兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究：
兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，針對兩性聚丙烯酰胺制備過程中極易發生的陰離子和陽離子不相容問題，利用陰離子型聚丙烯酰胺進行 曼尼奇反應，再對其進行季胺化，制備了兩性聚丙烯酰胺，發現碳酸二甲酯具有最好的季胺化效果。當聚丙烯酰 胺、甲醛和二甲胺的反應物質的量比為1 1. 1 1. 2,反應溫度為45 °C,反應時間為4h,最后用碳酸二甲酯季胺化，所 得兩性聚丙烯酰胺絮凝性能最佳。
引言
在處理綜合廢水及較難脫水的膠體廢水發揮巨大作用。
兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，使用兩性聚丙烯酰胺處理廢水，具有較大的濾 水量，較低的濾餅含水率，并且能在較大pH范圍內 使用[-2]，其綜合性能優于傳統的陰、陽離子聚丙烯 酰胺[-5]，具有廣泛的應用前景。兩性聚丙烯酰胺 的合成方法分為共聚法16]和大分子改性法。雖然 共聚法產品不需任何改進，基本無“三廢”，投資設備 少，生產成本低，但該方法首先要制得兩性離子對單 體，要求離子對單體結構相似，不易發生自發聚合， 且聚合時還得設法除去單體中的抗衡離子的影響。 而大分子改性法是基于聚丙烯酰胺進行Maj- nichl-9]或Hoffmannl10]反應，使聚丙烯酰胺產生陽 離子性，并且都是需要進行季胺化才能在大范圍的 pH值內顯示陽離子性，這兩種方法簡單易行，可現 場操作。但是Mannich反應的季胺化試劑硫酸二甲 酯(或氯化烷）和Hofmann反應的季胺化試劑高濃 度次氯酸鈉均有劇毒，會對環境造成危害。
陰離子聚丙烯酰胺由于價格稍低，在選礦、造紙 以及廠礦污水處理等領域應用較多，且效果很好;陽 離子聚丙烯酰胺價格高，廣泛在公共財政支撐的城 市生活污水處理領域。兩性聚丙烯酰胺具有沉淀性 能好，泥餅含水率低且用量少等優點，而且分子獨 特，比較適合處理其他絮凝劑難以處理的場合。
本文通過Mannich反應制備了一種兩性聚丙烯 酰胺，并嘗試了新的季胺化試劑，發現碳酸二甲脂做 季胺化試劑不僅綠色環保，并且具有較好的絮凝效 果和較廣的使用范圍。
1實驗部分
1- 1實驗藥品
陰離子型聚丙烯酰胺，工業品，兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，分子量1600~ 1700萬，任丘市天時化工有限公司；甲醛，分析純， 濟南白云有機化工有限公司；二甲胺，化學純，北京 益利精細化學品有限公司；碳酸二甲酯，分析純，天 津市光復精細化工研究所;鹽酸，氯化銨，分析純，北 京北化精細化學品有限責任公司。
1.2實驗儀器
721型分光光度計，上海精密科學儀器有限公 司；NEXUS 670型傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet
公司。
1.3試驗方法
在攪拌的條件下，先向聚丙烯酰胺溶液中加入 甲醛，在一定溫度下反應0.5h后，再向反應溶液中 加入二甲胺，繼續反應4h后，完成甲基化反應，然 后降低溫度至30 °C加入季胺化試劑反應0. 5h后， 完成季胺化反應。進行絮凝實驗，用具塞量筒裝入 200mL 3 %。的高嶺土溶液，靜止一段時間后，測量其 吸光率A 0,然后再加入絮凝劑，翻轉20次，再靜止 相同的時間，測其吸光率A 1。
2結果與討論
2.1醛胺的用量對絮凝性能的影響
在使用甲醛和二甲胺改性時，胺與醛物質的量 比大于1,這樣可以保證反應體系的pH值大于7, 此反應須在堿性條件下進行，但是，如果二甲胺的量 用量過多，不僅會增加成本，還會影響產品的絮凝性 能，結果如圖1所示。
圖1聚丙烯酰胺與甲醛和二甲胺物質的量比與 兩性聚丙烯酰胺絮凝性能的關系
Fig. 1 Effect of the molar ratio of PAM to dimethylamine and PAM to formaldehyde on the sedimentation ratio of AmPAM
由圖1可以看出：在固定醛和聚丙烯酰胺為一 定用量時，在聚丙烯酰胺與二甲胺物質的量的比達 到1: 1. 2時，其絮凝性能達到最大;而當固定胺和聚 丙烯酰胺為一定比例時，在聚丙烯酰胺與甲醛物質 的量的比達到1: 1. 1時,絮凝效果最好。故選擇聚 丙烯酰胺、甲醛與二甲胺的物質的量的比為1: 1. 1: 1. 2來進行曼尼奇反應。
2.2反應物質量分數對絮凝性能的影響
本實驗由于使用的是高分子量的陰離子聚丙烯 酰胺,故其在配成水溶液時會顯示出很大的粘性，如 果濃度太小，則反應產物就會含量很低，浪費資源， 如果濃度太大，其體系黏度就會非常大，即使攪拌速 度很大，也不會使溶液反應充分，并且過度的攪拌會 打斷分子鏈,使分子量降低，影響其絮凝性能，實驗 結果如圖2所示，由圖2可以看出：當聚丙烯酰胺的 質量分數為1%時，兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，沉降率最大，絮凝效果最好。
2.3反應溫度對絮凝性能的影響
反應溫度是影響兩性聚丙烯酰胺絮凝性能的一 個重要因素，因為反應溫度不同，其物質的反應活性 不同。溫度過低時，聚丙烯酰胺活性不夠，分子鏈活 動小，不能充分和甲醛和二甲胺反應.而且反應體系
