陽離子聚丙烯酰胺的溶解性研究

蔡文雄

(上海友聯(lián)竹園第一污水處理投資發(fā)展有限公司，上海 200137)

聚丙烯酰胺(PAM)是一種線型高分子聚合物，具有優(yōu)良的增稠絮凝、沉降、過濾、增黏、助留、凈化等多項功能，按離子特性分為非離子、陰離子、陽離子和兩性離子型四種類型［1］。其中陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)是由一種陽離子單元和丙烯酰胺非離子單元構成的共聚物，其分子鏈上帶有可以電離的正電荷基團(—CONH2)，在水中可以電離成聚陽離子和小的陰離子，能與分散于溶液中的懸浮粒子吸附和架橋，有著極強的絮凝作用［2］。它在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中應用廣泛［3］，特別適用于城市污水、污泥及其他工業(yè)污泥的脫水處理［4］。

在采用活性污泥工藝運行的污水處理設施中，由于其排出生物處理系統(tǒng)的剩余污泥有機物含量高，在后續(xù)脫水處理中一般選用陽離子有機高分子絮凝劑如陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)進行加藥調(diào)理。CPAM在投加之前必須事先配制成一定濃度的水溶液［5］。

然而，在污泥脫水系統(tǒng)實際運行過程中，往往冬季藥耗會大幅增加。例如上海市竹園第一污水處理廠2012年相對氣溫較高的4～10月污泥脫水CPAM平均藥耗為6．6 kg/t DS，而相對氣溫較低的其他月份平均藥耗為8．5 kg/t DS，后者相比前者高出28．8%。其主要原因是:CPAM受冬季低溫影響溶解不完全，且低溫對CPAM的絮凝效果有一定影響。因此，低溫不僅會增加污泥脫水藥耗，降低污泥脫水效率，還會大幅提高污水處理設施的運行成本。所以在冬季低溫天氣時，污泥脫水處理過程中實現(xiàn)CPAM的高效低耗利用已經(jīng)顯得十分迫切。

針對以上問題，擬從影響CPAM溶解性的因素如溶解溫度、攪拌條件、溶解助劑用量等進行實驗分析，總結在不影響CPAM藥性前提下的最佳溶解條件。

1 試驗部分

1．1 試驗藥品與儀器

本試驗使用的藥品、儀器及其型號規(guī)格如表1所示。

表1 藥品、儀器名稱及型號規(guī)格Tab．1 Drugs and Equipment

1．2 試驗方法

1．2．1 試驗材料及污泥來源

本試驗選用竹園第一污水處理廠脫水機房現(xiàn)用的陽離子聚丙烯酰胺干粉為研究對象。其基本特性如表2所示。

表2 現(xiàn)用CPAM基本特性Tab．2 Basic Characteristics of CPAM

本試驗使用的污泥選用竹園一廠重力濃縮和機械濃縮后的調(diào)節(jié)池污泥，其含水率在97．0%左右。

1．2．2 試驗裝置

本試驗采用可調(diào)節(jié)式恒溫恒速磁力攪拌方式對陽離子聚丙烯酰胺進行溶解試驗。溶解裝置主要由恒溫恒速攪拌器、磁攪拌子、溫度傳感器、固定支架、燒杯等組成，如圖1所示。

1．2．3 試驗步驟

量取200 mL水置于500 mL燒杯中，加入磁攪拌子后放在數(shù)顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器上，開啟攪拌，調(diào)節(jié)至預定轉速(150～450 r/min)，并加熱水溫至預定溫度(20～80℃)后，稱取0．4 g CPAM干粉于500 mL燒杯中，將加熱恒溫水連同攪拌子小心地徐徐倒入盛有CPAM的燒杯中，并將其放于試驗裝置上溶解。記錄所需溶解時間，溶液為略顯沉濁或極少量細微凝膠的黏稠溶液，即合格。另外，在做乙醇用量與溶解時間關系試驗時，在盛有CPAM干粉的燒杯中預先加入一定量的無水乙醇進行潤濕助溶，10 min后再進行溶解。

