陽離子型聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究,對于含有機物的的廢水中需處理的污染物以帶負電荷為主，那么絮凝劑若帶正電 荷，就能增加對有機污染物的處理能力，因此陽離子聚丙烯酰胺對污水的處理效果相對 聚丙烯酰胺來說較優。

3.1陽離子型聚丙烯酰胺的合成方法及性能表述

3.1.1陽離子型聚丙烯釀胺的合成

將一定配比的二甲基二烯丙基氯化銨、丙烯酰胺、蒸餾水、引發劑和各種助劑加入 廣口瓶中，用鹽酸調節pH值，攪拌，使物料混合均勻，封口，靜置反應。控制反應溫度 和時間，得到粘稠膠狀聚合物，取出并用無水乙醇洗滌，然后置于表面皿上于烘箱中烘 干，粉碎，造粒，最后得到陽離子型共聚物DMDAAC-AM的粉狀物。

3.1.2陽離子聚丙烯酰胺相對分子質量的測定

陽離子聚丙烯酰胺相對分子質量的測定方法如2.3所示。

3.2合成陽離子聚丙烯酰胺的結果與討論

陽離子聚丙烯酰胺的合成實驗中共有四個因素是影響合成效果的主要因素，即AM 與DMDAAC質量比、加水量、Na2S03和K2S208的量、溫度，因此分別針對這四個因素 進行實驗，并找出最佳反應條件。

3.2.1 DMDAAC與AM質量比對絮凝劑相對分子質量的影響

選擇DMDAAC: AM的質量比為0.4、0.5、0.75、1.0、1.5,其它條件相同的情況下

表3-1 DMDAAC與AM的質量比對絮凝劑相對分子質量的影響

DMDAAC與AM的質量比Mr (xlO5)

0.41.68

0.52.76

0.752.24

11.83

1.51.49

聚合生成產品，干燥后稱取0.5克加水溶解測得相對粘度[n]，計算出相對分子量Mr, 實驗結果如表3-1所示。

圖3-1 DMDAAC與AM的質童比對絮凝劑相對分子質量的影響

由表3-1可知，當DMDAAC: AM質量比為0.5時，所得共聚物的相對分子量最大， 因此得知共聚物的單體配比最佳值為1: 2。

3.2.2加水量對絮凝劑相對分子質量的影響

稱取3gAM, 1.5gDMDAAC，加水量分別為25、20、15、10、5ml,其它條件相同

的情況下聚合生成產品，干燥后稱取0.5克加水溶解測得相對粘度[1!]，計算出相對分 子量Mr，實驗結果如表3-2所示。

表3-2加水量對絮凝劑相對分子質量的影響

加水量（ml)Mr (xl〇5)

250.88

201.98

153.39

102.61

51.75

 

4;

由表3-2可知，隨著溶劑量的增加，絮凝劑的相對分子質量開始增大，當加入的水 量到15ml時相對分子質量又開始下降，因此，加15ml水所得絮凝劑相對分子量最大。

3.2.3Na2S03用量對絮凝劑相對分子質量的影響

由于引發體系為Na2S03-K2S208, Na2S03用量對合成效果也有一定的影響，在體系 中分別加入2、4、6、8、10ml0.01mol/LNa2S03及8ml0.01mol/L K2S2〇8時，所得絮凝劑 相對分子量隨Na2S03的用量變化如表3-3所示。

表3-3 Na2S03用量對絮凝劑相對分子質量的影響

Na2S03用量（ml)Mr (xlO5)

23.31

43.52

61.63

81.49

101.37

Na2S03用量（ml)

圖3-3 Na2S03用量對絮凝劑相對分子質量的影響

由表3-3所示，當引發劑中Na2S03用量為4ml時，陽離子型聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究,絮凝劑的相對分子量最大，合成的

效果最佳。

3.2.4K2S208用量對絮凝劑相對分子質量的影響

在引發體系中分別加入 4、6、8、10、12ml0.01mol/L 的 K2S208和 0.01mol/LNa2S03

4.0ml時，所得絮凝劑相對分子量隨K2S2O8用量變化如表3-4所不a

表3-4 KzS2〇8用量對絮凝劑相對分子質量的影響

K2S208用量（ml)Mr (xl〇5)

