聚丙烯酰胺的處理方法研究進(jìn)展

蔡凌云, 潘 一, 楊雙春

（遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001）

聚丙烯酰胺（PAM）是具有良好絮凝性的水溶性高分子聚合物，在石油開采水處理、造紙、農(nóng)業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，有“百業(yè)助劑”之稱。我國《十二五規(guī)劃》明確規(guī)定要新增污泥處理能力4.7萬t/d，對(duì)應(yīng)對(duì)陽離子聚丙烯酰胺需求約9 萬t，造成聚丙烯酰胺在環(huán)境中的殘留量很大。然而，聚丙烯酰胺在環(huán)境中的殘留、遷移和降解對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，尤其是降解后的單體丙烯酰胺對(duì)人類的神經(jīng)系統(tǒng)有很大的危害。因此，對(duì)聚丙烯酰胺降解[1]的研究是很有必要的。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚丙烯酰胺的研究集中在PAM 絮凝劑的合成、PAM 的降解機(jī)理及降解率上。筆者介紹了聚丙烯酰胺的降解機(jī)理和降解方法，如生物降解、酶降解、納米光催化降解、高級(jí)氧化降解、微波降解、絮凝降解和超聲波降解的現(xiàn)狀，以期為相關(guān)研究提供一定參考。

1 聚丙烯酰胺的處理方法研究

1.1 生物法

1.1.1 細(xì)菌降解

利用細(xì)菌降解PAM 具有效率高，無二次污染等特點(diǎn)，因而成為目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，隨著研究的日益深化，技術(shù)也逐漸趨于成熟。包木太等[2]研究了AS-2海球菌對(duì)聚丙烯酰胺生物降解的最佳條件。當(dāng)降解時(shí)間為5 d，pH=8，溫度為40 ℃，碳源為原油，氮源為NaNO3，原油和NaNO3的含量分別為2.5，1.4 g/L 時(shí)，AS-2 對(duì)聚丙烯酰胺的降解率達(dá)到45.23%，其機(jī)理為聚丙烯酰胺側(cè)鏈的酰胺基被降解為羧酸和游離的氨基。常帆[3]檢測(cè) CJ419 假單胞菌、FA16 枯草芽抱桿菌兩種菌協(xié)同降解PAM 的降解能力的，假單胞菌和枯草芽抱桿菌1︰1 接種，前4 d 菌種沒有協(xié)同作用，第5 d 開始假單胞菌與枯草芽抱桿菌協(xié)同降解聚合物，第2l d 對(duì)PAM 降解率達(dá)到80.3%。張慧超[4]研究了6 株細(xì)菌利用PAM作為C 源或N 源的難易程度，結(jié)果表明，N 源更容易被細(xì)菌利用；W-16 與B2-2 的混合菌劑WB16-22效果好于兩種單菌；而作用時(shí)間為120 h 時(shí)，混合菌與單株菌作用差別不大，培養(yǎng)120 h 時(shí)，對(duì)200 mg/LPAM 的去除率可達(dá)到50%。陳慶國[5]探討蠟樣芽胞桿菌、枯草芽孢桿菌、蒼白桿菌三株好氧菌種對(duì)PAM 的利用情況，結(jié)果表明，PAM 既可以作為氮源利用也可以作為碳源利用，微生物好氧降解PAM 的機(jī)理是其分泌的胞外酰胺酶的作用下聚丙烯酰胺先被作為氮源利用，在其生長和代謝過程中，聚丙烯酰胺被斷裂為小分子有機(jī)物，又可以作為碳源被細(xì)菌利用。

