餐厨垃圾催化氧化和自由基聚合交联快速腐殖化及分子肥生产机制研究

An annual quantity of about 60 million tons of food wastes is being produced in China, and its high moisture content, imbalance of C/N and serious loss of nutrients seriously restrict the development of its compost disposal. In this work, a rapid humification and molecular fertilizer production from food waste via catalytic oxidation degradation and radical polymerization crosslinking is studied. Taking the advantage of targeted attack, quenching and chain length growth termination characteristics, the high moisture content food waste catalytic oxidation with the oxygen-enriched compounds (O3, H2O2), oxygen and air, as well external stimuluses such as ultraviolet radiation, microwave, ultrasonic conditions are discussed. Meanwhile, starch, cellulose and protein are be selected as the typical representatives to study the migration and transformation of carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur with the free radical reaction. Finally, the mechanism of molecular fertilizer production is also investigated with the inhibition effect of salt, oil, S element and nitro/nitroso. The results can provide a new method and scientific basis for the harmless and resourcefulness of food waste.

我国年产餐厨垃圾约6000万吨，具有高含水率、C/N不平衡、腐殖化过程营养元素流失严重等特点，严重制约其好氧堆肥的发展。本项目围绕餐厨垃圾催化氧化降解和自由基聚合交联快速腐殖化及分子肥生产这一重要科学问题，利用自由基靶向攻击及其淬灭和链生长终止特性，通过开展高含水率餐厨垃圾富氧化合物（O3､H2O2）、氧气或空气等绿色氧化剂的催化氧化，探究紫外辐射､微波､超声等外部刺激条件下降解梯次产物自由基聚合交联快速腐殖化过程机制；选取餐厨垃圾中淀粉、纤维素、蛋白质等主成分为典型代表，研究自由基靶向攻击快速腐殖化过程中碳、氮、磷、硫迁移转化规律与固定化调控策略；同时，借助复杂体系中盐分、油脂、S元素、硝基/亚硝基类化合物对自由基反应的阻滞效应，阐明分子肥生产及其反相调控机制。研究成果可为餐厨垃圾快速腐殖化资源转化与营养元素高效保留利用提供新方法和科学依据。

餐厨垃圾具有高含水率、C/N不平衡、腐殖化过程营养元素流失严重等特点。研究围绕餐厨垃圾催化氧化降解和自由基聚合交联快速腐殖化这一科学问题，一方面采用过硫酸盐高级氧化，并结合加热或紫外光催化，实现了餐厨垃圾的快速降解和腐殖化。监测了反应过程参数随氧化剂投加量和反应时间的变化趋势，解析了反应前后分子量、微观形貌和有色可溶性有机物变化规律；另一方面，以过硫酸盐高级氧化为预处理，利用自由基聚合交联技术，制备基于餐厨垃圾的高性能水凝胶材料及其生物炭，并评价了制备材料的保水和电化学性能。研究成果可为餐厨垃圾快速腐殖化资源转化与营养元素高效保留利用提供新方法和科学依据。.主要研究成果包括:.（1）首次将紫外/过硫酸盐（UV365/PS）和热/过硫酸盐（Heat/PS）高级氧化技术用于餐厨垃圾浆液的处理。考察了不同反应条件下餐厨垃圾浆液的水解产率和腐殖化程度，明确了最佳氧化剂添加量和反应时间。结合过程参数监测，认为餐厨垃圾各组分在强氧化环境中被SO4•−非选择性攻击后，快速（<12 hr）水解成小分子，随着SO4•−被消耗后，小分子在弱氧化环境中重新缩聚形成腐殖类物质。研究提出了餐厨垃圾快速催化降解与腐殖化新路径，形成了具有潜在应用价值的液体肥等产品。.（2）研发一种基于餐厨垃圾浆液的高性能水凝胶材料制备工艺。采用Heat/PS系统对餐厨垃圾浆液热预处理，以N ,N-亚甲基双丙烯酰铵作为交联剂，过硫酸钾作为引发剂，丙烯酸和丙烯酸盐作为单体，尿素作为氮源，通过自由基聚合交联，诱导预处理水解产生的大量-OH、-COOH和C=C等特征官能团间发生聚合反应，合成了具有高保水性能的氮缓释水凝胶，最大吸水率可达到351.4 g/g。.（3）基于凝胶模板法制备了高氮缺陷含量餐厨垃圾凝胶生物炭。使用餐厨垃圾凝胶基生物炭（700℃）作为正负极电极材料，成功组装了对称型水系超级电容器。该设备不仅展现出优异能量密度（39.97 Wh/kg）、能量传输效率（＞90%），还具有优异循环稳定性，10000圈循环充放电后电容保持率为88%。