24.63

46.35

66.51

81.98

101.75

121.43

由表3-4可知，當K2S208加入量為6ml時，絮凝劑相對分子量最大，即K2S208最佳用 量為6ml。因此，當引發劑體系為K2S208_Na2S03時，在實驗條件下，將6ml0.01mol/L 的K2S208與4.0ml O.Olmol/L Na2S03混合作為引發體系是比較合適的。

3.2.5pH對絮凝劑相對分子質量的影響

在其他條件相同的情況下，pH分別選取4、6、8、10、12來進行合成實驗，相對 分子質量隨pH變化如表3-5所示。

表3-5 pH對絮凝劑相對分子質量的影響

pHMr (xl〇5)

43.01

65.14

87.63

1042.93

1242.84

由表3-5可知，隨著pH的增大相對分子質量先開始變化不大，當pH增大到8時絮 凝劑的相對分子質量開始迅速增大，直到增大到12時，相對分子質量才開始下降，這 可能是在DMDAAC-AM的聚合中，pH值越小,引發劑的半衰期越小，引發速率加快， 活性中心多，聚合度下降，導致W減小，相對分子質量也減小。因此，合成的最佳pH 值為10。 3.2.6聚合溫度對絮凝劑相對分子質量的影響

在其他條件相同的情況下，分別選取聚合溫度為50°C、60°C、65°C、7(TC、75°C、 80°C來進行合成實驗，相對分子質量隨聚合溫度變化如表3-6所示。

表3-6聚合溫度對絮凝劑相對分子質量的影響

聚合溫度/rMr (xl〇5)

501.28

601.37

651.41

701.79

752.33

802.12

由表3-6可知，隨著溫度升高到一定程度聚合物的相對分子質量減小，這是由于 DMDAAC與丙烯酰胺共聚是自由基聚合反應，而自由基聚合中，由于鏈引發反應的活 化能較高，溫度升高使鏈終止反應速率的增幅比鏈增長反應速率大得多，使聚合物的相 對分子質量減小；另一方面，隨著溫度的持續升高，聚合反應速率繼續加快，聚合放熱 增加，由于熱量不能及時釋放，導致聚合物的相對分子質量降低，所以最佳合成溫度為 75。。。

3.2.7合成陽離子聚丙烯酰胺的正交實驗

根據以上單因素實驗，分別考察溫度、加水量、引發劑和pH值對合成高分子量 CPAM的影響，設計的正交表如表3-7所示并根據表3-7的標準對實驗結果進行分析， 其中加入3gAM，1.5gDMDAAC，引發劑為K2S208—Na2S03引發體系，濃度分別為

0.01mol/L 以 V(K2S208): V(Na2S03)= 3:2 的比例混合。

由表3-7可知，合成陽離子聚丙烯酰胺的最佳工藝條件為：溫度80°C，陽離子型聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究,pH=10,在 3gAM，1.5gDMDAAC體系中加入15ml左右水，弓丨發劑為Na2S03-K2S208組成的氧化還 原體系，用量為 12ml, V(K2S208):V(Na2S03):=3:2。

3.3陽離子聚丙烯酰胺的絮凝性能實驗結果與討論

除濁率、色度去除率的實驗及計算方法如2.4.2.1、2.4.2.2所示。

3.3.1不同條件合成陽離子聚丙烯酰胺的絮凝性能實驗效果

將上述正交實驗所得的九個成品分別對高嶺土濁液和亞甲基藍溶液進行濁度、色度 的去除實驗，并對印染廢水進行濁度去除實驗，實驗結果如表3-8所示。

表3-7正交實驗表

序號驗rc加水M/ml引發劑/mlPHMr ( X 1〇6)

