抗交聯(lián)劑對(duì)聚丙烯酰胺分子量和絮凝性能的影響

丁怡然

(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650500)

抗交聯(lián)劑對(duì)聚丙烯酰胺分子量和絮凝性能的影響

丁怡然

(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650500)

采用K2S2O8/NaHSO3引發(fā)丙烯酰胺溶液聚合，探討了抗交聯(lián)劑甲酸鈉對(duì)聚丙烯酰胺(PAM)的粘均分子量及絮凝性能的影響。研究結(jié)果表明:以K2S2O8/NaHSO3為引發(fā)劑，反應(yīng)溫度20℃，引發(fā)劑用量為0.5‰，丙烯酰胺單體濃度40%，抗交聯(lián)劑用量為5ppm時(shí)，可獲得最高粘均分子量達(dá)1.9×107的聚丙烯酰胺。絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)抗交聯(lián)劑用量為15ppm時(shí)，所合成的PAM的絮凝效果最好，上層液體的透光度可達(dá)95%以上。

聚丙烯酰胺;抗交聯(lián)劑;分子量;絮凝性能

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源作為人類生存和發(fā)展必不可少的資源，其污染和治理問(wèn)題不容忽視。在諸多處理水污染的方法中，絮凝沉降法以其簡(jiǎn)單易行、分離效率高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，成為了水處理工業(yè)中對(duì)不易沉降的顆粒進(jìn)行分離的一種重要的方法［8］。在水處理過(guò)程中，絮凝劑能有效除去水中80%～90%的懸浮物和65%～95%的膠體物質(zhì)，有效降低水體COD;同時(shí)，通過(guò)絮凝劑凈化能將水中90%以上的微生物和病毒轉(zhuǎn)入污泥中，降低了下一步進(jìn)行消毒殺菌的難度［11］。

聚丙烯酰胺是一類重要的水溶性高分子聚合物，是有機(jī)高分子絮凝劑中用量最大的一種，其產(chǎn)量占合成有機(jī)高分子絮凝劑的80%以上。合成聚丙烯酰胺(PAM)時(shí)，希望能夠得到盡量長(zhǎng)而伸展的分子鏈，但是在實(shí)驗(yàn)中，由于聚合過(guò)程中發(fā)生的一定程度上的交聯(lián)，而不能得到理想的線性分子鏈。因此，通過(guò)加入抗交聯(lián)劑來(lái)減少交聯(lián)現(xiàn)象的發(fā)生。

本論文采用引發(fā)劑為K2S2O8/NaHSO3的氧化還原體系、水溶液法合成PAM。研究在合成過(guò)程中，改變抗交聯(lián)劑甲酸鈉的用量，對(duì)PAM粘均分子量的影響，以及改變抗交聯(lián)劑甲酸鈉的用量，對(duì)聚丙烯酰胺PAM絮凝性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料與試劑

丙烯酰胺:化學(xué)純;亞硫酸鈉、過(guò)硫酸鉀、甲酸鈉:分析純;高嶺土:化學(xué)純。

1.2合成方法

采用水溶液聚合法合成非離子型聚丙烯酰胺。在燒杯中加入一定量的丙烯酰胺和蒸餾水，于20℃恒溫下邊攪拌邊溶解，當(dāng)丙烯酰胺全部溶解時(shí)，通入氮?dú)庖猿シ磻?yīng)體系中的溶解氧，15min后，停止通氮?dú)?。加入引發(fā)劑K2S2O8/NaHSO3和抗交聯(lián)劑甲酸鈉，繼續(xù)攪拌至粘度迅速增大時(shí)，停止攪拌，在室溫下靜置48h后得到膠狀聚丙烯酰胺。

1.3聚丙烯酰胺分子量測(cè)定方法

按GB 12005.1－89《聚丙烯酰胺特性黏數(shù)測(cè)定方法》中稀釋法，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定聚丙烯酰胺樣品的粘度，依照GB/T12005.10－92計(jì)算分子量。得到的分子量為粘均分子量。