1.1.2 酶降解

王娟等[6]研究了特異酶對(duì)聚合物驅(qū)分子量為 1 400×104聚丙烯酰胺的降解。結(jié)果表明，該特異酶的加量為聚丙烯酰胺濃度的3 倍、溫度為50 ℃時(shí)對(duì)聚丙烯酰胺的降解為 70%。藍(lán)強(qiáng)等[7]采用粘度法考察了生物酶和硫酸鹽還原菌對(duì)聚丙烯酰胺溶液降解的過程。研究發(fā)現(xiàn)，淀粉酶 F、纖維素酶 C、糖化酶、復(fù)合酶對(duì)聚丙烯酰胺溶液的降解均有明顯的促進(jìn)作用，其中復(fù)合酶降黏率 31.8%，十六甲基三甲溴化銨的協(xié)同降黏度效果略好，硫酸鹽還原菌對(duì)聚丙烯酰胺的降黏率可高達(dá)27.5%～46.4%。

1.2 化學(xué)法

1.2.1 納米光催化降解

納米光催化可以徹底降解PAM，而且反應(yīng)速率快，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，是一種環(huán)境友好的處理技術(shù)。黃瑜等[8]采用納米TiO2降解聚丙烯酰胺，結(jié)果表明，Ti4+濃度為0.2 mol/L，pH=2，m(DBS)/m(Ti4+)=1︰10，煅燒溫度為600 ℃時(shí)，PAM降解率達(dá)84.37%。李凡修等[9]研究了在紫外光作用下催化條件對(duì)光催化降解部分水解聚丙烯酰胺的影響，結(jié)果表明，在催化劑TiO2用量為0.5 g/L，PAM溶液的初始濃度為100 mg/L的條件下，經(jīng)180 min光催化處理后的PAM降解率可達(dá)到91.3%以上。王福曉等[10]研究了納米ZnO顆粒其對(duì)聚合物驅(qū)油后產(chǎn)出含聚污水中水解聚丙烯酰胺的光催化降解性能。將其應(yīng)用到低質(zhì)量濃度的PAM光催化處理過程中，實(shí)驗(yàn)測(cè)得催化劑最佳用量為0.5%，且在溶液pH值為6時(shí)，ZnO的光催化性能最好，PAM降解率可達(dá)80%。季佳秀等[11]使用溶膠凝膠法制備了鑭摻雜納米二氧化鈦，并用它來光催化降解聚丙烯酰胺。研究表明，光催化PAM發(fā)生的主要反應(yīng)是PAM斷鏈，變成更小的PAM分子，繼而使小分子PAM氧化成單體和丙烯酸，最后光降解生成無機(jī)物。此外，改性納米二氧化鈦還可使500×10-6的聚丙烯酰胺水溶液的粘度從17 mPa·s降到1.4 mPa·s，接近于水的粘度，能完全達(dá)到工業(yè)需求。

1.2.2 高級(jí)氧化降解

高級(jí)氧化法是利用強(qiáng)氧化劑來氧化降解PAM，最終將其轉(zhuǎn)化為無機(jī)物。目前國內(nèi)外研究較多的氧化劑主要有Fenton試劑和高錳酸鉀等等。顧雪凡等[12]研究了H2O2用量對(duì)降解聚丙烯酰胺效果的影響。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H2O2用量為聚丙烯酰胺的20%時(shí)，聚丙烯酰胺的降解效果最好，黏度大大降低。韓冰等[13]以Fenton試劑為氧化劑氧化水體中的過量PAM，他們發(fā)現(xiàn)在去除PAM過程中，H2O2與COD比值，pH值，H2O2與Fe2+比值以及反應(yīng)時(shí)間均會(huì)對(duì)去除效果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)得出最佳的氧化條件為:H2O2/COD=2.5，pH=4，F(xiàn)e2+/H2O2=1/10，反應(yīng)時(shí)間90 min，此時(shí)的PAM去除率為89.62%。尤宏等[14]采用O3/ H2O2/UV聯(lián)用技術(shù)在新型多光源化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)對(duì)PAM溶液進(jìn)行降解。發(fā)現(xiàn)在任何特定反應(yīng)條件下，PAM的降解速率均與PAM的質(zhì)量濃度成正比。O3與H2O2最優(yōu)投加量分別為25 mg/min，13.8 mg/min。盧永芹[15]采用U V/ Fenton氧化處理水解聚丙烯酰胺污水，結(jié)果表明，室溫下，pH =3，F(xiàn)e2+/ H2O2為1︰10，H2O2濃度分別為6 mmol/L，經(jīng)紫外燈照射30 min后，PAM的降解率能達(dá)到91.54%。