17010883.906

2701510109.017

3702012126.177

4751010123.395

5751512811.835

6752081013.440

78010121015.607

880158125.210

980201087.207

I19.10022.90822.55622.948

H28.67026.06219.61938.064

m28.02426.82433.61914.782

1/36.3677.6367.5197.649

II/39.5578.6876.54012.688

III/39.3418.94111.2064.927

級差R3.1901.3054.6667.761

因素大小pH>引發劑用量>溫度 > 加水量

甚你丁甘溫度8(TC, pH=10’ w(DMDAAC):w(AM)=l:2, V(Na2S03):V(K2S208)=2:3,引發劑

取LL丄用量為12ml,加水量為15ml左右。

表3^8陽離子聚丙烯酰胺的絮凝性能實驗

產品序號除濁率V%色度去除率/%除濁率2/%

172.9521.0843.85

264.6219.5439.77

359.1413.3736.56

454.2612.3436.12

575.9812.6048.89

681.3712.8554.27

783.3711.5757.65

880.9513.3755.52

984.167.9757.91

附注：1)除濁率、除濁率2分別為絮福初對高嶺土濁液及工業印染廢水的濁度去除率。

2) 1?9號樣品分別為前述正交實驗所得產品，陽離子聚丙烯酰胺濃度為0.5%。

由表3-8可知9號產品對高嶺土的絮凝性能最好，而1號成品對亞甲基藍的絮凝效果 最好。

 

3.3.2陽離子聚丙烯酰胺的投藥量對絮凝性能的影響

將9號產品0.5、1、2、3、4、5、6ml0.5%的溶液分別加入到25ml高嶺土濁液及]:、lk 印染廢水，〗號產品0.5、1、2、3、4、5、6ml加入到亞甲基藍溶液中，比較陽離子聚|入J

烯酰胺的投藥量對絮凝性能的影響，實驗結果如表3-9所示。

表3-9陽離了聚丙烯醜胺的用量對絮凝性能的影響

絮凝劑用量（ml)除濁率V%色度去除率/%除濁率2/%

0.583.0713.3457.43

183.2412.6157.52

283.8113.1857.63

384*7818.3558.12

479.5516.2755.19

578.8015.4354.68

677.9713/7453.27

由表3-9可知，當陽離子聚爾擇酰胺的投藥量為3ml時，絮翁致果都較好。但由于處 理的絮凝對象不同，絮凝作用不同，導致絮凝劑用量各異，所以其最佳投藥量確定必須 由實驗來確定。

3.4本章小結

1.合成陽離子聚丙烯酰胺的最佳工藝條件為：溫度80°C, pH=10, w(DMDAAC): w(AM)=l: 2,引發劑為Na2S03-K2S208組成的復合氧化還原體系,V(Na2S03):V(K2S208) =1:2,弓丨發劑用量為12ml，加水量為15ml左右。

2.正交實驗制得的共聚物中9號產品的除濁率最大，由此可知，相對分子量為720 萬左右的絮凝劑對高嶺土懸濁液絮凝效果最好。

3.對于生物染色素亞甲基藍，分子量為390萬左右的絮凝劑效果最好，但色度去除率 不是很高。

第四章聚丙烯酰胺的改性及絮凝性能研究

為了得到更好的污水處理效果，對聚丙烯酰胺進行改性。

4.1聚丙烯酰胺改性的工藝流程

將1 %的PAM水溶液裝入配有冷凝管、溫度計和攪拌器的三頸瓶中，置于45?5(TC恒 溫水浴中，調節pH值為10?11,加入定量的甲醛溶液，攪拌反應30min，然后加入定量的二 甲胺，繼續反應2h，冷卻至30°C,緩慢加入定量的硫酸二甲酯，反應30min。所得產品用無 水乙醇沉淀、洗滌、干燥，備用。

4.2改性聚丙烯酰胺的絮凝性能實驗及結果討論 4.2.1不同原料的改性絮凝效果

將1.4.1.5所得的1?9號產品按上述工藝流程進行改性，所得的改性聚丙烯酰胺經無 水乙醇處理后烘干，然后配制成溶度為0.5%的溶液，分別取5ml再對25ml的高嶺土濁液、 亞甲基藍溶液及工業印染廢水進行處理，所得絮凝結果如表4-1所示。

由表4-1所示，4號產品改性后處理廢水效果最佳，同時也可發現改性聚丙烯酰胺對 廢水的處理效果比PAM, CPAM效果更加明顯，除污能力也達到較高的水平。

表4-1改性聚丙烯酰胺的絮凝性能實驗

產品序號除濁率V%色度太•除率/%除濁奉—

179.9435,8275.59

278.3336.1973.46

382.6438.9278.76

488.3752.1284.09

579.2836.5774.53

686.5333.9582.53

783.5536.1978.48

877.8129.5171.34

984.9535.3480.26

附注：1)除濁率\除濁率2分別為絮凝劑對高嶺十濁液及工業印染廢水的濁度i除率。 2) 1?9號樣品分別為1.4. 1.5正交實驗所得產品，改性聚丙烯酰胺濃度為0.5%。