1.4絮凝實(shí)驗(yàn)方法

采用的絮凝方法為SY/T 5796－93《絮凝劑評(píng)定方法》，選用高嶺土體系進(jìn)行絮凝效果評(píng)價(jià)。用1L蒸餾水溶解60g高嶺土，高速攪拌20min后密封保存24h。稱取一定量聚丙烯酰胺樣品放于具塞試管中，加入20ml蒸餾水溶解2h。將高嶺土溶液pH值調(diào)整在一定范圍內(nèi)，在單個(gè)燒杯中稱取200g調(diào)整過(guò)pH的高嶺土溶液，以35r/min速度攪拌，同時(shí)加入配制好的聚丙烯酰胺溶液，2min后停止攪拌，靜置20min，取上層清液測(cè)定吸光度。2h后取上層清液中間層測(cè)定吸光度，同時(shí)測(cè)量沉降層高度。

2結(jié)果與討論

2.1合成工藝條件選擇

2.1.1單體濃度和引發(fā)劑用量對(duì)PAM分子量的影響

對(duì)PAM溶液自由基聚合反應(yīng)，單體濃度和引發(fā)劑用量是影響其分子量最重要的因素。不同的單體濃度和引發(fā)劑用量，得到PAM的分子量也不同。

在本文研究的體系中，不同單體濃度和引發(fā)劑用量下PAM的分子量變化如圖1。由圖1可知，當(dāng)單體濃度為30%時(shí)，PAM的粘均分子量最大可以達(dá)到5.57×106，當(dāng)單體濃度為40%時(shí)，PAM的粘均分子量最大可以達(dá)到1.492×107，當(dāng)單體濃度為50%時(shí)，PAM的粘均分子量最大可以達(dá)到9.38×106，可見(jiàn)，單體濃度對(duì)PAM粘均分子量上限的影響很大。此外，由圖1還可以看出當(dāng)單體濃度為40%，引發(fā)劑用量為0.5‰時(shí)，合成的PAM粘均分子量最高。因此，對(duì)本文研究體系而言，最優(yōu)合成條件為單體濃度40%，引發(fā)劑用量0.5‰。

2.1.2引發(fā)溫度對(duì)PAM分子量的影響

對(duì)PAM水溶液聚合反應(yīng)而言，溫度是影響聚合反應(yīng)發(fā)生劇烈程度的重要因素。溫度過(guò)低，聚合反應(yīng)不發(fā)生，無(wú)法聚合形成PAM產(chǎn)品，而溫度過(guò)高聚合反應(yīng)發(fā)生過(guò)于劇烈，不易形成長(zhǎng)而伸展的分子鏈，導(dǎo)致聚合形成PAM的分子量過(guò)低。單體濃度為40%，引發(fā)劑用量0.5‰，抗交聯(lián)劑用量5ppm的條件下，分子量隨溫度變化的趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可以看出，溫度為20℃時(shí)得到的PAM粘均分子量最高，可以達(dá)到1.91×107。隨著溫度的增加，分子量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。而當(dāng)引發(fā)溫度為15℃時(shí)，聚合反應(yīng)沒(méi)有發(fā)生，沒(méi)有得到需要的膠凍狀PAM產(chǎn)品。因此，對(duì)本文合成體系而言，最佳引發(fā)溫度為20℃。

2.2抗交聯(lián)劑用量對(duì)PAM分子量的影響

在PAM聚合過(guò)程中加入抗交聯(lián)劑是為了減少反應(yīng)過(guò)程中交聯(lián)現(xiàn)象的發(fā)生，得到長(zhǎng)而伸展的分子鏈，提高PAM的粘均分子量。然而抗交聯(lián)劑的加入量同樣存在最佳用量的問(wèn)題。圖3為本文研究的體系中，抗交聯(lián)劑甲酸鈉用量與分子量間的關(guān)系。從圖3中可以看出，當(dāng)甲酸鈉加入量為5ppm時(shí)，所得到PAM的粘均分子量最高，可達(dá)1.91×107。隨著甲酸鈉加入量的增加，所得PAM的粘均分子量均維持在1×107。此外，由圖3還可以看出，與不加甲酸鈉合成的PAM的粘均分子量相比，加入甲酸鈉的PAM樣品粘均分子量基本偏高。