圖1 陽離子聚丙烯酰胺溶解裝置Fig．1 Dissolver of CPAM

CPAM溶解后，關閉數(shù)顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器。經(jīng)溶解后的CPAM溶液需要“熟化”30 min后才能使用。量取160 mL污泥樣于250 mL燒杯中，然后用15 mL的移液管移取12 mL CPAM溶液加入250 mL燒杯中(按5．0 g/kg DS的投藥量計算用藥量)，用玻璃棒均勻攪拌1 min，攪拌速度60 r/min，再用離心沉淀機離心10 min后(轉速2 500 r/min)，濾去上清液，測量其污泥含水率。最后總結出在滿足平穩(wěn)的脫水效果的前提下，CPAM的最佳溶解條件，即最適宜的溶解溫度、攪拌速度及助溶劑用量等。

1．2．4 分析方法

污泥含水率測定方法:水分快速測定儀。

2 結果與討論

2．1 水溫對CPAM溶解時間的影響

水溫的高低直接影響CPAM的溶解速度。水溫越高，其溶解速度越快，但水溫過高CPAM的分子鏈結構可能會被破壞，會影響最終污泥脫水效果。CPAM在不同水溫下溶解時間及污泥脫水含水率如表3所示，其中12℃是本試驗進行時的自然水溫。

表3 水溫與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系表Tab．3 Relation between Dewatering Rate and Temperature as well as CPAM Dissolution Time

續(xù) 表

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)繪制出水溫與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系曲線，如圖2所示。

圖2 水溫與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系圖Fig．2 Relation between Dewartering Rate and Temperature as well as CPAM Dissolution Time

由圖2可知隨著水溫升高，CPAM的溶解速度明顯加快。水溫從12℃上升到60℃，CPAM的溶解時間減少較迅速，而從60℃上升到80℃，CPAM的溶解時間減少較緩慢。

此外，使用水溫更高的CPAM溶液，經(jīng)脫水后的污泥含水率相對更低些，說明水溫高，CPAM溶解得更充分。但總體上隨著水溫變化，脫水后污泥的含水率沒有明顯波動，可見溶解水溫在80℃以下時對CPAM的分子結構破壞程度不明顯。

2．2 攪拌速度對CPAM溶解時間的影響

攪拌的速度對CPAM的溶解速度影響較大。攪拌越快，其溶解速度越快，但是過快的攪拌速度產(chǎn)生的過強剪切力會造成CPAM的分子鏈發(fā)生斷裂，從而影響最終污泥脫水效果。CPAM在不同攪拌速度下的溶解時間及污泥脫水含水率如表4所示。

表4 攪拌速度與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系表Tab．4 Relation between Dewatering Rate and Agitation Speed as well as CPAM Dissolution Time

續(xù) 表

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)繪制出攪拌速度與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率的關系曲線，如圖3所示。

圖3 攪拌速度與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系圖Fig．3 Relation between Dewatering Rate and Agitation Speed as well as CPAM Dissolution Time

由圖3可知隨著攪拌速度的加快，CPAM的溶解速度明顯加快。攪拌速度從150 r/min增加到300 r/min，CPAM的溶解時間減少較迅速;從300 r/min增加到450 r/min，CPAM的溶解時間減少較緩慢。

此外，由圖3可知，使用攪拌速度更快的CPAM溶液，脫水后的污泥含水率相對更低，說明攪拌速度快CPAM溶解得更充分。但總體上隨著攪拌速度的改變，脫水后污泥的含水率沒有明顯波動，可見采用磁力攪拌條件，攪拌速度在450 r/min以下時，對CPAM的分子結構破壞程度不明顯，這可能是因為本試驗選用的CPAM具有較高分子量，其制備的溶液會更耐剪切。