4.2.2改性聚丙烯酰胺的投藥量對絮凝性能的影響

由于4號產品的絮凝性能最佳，因此選用4號作投藥量條件實驗，將5、8、10、12、 15、20ml濃度為0.5%的4號產品分別加入到25ml的高嶺土濁液、亞甲基藍溶液及工業印 染廢水中測定不同用量的改性聚丙烯酰胺對絮凝性能的影響，實驗結果如表4-2所示。

表4-2改性聚丙烯酰胺的用量對絮凝性能的影響

用量（ml);\i除濁率V%色度去除率/%除濁率2/%

584.5753.0682.93

886.4154.2884.87

1087.0256.3785.99

1286.6953.8185.41

1583.7154.1983.21

2080.0251.5278.74

除濁率1/%

1〇〇「一■一色度i除率/%

+除濁率2/%

0.5%改性聚丙烯酰胺體積（ml)

圖4-2改性聚丙烯酰胺的用量對絮凝性能的影響

由表4-2所示，加入10ml 0.5%的改性聚丙烯酰胺對所選廢水處理的絮凝效果最佳。 4.2.3攪拌時間對絮凝效果的影響

‘在常溫下，用移液管吸取25«1丨工業印染廢水水樣置于燒杯中，陽離子型聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究,加入5ml的4號改性聚 丙烯酰胺溶液，用攪拌器攪拌不同時間后分別測其濁度。

攪拌時間對絮凝效果的影響如表4-3所示。

表4-3攪拌時間對絮凝效果的影響

攪拌時間/S除濁率/%

4076,34

6083.27

8082.96

10081.01

12079.83

14078.88

 

由表4-3可以看出，當攪拌時間在60s時達到最佳的效果，油的去除率為83.27%， 原因如下，絮凝劑加入水體之后，發生混合、反應兩個過程。在混合階段，水中的雜質 顆粒很小，一般來說，異向絮凝占主要地位，此階段要求是對水流劇烈攪拌，使藥劑迅 速均勻地擴散到全部水中以創造良好的水解和聚合條件，使膠體脫穩并借顆粒的布朗運 動和紊動水流進行凝集，故混合要快速劇烈攪拌。反應階段要慢速攪拌，促進吸附和架 橋作用，促使絮體生成。選擇合適的攪拌時間有利于絮凝劑發揮作用、加速絮凝過程和 提高絮凝效果。攪拌時間過長，會將能夠沉淀的大膠體或微粒絮體攪碎，變成不能沉淀 的小顆粒或微粒絮體，另外高分子絮凝劑的分子伸展長度比較大，攪拌時間過長或速度 過快，分子鏈在剪切力的作用下容易斷鏈，而影響絮凝效果。攪拌時間過短，絮凝劑的 濃度分布不均勻，絮凝劑和固體膠粒或微粒不能充分接觸，不利于絮凝。

4.2.3攪拌速度對絮凝效果的影響

在常溫下，用移液管吸取25ml工業印染廢水水樣置于燒杯中，加入5ml的4號改

表4*4攪拌速度對絮凝效果的影響

攬拌速度r/min除濁率/%

2068.25

4075.32

6086.61

8085.53

10062.73

性聚丙烯酰胺溶液，調節不同速度攪拌60s后分別測其濁度。攪拌速度對絮凝效果的影 響如表4-4所示。

由表4-4所示，在速度低于40r/min時，除濁率比較低，當慢攪速度在60?80r/min 之間時，絮凝效果相對比較好，而且變化比較小。原因是攪拌速度過快，能將大顆粒的 固體攪碎，變成小顆粒，使本來能夠沉淀的顆粒變成不能沉淀的顆粒，降低了絮凝效果； 攪拌速度太小，絮凝劑與膠體接觸不充分，絮凝效果也不好。

4.2.4靜置時間對絮凝效果的影響

在常溫下，用移液管吸取25ml工業印染廢水水樣置于燒杯中，加入5ml的4號改性聚 丙烯酰胺溶液，用攪拌器以速度7〇r/min攪拌60s后，靜置不同時間后分別測其濁度。

