陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能:
陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能,在工業污水和生活污水的處理過程中，產生的污泥，是含水量為95%?99. 5%的帶負電荷的粒子 群[,2]，必須對其進行脫水操作，以便進一步處理。陽離子絮凝劑可以中和污泥的負電荷，使其絮凝脫 水。其中陽離子聚丙烯酰胺具有正電荷密度高、水溶性好、特性粘數易于控制、能強化固液分離過程、高 效等優點[3~6]，在水處理領域中廣泛應用[7 8]。目前，國內外大多采用氧化還原引發劑、過硫酸鉀等無機 過氧化物和偶氮類引發劑，通過反相乳液聚合法和水分散聚合法合成陽離子聚丙烯酰胺。由于采用的 聚合方法和引發劑的缺陷，使合成的產物不僅特性粘數和陽離子度較低，而且產物的穩定性較差[9~11]。 陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能,為了得到特性粘數和陽離子度均較高的陽離子聚丙烯酰胺，本文在氧化還原引發劑和偶氮類引發劑組 成的復合引發體系作用下，采用水溶液聚合法合成了丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的共 聚物，并對其絮凝性能的影響進行了研究。
1實驗部分
1 1試劑和儀器
丙烯酰胺（AM)水溶液，質量分數40% (工業品）；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC)水溶液， 質量分數 78% (工業品）；（NH4)2S2Os(APS)，CH3NaO3S* 2H2O(SFS)，I(2S2OS(KPS)，NiiSO3(SB)， 2,封禺氮[2~( 2-米唑啉-2基）丙烷]二氫氯化物（V-044)，以上試劑均為分析純。烏氏粘度計，® = 0.5mm，用一點法在（30+ 0.05) °C，1mol/LN£l水溶液條件下測定;UV755B型紫外■可見分光光度計 (上海精密科學儀器有限公司）。
1 2合成方法
在反應器內加入AM、EMC和去離子水，攪拌均勻，通N2氣15min在25°C時加入復合引發體系引 發聚合，當反應液粘稠時停止通N2氣，繼續反應2.5 h后，取出膠體造粒，烘干粉碎，得到粉狀陽離子聚 丙烯酰胺產物（P( DMC-AM ))。
1 3絮凝性能評價
絮凝性能用污泥處理后上層清液的透光率、絮凝率及污泥脫水率表示[12]。
將所得P(DMC-AM)配成溶液，滴加到14.81 g污泥中，離心沉降30min后，靜置10mi，取距液面 30 mm處的上層清液用紫外-可見分光光度計測其透光率，并稱量所得清液的體積，陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能,用下式計算絮凝率 (R )和污泥脫水率（Rd)。
結果與討論
2 1氧化還原引發劑質量分數對產物P(DMC-AM)特性粘數的影響
低溫條件下用低濃度的氧化還原引發體系引發AM-DMC共聚的后期，自由基濃度急劇降低，鏈終 止反應速度也顯著加快,難以得到高特性粘數的產物,此時添加偶氮類引發劑可延緩鏈終止反應，有利 于特性粘數的提高。因為偶氮類引發劑分解速率較低，通常在50 °C以上才能分解，且只形成一種自由 基,對產物不發生連轉移。采用氧化還原反應使體系引發后溫度逐漸上升，促使偶氮類引發劑緩慢分 解，從而維持體系中的低自由基濃度。不同復合引發體系中氧化還原引發劑質量分數（與單體的質量 比）、偶氮類引發劑質量分數(與單體的質量比）對產物特性粘數的影響如圖1和圖2所示。
0.007 50.010 00.012 50.015 0
on the intrinsic viscosity of product
(V-044)/%
圖2偶氮類引發劑質量分數 對產物特性粘數的影響
Fig 2 Effect of the azo-can pound concentration
〇 (oxi-red) / %
圖1氧化還原引發劑質量分數對產物特性粘數的影響
Fig 1 Effect of concentration of the oxidation-reduction initiator on the intrinsic viscosity of product initiator system: 1 KPS SB，V-044 2 KPS SFS, V-044 3. APS SFS V-044 4 APS, SB，V-044
F ig 3 Effect of the cationic degree on
the intrinsic viscosity of product w ( m onon er) % : a. 40, b 45 c 50
由圖1可見，產物的特性粘數隨著氧化還原引發劑質量分數的增加先增加后降低。對于不同復合 引發體系，產物特性粘數達到最佳值時的氧化還原 引發劑質量分數是不同的。采用（NH4)2S2〇8、
CHsNaOsS* 2H2O和偶氮類化合物組成的復合引發 體系，聚合物的特性粘數均大于8. 0 dL/g當氧化 還原引發劑質量分數為0. 015 0%時,聚合物的特性 粘數達到最大值9.3 dL/g由圖2可知，產物的特 性粘數隨著偶氮類引發劑質量分數的增加也是先增 加后降低，當偶氮類引發劑質量分數為0.012 5%
時，產物特性粘數達到最佳值11.5 dL/g這是因為 引發劑質量分數較高時,產生自由基速率較快，陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能,自由 基相互碰撞而終止的幾率較大,使鏈終止速率加快；
同時反應速率過快導致體系熱量不易釋放，溫度驟 升，使產物特性粘數降低。
陽離子度對產物特性粘數的影響
