水處理絮凝劑的研究現(xiàn)狀*

楊　博，孫賓賓

(1 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710065；2 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710302)

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水處理絮凝劑的研究現(xiàn)狀*

楊博1，2，孫賓賓2

(1 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710065；2 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710302)

絮凝沉降法是一種經(jīng)濟(jì)簡便的水處理方法。絮凝沉降技術(shù)中所使用的絮凝劑性能好壞決定著水處理的效果，所以絮凝劑是絮凝沉降法水處理技術(shù)的核心。文章中列舉了無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、微生物絮凝劑和復(fù)合絮凝劑四種不同類型絮凝劑，并對各自的性能進(jìn)行了比較。介紹了目前我國最常用的聚丙烯酰胺絮凝劑的主要生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品劑型，最后對聚丙烯酰胺水包水乳液的合成及應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述。

水處理，絮凝劑，聚丙烯酰胺

我國是一個水資源比較貧乏的國家，隨著近年來社會經(jīng)濟(jì)的快速騰飛，用水量更是急劇增加。尤其是工業(yè)上，大量工業(yè)水的使用導(dǎo)致工業(yè)廢水量也相應(yīng)增加，這就不可避免地會對我們賴以生存的水體造成污染[1]。因此，水處理(包括原水處理、污水處理和工業(yè)水處理等)問題已經(jīng)變得越來越嚴(yán)峻[2]。絮凝沉降法就是一種簡便、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用最廣泛的水處理方法。絮凝沉降技術(shù)所使用的水處理藥劑稱為絮凝劑，水處理技術(shù)的好壞很大程度上取決于絮凝劑的性能，所以絮凝劑是絮凝沉降法水處理技術(shù)的核心[3]。

1　絮凝劑

1.1絮凝劑的定義

絮凝劑又稱作混凝劑、聚凝劑，它可使液體中不易沉降的懸浮顆粒或者膠體相互接觸、碰撞、脫穩(wěn)，凝聚成一定粒徑的聚集體，再進(jìn)一步通過化學(xué)粘結(jié)、網(wǎng)捕卷掃、共同沉淀等作用聚集凝聚轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛钗锍恋淼降撞浚杂欣谟眠^濾、沉降、上浮等方法來進(jìn)行固液分離，從而達(dá)到使水凈化的目的[4]。

1.2絮凝劑的作用

絮凝劑作為一種非常重要的水處理藥劑，其使用量已占水處理藥劑總量的3/4。它能有效地脫除液體中不易沉降的膠體和懸浮物，從而提高水質(zhì)處理效率[5]。在污水處理領(lǐng)域，絮凝劑可作為強(qiáng)化固液分離的手段，用于強(qiáng)化污水的初次沉淀、浮選處理及活性污泥法之后的二次沉淀，還可用于污水三級處理或深度處理。在絮凝處理過程中，絮凝劑的種類、性質(zhì)的好壞是關(guān)系絮凝效果的關(guān)鍵因素。因而研究與開發(fā)新型、高效的絮凝劑是實(shí)現(xiàn)水處理過程優(yōu)化的核心技術(shù)[2-3]。

1.3絮凝劑的類型

目前研究和應(yīng)用的絮凝劑種類很多，根據(jù)成分及制備方法的不同，可將其分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、微生物絮凝劑和復(fù)合絮凝劑四大類。其中，無機(jī)絮凝劑根據(jù)分子量大小可分為無機(jī)低分子絮凝劑和無機(jī)高分子絮凝劑；有機(jī)類絮凝劑按照化學(xué)成分的不同，劃分為天然高分子絮凝劑和人工合成高分子絮凝劑；微生物絮凝劑包括微生物分泌物和微生物菌體；復(fù)合絮凝劑根據(jù)復(fù)合類型又可分為無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑和微生物-無機(jī)復(fù)合型絮凝劑。絮凝劑類型及性能分析見表1[6-9]。

表1　絮凝劑類型及性能比較

通過對無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、微生物絮凝劑和復(fù)合絮凝劑四大類絮凝劑的性能分析發(fā)現(xiàn)，合成有機(jī)高分子絮凝劑具有用量小、產(chǎn)生污泥量少，受水中共存鹽類影響、pH值及溫度使用范圍廣，絮凝能力強(qiáng)，沉降速度快、污泥易于脫水等優(yōu)點(diǎn)，對于節(jié)約用水、強(qiáng)化廢(污)水處理和回收利用有重要的作用。因此具有更為廣闊的前景，是近年來國內(nèi)外普遍重視、發(fā)展速度最快的一類水處理劑[10]。

