co-AA）表现出良好的稳定性。并且测试的G-g-P（AM-co-AA）溶液除了放置360天的样品外没有出现分层，变色，腐臭和沉淀现象。结果表明，G-AM与AM单体反应后，G-g-P（AM-co-AA）具有良好的接枝能力。此外，结果也表明接枝共聚反应发生在G和AM与AA单体之间，可以提高共聚物的稳定性。该研究进一步表明，G-g-P（AM-co-AA）具有良好的储存稳定性，稀释稳定性和热稳定性，可以增加共聚物的应用。

3.2FT-IR分析

图4显示了G，AA，AM和G-g-P（AM-co-AA）的FT-IR光谱。在G光谱中，在约3340cm-1处存在强吸收峰，这是由于酰胺基（N-H）的伸缩振动吸收。另外，1663cm-1,1558cm-1和1239cm-1的条带分别为酰胺I，酰胺II和酰胺III的吸收峰。通过与G比较，在G-g-P（AM-co-AA）中，酰胺I，酰胺II和酰胺III的特征吸收峰明显出现在1685cm-1,1550cm-1和1240cm-1处，并且具有20cm-1的蓝移，这可能是由于G和AM之间羰基的吸收峰重合，并且表明了G和AM之间发生了接枝共聚反应。在AA和AM光谱中，3187cm-1和3190cm-1处的谱带被指定为碳-碳双键（C=C）的吸收峰。在G与AM和AA单体反应后，碳-碳双键的吸收峰大量出现在G-g-P（AM-co-AA）中。此外，1407cm -1处的谱带被指定为C-N的吸收峰，这表明酰胺键随着接枝共聚的形成而增加。结果表明，G和AM与AA单体的接枝共聚合成了具有活性基团的G-g-P（AM-co-AA）。

图4.G（a），AA（b），AM（c）和G-g-P（AM-co-AA）（d）的FT-IR光谱

3.3TG-DTG分析

图5为G和G-g-P（AM-co-AA）的热稳定性测试结果。可以看出，最大的失重率温度是G-g-P（AM-co-AA）线上的最高温度，在380℃以上，这表明在G-g-P（AM-co-AA）中形成了一定数量的有机化学键，通过G和AM与AA单体之间的接枝共聚合。另外，与G的重量损失相比，G-g-P（AM-co-AA）的重量为100g与之前几乎不变，表明G-g-P（AM-co-AA）在100℃以下没有分解，满足大部分使用的固沙材料时的温度。在130-240℃的范围内，与G的重量相比，G-g-P（AM-co-AA）的重量损失率约为15％，远低于G的重量，结果表明G-g-P（AM-co-AA）能更多结合水，可以更好地反映G-g-P（AM-co-AA）的保湿性能。结果表明G-g-P（AM-co-AA）具有优异的热稳定性。

图5.G（a）和G-g-P（AM-co-AA）（b）的TG-DTG图谱

3.4生物降解性分析

影响有机聚合物材料生物降解性的因素是材料的主链结构。人们

资料编号：[5072]

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