2.3抗交聯(lián)劑對(duì)絮凝效果的影響

2.3.1絮凝劑最佳用量

對(duì)于不同的體系，不同的絮凝劑投入量得到的絮凝沉降效果也會(huì)不同。為了找到適合用于高嶺土體系沉降的最佳絮凝劑用量，選取甲酸鈉用量為60ppm的樣品投加到200g高嶺土溶液中，進(jìn)行絮凝劑最佳用量實(shí)驗(yàn)，高嶺土體系溶液調(diào)節(jié)初始pH值為3.73。圖4為絮凝劑用量與加入絮凝劑后高嶺土溶液上層清液20min和2h后透光率之間的關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著絮凝劑用量增加，上層清液的透光率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)絮凝劑加入量為7mg時(shí)，與其他加入量相比，絮凝體系上層清液20min和2h時(shí)候透光率高，溶液澄清度較好。圖5為絮凝劑用量與2h后高嶺土溶液沉降層高度的關(guān)系，沉降層越高，說(shuō)明加入絮凝劑后絮凝沉降下的懸浮顆粒越多，絮凝效果越好。從圖5可以看出，隨著絮凝劑用量增加，沉降層高度先增加后降低。當(dāng)加入量為24mg時(shí)，沉降層高度達(dá)到最大，其次為4、7、12mg。綜合上層清液透光率和沉降層兩個(gè)衡量絮凝效果優(yōu)劣的指標(biāo)來(lái)看，絮凝劑最佳用量應(yīng)為7mg，即3.5mg/100g(高嶺土溶液)。

2.3.2抗交聯(lián)劑用量對(duì)絮凝效果影響

確定了絮凝實(shí)驗(yàn)的最佳用量之后，測(cè)定不同抗交聯(lián)劑用量樣品的絮凝效果。分別稱取7mg、抗交聯(lián)劑濃度為0、5、10、15、20、30、40、60ppm的8個(gè)PAM樣品投加到200g高嶺土溶液中，高嶺土溶液體系初始pH值調(diào)節(jié)為3.8。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7。

從圖6可以看出，甲酸鈉用量為0、5、10、15、20、30ppm的樣品投加到高嶺土溶液體系中，沉降后溶液上層清液透光率在95%以上，溶液透光性好。從圖7可以看出，甲酸鈉用量為15ppm的樣品投加到高嶺土溶液體系2h后得到的沉降層高度最高。其次為甲酸鈉用量為60ppm、0ppm和10ppm的樣品。綜合兩個(gè)指標(biāo)來(lái)看，最適用于高嶺土溶液體系沉降的樣品為甲酸鈉加入量為15ppm的聚丙烯酰胺。

3結(jié)論

(1)本文采用溶液自由基聚合法，制備超高分子量聚丙烯酰胺絮凝劑，在引發(fā)溫度20℃、引發(fā)劑用量0.5‰、丙烯酰胺單體濃度40%、抗交聯(lián)劑用量5ppm的合成條件下，所合成聚丙烯酰胺的粘均分子量最高可達(dá)1.9×107萬(wàn)。

(2)對(duì)高嶺土溶液體系的絮凝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抗交聯(lián)劑用量為15ppm時(shí)，所合成的聚丙烯酰胺的絮凝效果最好，并且當(dāng)聚丙烯酰胺用量為3.5mg/100g(高嶺土溶液)時(shí)，上層液體的透光度可達(dá)95%以上，絮凝效果良好。

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［4］秦濤．聚丙烯酰胺類絮凝劑制備的研究進(jìn)展 ［J］．化工科技市場(chǎng)，2009，(8):23－27．

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The Influence of Anti－Crosslinking on Molecular Weight of Polyacrylamide and Its Flocculation Performance

DING Yi－ran
(College of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500 China)

The polyacrylamide in this paper has been synthesized using potassium peroxydisulfate/sodium hydrogensulfite via free radical solution polymerization．We discuss about the influence of anti－crosslinking on molecular weight of polyacrylamide and its performance of flocculation．The results show that the molecular weight can be 1.9×107when K2S2O8/NaHSO3is used as initiator，with the initiate reaction temperature at 20℃，initiator dosage of 0.5‰，monomer concentration of 40%and anti－crosslinking dosage of 5ppm．The flocculation experiment shows that when the dosage of anti－crosslinking is 15ppm，the synthesized PAM reaches the best performance of flocculation，and the transparence of the upper layer of the liquid could be more than 95%．

polyacrylamide;anti－crosslinking;molecular weight;performance of flocculation

X13

A

1673－9655(2012)05－0001－04

2012－03－25

丁怡然(1989－)，女，昆明人，碩士研究生，從事水污染治理與防治研究。