2　聚丙烯酰胺絮凝劑

聚丙烯酰胺絮凝劑是目前使用的最主要的合成有機(jī)高分子絮凝劑。它是丙烯酰胺(AM)的均聚物、AM與其它離子單體的共聚物以及聚丙烯酰胺衍生物的統(tǒng)稱。工業(yè)上，凡AM單體結(jié)構(gòu)單元含量大于50%的聚合物，都統(tǒng)稱為聚丙烯酰胺(PAM)。聚丙烯酰胺在水溶液中離解后，可解離出不同的電荷，根據(jù)產(chǎn)物所帶電荷性質(zhì)的不同，可以將其分為非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)、陰離子型聚丙烯酰胺(APAM或HPAM)、陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)和兩性型聚丙烯酰胺(AmPAM)四大類[11-12]。

我國對聚丙烯酰胺絮凝劑的研究和生產(chǎn)始于20世紀(jì)60年代，到目前為止，先后開發(fā)了水溶液聚合工藝、反相懸浮聚合工藝、乳液聚合工藝、反相乳液聚合工藝、分散聚合工藝等等。制備工藝不同，所合成的聚丙烯酰胺產(chǎn)品劑型也有差別。以上不同工藝分別可得到水溶膠型PAM、珠粒型PAM、乳液型PAM、粉劑型PAM、水分散型PAM(俗稱“水包水乳液”)。表2對于PAM不同合成方法的產(chǎn)品劑型和性能進(jìn)行了比較[13-15]。

表2　PAM不同合成方法的產(chǎn)品劑型和性能比較

由表2中可以看出，水包水乳液與水溶膠聚合得到的產(chǎn)品相比，固含量高，反應(yīng)體系粘度易控制；與反相乳液聚合得到的產(chǎn)品相比，無有機(jī)溶劑，環(huán)保性極好；與粉末狀聚丙烯酰胺相比，其生產(chǎn)過程中不需要消耗大量能源對產(chǎn)品進(jìn)行干燥和粉末化，且水溶性更好。因此，開發(fā)和生產(chǎn)高性能的PAM水包水乳液在水處理領(lǐng)域有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[12，16]。

3　聚丙烯酰胺水包水乳液的合成及應(yīng)用

3.1聚丙烯酰胺水包水乳液的合成

聚丙烯酰胺水包水乳液一般按照均聚或共聚的方法來合成。首先，按一定配比將單體(丙烯酰胺單體本身或和陰離子單體、陽離子單體)、分散劑及其它助劑加入到裝有機(jī)械攪拌、氮?dú)鈱?dǎo)入管、溫度計(jì)﹑加料取樣口的四口圓底燒瓶中，于恒溫水浴內(nèi)攪拌，待單體和分散劑完全溶解并形成均相體系時，升溫至設(shè)定溫度，并通入N2(純度>99.99%)除氧，再加入引發(fā)劑，調(diào)節(jié)攪拌速度，到預(yù)定反應(yīng)時間后聚合結(jié)束，即可得到PAM水包水乳液[17]。

APAM水包水乳液的合成除了將AM與陰離子單體共聚，還可采用均聚水解法來完成。但是水解法合成的APAM水包水乳液水解度一般較低。共聚法合成的APAM水包水乳液水解度高達(dá)70%以上。CPAM、AmPAM同樣也可采用化學(xué)改性法來完成。但是過程中的影響因素比較多，所以，APAM、CPAM、AmPAM水包水乳液一般都采用共聚的方法合成[18]。

束松礦等以AM為單體、聚乙二醇(PEG10000)為分散劑，在過硫酸銨/三乙胺(APS/TEA)引發(fā)體系的作用下，通過分散聚合制備出了穩(wěn)定的NPAM水包水乳液[19]。

傅智健、陳慶芬、錢濤等以聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(PDMC)為分散劑，在硫酸銨(AS)溶液中，分別以水溶性偶氮化合物V-50、VA-044和氧化還原體系過硫酸銨-亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，將丙烯酰胺(AM)與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)進(jìn)行共聚，合成了陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)水包水乳液[20-22]。

王國強(qiáng)等以硫酸銨(AS)水溶液為反應(yīng)介質(zhì)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為分散劑，進(jìn)行丙烯酰胺(AM)與丙烯酸(AA)的分散聚合，制備了陰離子型聚丙烯酰胺(APAM)[23]。