靜置時間對絮凝效果的影響如表4-5所示。

表4-5靜置時間對絮凝效果的影響

靜置時間/min除濁率/%

545.12

1058.33

1581.89

2084.64

2586.27

3086.59

o o o o o

0 8 6 4 2

0 —— 11——

010203040

靜置時間/min

圖4-5靜置時間對絮凝效果的影響

由表4-5所示，靜置時間小于15min時，隨著靜置時間的增加絮凝效果越來越好， 陽離子型聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究,過了 15min后除濁率有微小的變化，但變化不大，因為絮凝劑在溶液中形成絮體后需要 一定的時間才能沉降下來，如果靜置時間太短，絮體來不及沉淀，絮凝效果不好，從減 小水力停留時間的角度和節省成本的角度考慮，我們取靜置時間為20min。

綜合來看，通過投藥量、pH值、溫度、攪拌時間、攪拌速度、靜置時間等條件變化 來研究對絮凝效果的影響，最后得出結論：在25ml工業印染廢水中加入10ml 0.5%的改 性聚丙烯酰胺，pH值在6左右，溫度在2(TC?30°C,攪拌時間60s,攪拌速度在60?80r/min 左右，靜置時間在20min以上，除濁率最高達88.37%,能得到很好的處理效果，且比較 經濟。

4.3改性聚丙烯酰胺對洗煤廢水的處理。

高濃度洗煤廢水是指地質年代較短灰分和雜質含量較高的原煤洗選時所產生的廢 水，這種廢水特點是：1)懸浮物濃度很高；2)顆粒表面帶有較強負電荷；3)細小顆 粒含量高，粘度大；4)污泥的比阻大，過濾性能差；5)還含有一定量的Fe (III)、Mn (II)、Ni (II)等離子；是一種穩定的膠體體系久置不沉。本實驗所取樣品來自陜西 某煤礦，pH=5.4,不加絮凝劑沉降時間在24小時以上。本實驗考慮到是懸濁液就直接加 入改性聚丙烯酰胺絮凝劑；另外溶液呈弱酸性，調節pH值對絮凝效果的影響不大，所以 沒有必要調節pH值。由于洗煤廢水是反復循環利用的，因此主要任務是讓其中的懸浮煤 顆粒沉淀下來，對其它方面指標（如COD等）的要求不是太高，因此我們就主要用濁度

的去除率來表征絮凝劑的絮凝效果。因此在采用上述工藝對洗煤廢水進行處理后發現， 除濁率可達84.08 %。

4.4聚丙烯酰胺、陽離子聚丙烯酰胺及改性聚丙烯酰胺絮凝性能比較

常溫下，分別將最佳合成工藝所得的三種產品0.5%的溶液各5ml加入到25ml廢水中， 攪拌時間60s,攪拌速度在60?80r/min左右，靜置時間在20min以上，測其濁度和色度， 聚閃烯酰胺、陽離子聚丙烯酰胺及改性聚丙烯酰胺絮凝性能比較如表4-6所示。

表4~6聚丙烯醜胺、陽離子聚丙烯釀胺及改性聚丙烯醜胺絮凝性能比較

除濁率V%色度去除率/%除濁率2/%

聚丙烯酰胺74.0112.5238.26

陽離+聚丙烯醜胺84.2125.4362.76

改性聚丙烯酰胺86.8257.3983.53

附注：除濁率\除濁率2分別為絮凝劑對高嶺土濁液及工業印染廢水的濁度去除率。

由表4-6可知，就絮凝效果來說，三者處于遞增關系，陽離子型聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究,但可見使用改性聚丙烯酰胺

時，在很小的加入量下也可獲得較好除濁效果，這樣可以減小了藥劑的使用總量，降低 成本，也可減少后處理工藝，因此針對不同的處理效果可采用不同的藥劑投放工藝。

4.5本章小結

(1)改性聚丙烯酰胺相對于未改性的聚丙烯酰胺在對各種廢水的處理能力上較好， 并達到較高的處理水平.

(2)改性聚丙烯酰胺處理懸濁液的最佳工藝條件為：0.5%的水溶液投藥量在l〇ml 時，pH值在6左右，溫度在20°C?30°C，攪拌時間60s，攪拌速度在60?80r/min左右，靜 置時間在20min以上，除濁率最高可達88.37%,能得到很好的處理效果。

(3)采用上述工藝處理洗煤廢水，除濁率可達84.08%。

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