黏度高，攪拌困難，聚丙烯酰胺易成團，形成‘魚眼”。 溫度過高時，產物易發生交聯，攪拌時易打斷分子
鏈，使分子量降低，并且還會增加成本。
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圖2反應物質量分數與兩性聚丙烯酰 胺絮凝性能的關系
Fig. 2 Effect of the mass fraction of PAM on the sedimentation ratio of AmPAM
從圖3可以看出：在溫度45 °C的時候,沉降率 最大,達到了 95%,因此45 °C是最佳溫度。
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圖3反應的溫度與兩性聚丙烯酰胺絮凝性能的關系
Fig. 3 Effect of the reaction temperature of PAM on the sedimentation ratio of AmPAM
2.4反應時間對絮凝性能的影響
反應時間是在反應過程中的一個重要因素，兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，反 應時間的長短直接決定了反應是否充分，在反應過 程中陰離子型聚丙烯酰胺被轉化為兩性聚丙烯酰胺 的程度，由圖4可以看出，在反應4h后所得的兩性 聚丙烯酰胺的最大沉降率最大,絮凝性能最好，時間 過長，體系就會發生交聯,所制得產品很難溶解，對 兩性聚丙烯酰胺的投放產生影響。
2.5不同季胺化試劑對絮凝性能的影響
由甲醛和二甲胺改性制得的聚丙烯酰胺是叔胺 型，故需要將其季胺化，以前用的季胺化試劑大多用 硫酸二甲酯或者氯甲烷[11]，但是其毒性和致癌性,
以及對儀器的腐蝕，使其在綠色化學方面有很大不 shing House. All rights reserved, http://www.cnki.net
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圖4反應時間與兩性聚丙烯酰胺絮凝性能的關系
Fig. 4 Effect of the reaction time on the sedimentation ratio of AmPAM
足，故本試驗嘗試采用碳酸二甲酯來代替[12]，同時 也采用其他試劑來季胺化[13]，希望找出最佳效果。 因為陰離子型的聚丙烯酰胺在中性和酸性條件下表 現出很好的絮凝性能，在堿性條件下略差，而兩性的 聚丙烯酰胺在未經過季胺化之前與陰離子型聚丙烯 酰胺性質基本一致，表現不出陽離子性來，所以，只 要比較堿性條件下的絮凝性能，就能分辨出季胺化 試劑的效果。
表1可以看出，碳酸二甲酯作季胺化試劑絮凝 沉降效果好。兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，由圖5可以看出，反應后形成的兩性 聚丙烯酰胺在廣泛的pH范圍內，都有較好的絮凝 效果，都達到90%以上。
值
H
p
的
同
不
在比
al
V
H
p
圖5 季胺化的AmPAM 范圍內的沉降率變1 Fig. 5 Variation in sedii of AmPAM with
1 — AmPAM； 2- 圖6產物和原料的紅外 Fig. 6 FT-IR spectra oj
原PAM譜圖所沒有的峰，而」 化后的特征官能團峰，其他的m 明，陰離子型聚丙烯酰胺經過i 聚丙烯酰胺。
表1不同的季胺化試劑在堿性條件下最大沉降率
Table 1 Sedimentation ratio of AmPAM with different quaternized reagents
試劑最大沉降率/%
原PAM溶液66. 70
氯化銨和鹽酸季胺化后的溶液83. 30
碳酸二甲酯季胺化后的溶液95
PAM
'光譜對比分析
f the polymers
且這都是反應后季胺 $兩者基本一致，這說 應，已經轉變成兩性
2. 6兩性聚丙烯酰胺的紅外分析
圖6是反應產物和反應原料的紅外光譜對比分 析圖，兩性聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能研究，從圖6可以看出，3381. 3 cm- 1為N-H健的 伸縮振動峰，2935. 2cm- 1為C -H健伸縮振動峰， 1658. 3cm- 1伯酰胺的強吸收帶即羰基的伸縮振動 峰，1564. 7 cm- 1為季胺化后一CO —NH -C —健的
-1
為季胺鹽的C 一N健伸縮
伸縮震動峰，1045. 5 cm
振動峰。
通過原PAM和反應后的PAM的紅外光譜圖
3結論
(1)對陰離子型聚丙烯酰) 進行了研究，經系統試驗，得到 聚丙烯酰胺、甲醛和二甲胺的, 1: 1. 1: 1. 2,聚丙烯酰胺反應| 溫度為45 °C，反應時間為4h。
(2)對曼尼奇反應產物進^ 定了使用碳酸二甲酯作為季胺 產物在較寬的pH值范圍內具 紅外光譜分析，陰離子型聚丙; 轉變成兩性聚丙烯酰胺。
按的曼尼奇反應工藝 J優化的工藝條件為： 反應物質的量的比為 §量分數為1%,反應
亍季胺化反應研究，確 ?化試劑，所得季胺化 :有良好的絮凝效果。
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