張其平以乙醇/水混合物為分散介質(zhì)，用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為分散劑，采用0.5%偶氮二異丁腈(AIBN)乙醇溶液為引發(fā)劑，分別用陽離子單體—甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、陰離子單體—2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)與丙烯酰胺(AM)進(jìn)行二元、三元分散共聚合，制備陽離子型、陰離子型、兩性型聚丙烯酰胺[24]。

3.2聚丙烯酰胺水包水乳液的應(yīng)用

PAM水包水乳液具有良好的絮凝和增稠性能，又同時具有高效的分散作用，廣泛應(yīng)用于石油、水處理、造紙、煤炭、礦冶、農(nóng)業(yè)、紡織等行業(yè)。

(1)石油工業(yè)[25]

在油氣鉆采過程中，PAM水包水乳液可用做鉆井液的添加劑，主要起絮凝作用。此外，還兼有抑制、潤滑減阻、交聯(lián)堵漏、剪切稀釋等作用；在采油方面，水包水乳液主要用于調(diào)剖、堵水，稠化水驅(qū)油，壓裂液，對提高原油產(chǎn)量有顯著效果。

目前，我國PAM水包水乳液主要用于油田污水處理絮凝劑。勝利油田利用CPAM水包水乳液對采油污水的處理結(jié)果也表明，水包水乳液作為絮凝劑，比干粉形成的絮團(tuán)更大、絮體更密實(shí)，具有更好的絮凝效果，因此更有利于污泥脫水。渤海油田將CPAM水包水乳液作為海上油田采油污水的絮凝劑，直接注入到海上平臺，相比以前運(yùn)到陸地集中處理，節(jié)省了成本，而且處理效果良好。勝利油田海洋采油廠利用APAM水包水乳液對海上油田進(jìn)行深部調(diào)剖施工，發(fā)現(xiàn)這類乳液不僅海上油田采收率高，而且直接用海水稀釋，使用方便。

采油污水除油方面，勝利化工集團(tuán)利用自主研發(fā)的HPAM水包水乳液和市售的CPAM干粉針對采油污水進(jìn)行除油對比實(shí)驗(yàn)。多次對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，在聚合物有效含量相當(dāng)?shù)臈l件下，HWW型乳液在使用中更方便，平均除油率為5.89%，高于CPAM干粉的3.35%。

(2)水處理[2，18]

PAM水包水乳液也可作為處理原水、城市污水及其它工業(yè)廢水的絮凝劑。在原水處理中，可使生活水中的懸浮顆粒凝聚、沉淀；在污水處理中可用作污泥脫水；同時，作為重要的配方藥劑應(yīng)用于工業(yè)水處理中。市政污泥主要以有機(jī)污泥為主，并帶有一定量的負(fù)電荷，因此一般也選用CPAM乳液。

(3)造紙[25-26]

在造紙領(lǐng)域，CPAM和AmPAM乳液作為增強(qiáng)劑，不僅具有良好的增強(qiáng)和助留作用，而且方便使用、無污染、低成本。此外，PAM還應(yīng)用于造紙的廢水處理和纖維回收。

(4)其他領(lǐng)域[2，18，25]

在礦區(qū)，利用PAM水包水乳液作為脫水劑，可以減少設(shè)備投資、提高溶解速度；在建筑領(lǐng)域，可用作建筑涂料的增稠分散劑、裝飾粘結(jié)劑、水泥添加劑；PAM可作為織物后處理的整理劑、上漿劑，用于紡織工業(yè)中；由于PAM 具有高吸水性和膠黏性，在農(nóng)林領(lǐng)域可防止水土流失，用作土壤改良劑、土壤保濕劑和種子培養(yǎng)劑等。

隨著絮凝技術(shù)的不斷完善，絮凝劑種類不斷增多，PAM絮凝劑將在水處理中發(fā)揮越來越重要的作用。

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The Status in Researchon Flocculants for Water Treatment

YANG Bo1，2，SUN Bin-bin2

(1 College of Chemistry and Chemical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，Shaanxi，China；2 Department of Chemical Engineering，Shaanxi Guofang Institute of Technology，Xi’an 710302，Shaanxi，China)

Flocculation settlement method is an economical and simple way of treating water. Flocculant performance determines the quality of the water treatment effect，so it is the core of flocculation and settling water treatment technology. Four different types of flocculants，such as the inorganic flocculants，organic flocculants，microbial flocculant and composite flocculant were enumerated，and their performance were compared. Then，the main production technology and product formulations of polyacrylamide flocculant which commonly used in our country were introduced. Finally，the synthetic polyacrylamide water bag water emulsion and its application were summarized.

water treatment，flocculant，polyacrylamide

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(No：14JK1062)

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