單體質量分數（AM和DMC的總質量占整個體系的質量分數）為40%、45%、50%時，陽離子度m (EMC的質量占AM和DMC總質量的質量分數）對產物特性粘數的影響結果見圖3所示。從圖中可以 看出，產物的特性粘數隨著陽離子度的增加先增大后減小，但達到最大特性粘數值時的陽離子度隨單體 質量分數的不同而不同。單體質量分數在40%時，產物特性粘數較大,均大于11.9 dL/g。這可能是因 為陽離子度較低時，活性較高的丙烯酰胺的含量較高，導致了聚合反應速率快，縮短了反應的誘導期和 達到聚合反應最高溫的時間,產物特性粘數較低;隨著陽離子度的增大，活性較低的EMC的含量增多， 增加了反應的誘導期和到達聚合反應最高溫的時間，使單體未完全聚合，降低了產物的特性粘數。因 此，從產物的特性粘數和原料成本綜合考慮，單體質量分數為40%、叫EMC) = 40%。
2 3污泥pH對絮凝性能的影響
用稀H2SO4和N^H溶液調節污泥的洱值，在其它條件相同的情況下，污泥洱值對絮凝性能的 影響結果見表1。
表1污泥pH值對絮凝性能的影響
Table 1Effect of pH onthe flocculating perfonmance
fHFloccule sizeFloccule intensityT ran sn it tan ce T /%R d/%
1-Ii com pact72 553 965
3bigelasticity84 660 570
5bigelasticity86 261 270
6bigelasticity95 365 075
7bigelasticity93 064 173
9sn allIi com pact86 561 465
11sn allIi com pact66 649 862
從表1中可以看出，隨著rH值的增大，絮凝效果有所提高，在洱值為6.0?7.0時透光率、絮凝率 和脫水率均達到最佳值,再進一步增大rH值絮凝效果反而減低，這是因為在值為6.0?7.0時, P( EMC-AM )可顯示出較強的陽離子性，中和作用明顯。
2 4 P(DMC-AM)特性粘數對絮凝性能的影響
將污泥rH值調至6.0左右，加入質量分數為0.027%的不同特性粘數的P(DMC-AM)，其透光率、 絮凝率、脫水率的變化見圖4所示。從圖中可以看出，特性粘數在11.9 dL/g時透光率達到最大值 95. 5%。這是因為特性粘數較小時,架橋作用較弱，增大特性粘數可增強絮凝劑的吸附架橋功能，使絮 團迅速增大,從而有利于污泥的絮凝沉降，使透光率、絮凝率、脫水率增大；但特性粘數過大將會導致 P(EMC-AM)的溶解性變差，使其絮凝性能下降。因此P(DMC-AM)最佳的特性粘數為11.9dL/g。
2 5陽離子度對絮凝性能的影響
由圖5可得知，隨著陽離子度的增大,聚合物鏈之間靜電斥力增強，陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能,高分子鏈變得更加伸展,有利于 架橋效應,而且加強了與負電粒子的中和作用，有利于絮凝沉降。然而若P(DMC-AM)分子鏈上陽離子 基團過多，會造成共聚物與膠體顆粒的吸附過多,使可橋連的結構減少，除了將污水中顆粒表面的負電 荷完全中和外,剩余的正電荷會使顆粒表面電荷性質反轉，顆粒間斥力增大，不利于絮凝[3],從而使透 光率、絮凝率和脫水率降低。因此，陽離子度m (DMC)的最佳值為40%。
2 6 P(DMC-AM)與污泥的質量分數對絮凝性能的影響
將污泥rH值調至6. 0左右，P(DMC-AM)加入量對透光率、絮凝率、脫水率的變化見表2〇
表2 P(EMC-AM)用量對絮凝性能的影響 Table 2 Effect of the dosage ofP(DMC-AM) on the flocculating perfonmance
«(P(DMC-AM)) %Floccule sizeFloccule intensityT ran sm ittan ce T /%R f/%R d/%
0. 013am allIncompact91 363 445
0. 020sm allIncompact94 964 865
0. 027bigelasticity98 566 175
0. 033bigelasticity97 565 775
0. 040bigelasticity95 264 965
0. 047sm allelasticity94 764 760
從表2可看出，P(DMC-AM)的質量分數為0.027%時,各項指標達到最大值。當P(DMC-AM)質量 分數太小時，電性中和少，吸附架橋作用較弱;增加其質量分數時，初期吸附量增大，有利于電性中和與 吸附橋架，使形成的絮體粒徑增加，有利于絮凝沉降。但P(DMC-AM)又具有分散作用，用量過大時，大 量的P(DMC-AM)吸附在懸浮顆粒上成空間保護層，阻止架橋結構的形成，使已經絮凝的絮體重新分 散，陽離子聚丙烯酰胺的制備及其絮凝性能,因而絮凝性能反而變差。因此P(EMC-AM)質量分數為0.027%?0.033%時絮凝性能最佳。
F ig 6 E ffect of tonperatuiE of the wastew ater on the flocculating performance
0. 027%時,污泥溫度對絮凝性能的影響結果見
將污泥rH值調至6.0左右，《(P(DMC-AM))= 圖6。圖中可見，污泥溫度對透光率、絮凝率和脫水 率的影響甚微，說明P(DMC-AM)絮凝劑的使用不 受季節、區域的限制。
2 8與國內外同類產品的比較
將污泥PH值調至6.0左右，在其它因素保持 不變的條件下，本文制備的的P( DMC-AM )(特性粘 數11.9 dL/g)與淄博P(匪C-AM)產品（特性粘數 11.8乩化)和國外汽巴公司？（逼0~崖）產品的 (特性粘數11. 5 dL/g)(陽離子度均為30% )絮凝性 能相比較,透光率分別為98. 7%、93. 6%和98. 0% ; 絮凝率分別為66. 2%、64. 3%和65. 9% ;脫水率分 別為73. 0%、57.5%和71. 5%。結果可見,本文所 制的P(EMC-AM)絮凝效果優于國內同類產品，與 國外同類產品的絮凝效果相當。
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