2．3 乙醇用量對CPAM溶解時間的影響

在水溶CPAM之前，使用醇類對CPAM干粉進行潤濕一段時間，然后加水溶解，由于醇類等有機小分子物質除了對CPAM顆粒進行吸附、潤濕、滲透等物理作用外，其對CPAM水化和氫鍵的形成還有一定作用，加入醇類等助溶劑可改善CPAM的溶解性［6］。本試驗采用無水乙醇作為溶解助劑，在稱取的0．4 g CPAM干粉中添加適量的乙醇，經(jīng)過10 min潤濕后，再加入200 mL水，并調(diào)整攪拌速度為200 r/min，水溫控制為50℃進行溶解試驗。CPAM在不同乙醇用量時的溶解時間及污泥脫水含水率如表5可知。

表5 乙醇用量與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系表Tab．5 Relation between Dewatering Rate and Dage of Alcohol as well as CPAM Dissolution Time

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)繪制出乙醇用量與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率的關系曲線，如圖4所示。

圖4 乙醇用量與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系圖Fig．4 Relation between Dewatering Rate and Dosage of Alcohol as well as CPAM Dissolution Time

由圖4可知乙醇用量為0．2% ～0．4%的溶解水量時，溶解速度有所加快，而繼續(xù)增加乙醇用量，溶解時間減少不明顯，這可能是因為在一定條件下，醇類對CPAM水化和氫鍵等形成的促進作用已基本達到平衡。

因此，考慮到經(jīng)濟因素，本試驗乙醇用量宜取水量的0．2% ～0．4%。此時，CPAM的溶解速度相對較快，污泥脫水效果比較理想，而乙醇用量并不多。

3 結論

對于污水處理廠污泥脫水過程中使用的陽離子聚丙烯酰胺的溶解性，根據(jù)上述的研究結果，可以得出以下結論:

(1)CPAM溶解水溫越高、攪拌速度越快，其溶解速度越快，但增大到一定程度后，溶解時間減少不明顯，而此時能耗明顯增大，因此，可確定一個適宜區(qū)間為:水溫控制在30～50℃，攪拌速度宜取200～300 r/min。

(2)助溶劑乙醇的使用對于CPAM的溶解性具有一定效果。但乙醇用量控制在溶解水量的0．2% ～0．4%時，其溶解速度加快明顯，此后隨著乙醇用量的增加，CPAM的溶解速度無明顯加快，考慮到經(jīng)濟因素，乙醇用量宜取溶解水量的0．2%～0．4%。

(3)鑒于試驗研究結果，污水處理廠在冬季運行時只需增加少量投資，添加一套可調(diào)溫加熱裝置對CPAM溶解用水進行適當加熱，并在低溫天氣時適當提高攪拌速度，且有條件情況下，在CPAM干粉加水溶解之前預先加入少量助溶劑潤濕一段時間，就能有效提高CPAM溶解速度及溶解程度。因此，本試驗結果對指導污水處理廠在冬季氣溫較低時，通過污泥脫水設施的工藝調(diào)整及技術改造，以降低藥耗、控制污水處理成本具有較高的實用價值。

［1］郭艷麗．共聚合陽離子聚丙烯酰胺的合成及性能測試［D］．北京:北京化工大學，2003．

［2］宋金鳳，劉鵬飛．陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)生產(chǎn)工藝報告［D］．天津:天津科技大學，2010．

［3］石少波，胡仰棟，韋欽勝．聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關系［J］．石油煉制與化工，2005，36(11):66．

［4］王雅瓊，陳秉銓，趙立君．陽離子絮凝劑的制備及絮凝性能［J］．水處理技術，1994，20(5):294-297．

［5］北京市市政工程設計研究總院．給水排水設計手冊，第五冊，城鎮(zhèn)排水(第二版)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003，548-550．

［6］陳忠祥，陳啟厚．提高聚丙烯酰胺(PAM)相對分子質量和溶解性的措施［J］．精細石油化工進展，2001，2(11):26．