1.3 物理法

1.3.1 微波降解

微波降解法是利用微波輻射進(jìn)行污水處理的一種較為先進(jìn)的新型技術(shù)。胡小銳等[16]采用了先進(jìn)環(huán)保的微波法對(duì)聚丙烯酰胺進(jìn)行降解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在pH=3，H2O2=5 mL，中高火5 min 時(shí)，PAM 的粘度降到1.056 75 mm2/s，濃度降到439.1 mg/L。

1.3.2 吸附降解

朱洪標(biāo)等[17]研究了改性凹凸棒土對(duì)PAM的吸附性能、吸附過程的影響因素。研究表明，250 mg/L的PAM溶液振蕩吸附1 h后，酸改性凹凸棒土的吸附效率高于提純和熱改性凹凸棒土，吸附率達(dá)90.08%。李金雄等[18]采用膨潤土對(duì)水中的PAM進(jìn)行吸附處理。研究了在膨潤土和非離子聚丙烯酰胺的質(zhì)量比為10︰1，溫度為30 ℃，pH＜9，吸附時(shí)間為1 h時(shí)，0.1 g膨潤土對(duì)100 mg／LPAM的吸附量為59 mg／g。其吸附行為符合Langmuir吸附等溫模型和HO準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程式。

1.3.3 超聲波降解

雷國明等[19]研究了超聲波-曝氣協(xié)同工藝降解聚丙烯酰胺溶液的條件和效果。結(jié)果表明，與單純超聲相比，在超聲波處理聚丙烯酰胺溶液過程中引入曝氣會(huì)有效的提高聚丙烯酰胺的降解效率。柳宗偉[20]探討了解PAM的超聲等方式降解的路徑和機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波降解PAM有其獨(dú)特的機(jī)理，聚合物優(yōu)先在聚合物鏈的中點(diǎn)發(fā)生斷裂不像熱降解聚合物隨機(jī)發(fā)生斷裂。

1.3.4 絮凝降解

王玉嬋等[21]分別考察了絮凝劑單劑和多種絮凝共同使用的情況下聚驅(qū)污水的處理效果，并對(duì)處理后污水中殘余的聚丙烯酰胺濃度進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，采用無機(jī)絮凝劑處理聚驅(qū)污水時(shí)，殘余PAM質(zhì)量濃度隨絮凝劑劑量增加先減小后增大；采用有機(jī)絮凝劑處理聚驅(qū)污水時(shí)；殘余PAM質(zhì)量濃度隨絮凝劑劑量增加而線性增加。劉明丹等[22]采用絮凝法去除模擬廢水中的聚丙烯酰胺。在絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)投加量300 mg/L、pH值為中性、快攪時(shí)間1.5 min、慢攪時(shí)間15 min、沉降時(shí)間15 min的條件下，PAM去除率達(dá)96.88%，廢水中PAM濃度降到3.74 mg/L。

2 結(jié) 論

含高聚物廢水的處理已成為水處理工業(yè)中的難點(diǎn)。目前我國現(xiàn)有的廢水處理設(shè)施難以有效去除PAM，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境急劇惡化。我國已經(jīng)在含聚廢水方面進(jìn)行了一些探索，筆者建議今后需要在以下幾個(gè)方向研究：深入研究聚丙烯酰胺降解機(jī)理；已經(jīng)篩選出的PAM降解菌降解率不高，需要找到更高效降解菌種；超聲波技術(shù)技術(shù)先進(jìn)但還不成熟，有必要加深對(duì)其研究。

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