水处理药剂与材料是当前水工业、污染治理与节 水回用净化处理工程技术领域中应用最广泛、用量最 大的特殊产品，主要包括3大类药剂产品:各类型絮凝 剂、缓蚀阻垢剂与消毒杀生剂。絮凝剂主要包括3大 类:无机絮凝剂、有机絮凝剂和微生物絮凝剂。无机絮 凝剂的应用范围非常广泛，是最早使用的一种絮凝剂。 但是，无机絮凝剂有投药量大、絮凝效果差等缺点。有 机高分子絮凝剂是一类利用有机单体经化学聚合或高 分子化合物共聚而成的有机高分子化合物，由于分子 上的链节与水中胶体微粒有极强的吸附作用，絮凝效 果优异。有机高分子絮凝剂同无机高分子絮凝剂相 比，具有用量少、絮凝速度快、受共存盐类、pH值及温 度影响小、生成污泥量少并且容易处理等特点，因而有 着广阔的应用前景[1]。1980年代后期研究开发出第三 类絮凝剂，称为微生物絮凝剂[2]，但多局限于实验室水 平的菌种筛选及其特性研究。

两性絮凝剂兼有阴、阳离子基团的特点，不仅具有 电中和、吸附架桥作用，而且还有分子间的“缠绕”包裹 作用，因此具有较好的脱水性能。它对不同性质、不同 腐败程度的污泥都有较好的脱水、助滤作用，得到的泥 饼含水率低，且用量较少，成为国内外研究的热点[>4]。 两性聚丙烯酰胺的合成方法主要有水溶液聚合[%]、反 相乳液聚合[7]、反相微乳液聚合[M]和泡沫分散聚合[10] 等。而采用水分散聚合工艺制备两性聚丙烯酰胺是一 种十分新颖的方法，采用该方法制备的聚合物粒子细   小而均匀，分子量和水溶性易于调节，在水中的溶解速 度快，应用性能良好。

本文采用自制的两性聚丙烯酰胺处理城市污水， 两性聚丙烯酰胺水分散体系的絮凝性能,考查其应用性能，并对处理过程中各因素的影响进行 探讨。同时，与离子型聚丙烯酰胺的絮凝性能进行比 较，探讨各类型絮凝剂的作用机理。

1材料与方法

1. 1试剂与仪器

1. 1. 1试剂两性聚丙烯酰胺（AmPAM)，自制，通

过水分散聚合工艺合成;氯化钠，分析纯，天津北方医 化学试剂厂;氢氧化钠，分析纯，烟台三和化学试剂有 限公司；盐酸，36%~ 38%，烟台三和化学试剂有限公 司；城市污水采自青岛李村河污水处理厂，水质见表1。

表1污水水质

T able 1 T he wastewater properties

悬浮物总憐总氮

Suspended CODBOD5TotalTotalpH

m at t erph os p h oru sni t rog en

310 mg/L 620 mg/L200 mg/ L9. 1 mg/L70 mg/ L6. 0

1. 1.2实验仪器可见分光光度计SP722E，上海光

谱仪器有限公司；混凝试验搅拌机ZR406,深圳中润水 工业技术发展有限公司。

1. 2实验方法 

1.2. 1絮凝方法将两性聚丙烯酰胺溶解于NaCl

浓度为1%的水溶液中，配成两性聚丙烯酰胺浓度为 5%的助剂溶液。阳离子或阴离子聚丙烯酰胺直接用 水溶解，配成5 %的助剂溶液。污水处理试验由混凝试 验搅拌机ZR406完成。

量取1 000 mL的污水置于1 000 mL烧杯中，分

别加入两性聚丙烯酰胺、阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚 丙烯酰胺助剂溶液，以160 r/min快速搅拌30 s，以 40 r/min慢速搅拌2 min，搅拌后自然沉降，在波长为 550 nm的条件下，测定上清液的透光率，观测絮体体积。 1. 2. 2助剂用量对絮凝过程的影响选用的两性聚

丙烯酰胺特性黏数为11. 27 dL • g-、离子度为15 : 70: 15(AA: AM: DMC)，用氯化钠浓度1%的溶液 溶解。阳离子型和阴离子型聚丙烯酰胺的特性黏数分 别为10. 67和9. 34 dL • g-、离子度为15%，用纯水 溶解后使用。所用污水pH为6. 5,常温条件下进行污 水絮凝实验。

1. 2. 3离子度对絮凝过程的影响将多个两性聚丙

烯酰胺样品用氯化钠浓度1%的溶液溶解，选用的聚合 物阴、阳离子度相同，两性聚丙烯酰胺水分散体系的絮凝性能,故用离子度表示离子基团的多 少。所用污水pH为6. 5,常温条件下进行污水絮凝实

验。

1. 2. 4 pH值对絮凝过程的影响选用的两性聚丙

烯酰胺特性黏数为11. 27 dL • g-、离子度为15 : 70 :15(AA: AM: DMC)，用氯化钠浓度1%的溶液溶 解。所用污水pH为6. 5,常温条件下进行污水絮凝实 验，用稀盐酸或氢氧化钠溶液调节体系的pH值，絮凝 剂用量固定为3 mg • L- 1。

1. 2.5盐浓度对絮凝过程的影响选用的两性聚丙烯 酰胺特性黏数为10. 83 dL • g-、离子度为15: 70: 15 (AA: AM: DMC)，用不同氯化钠浓度的溶液溶解。所 用污水pH为6.5,常温条件下进行污水絮凝实验。

2结果与讨论

2.1助剂用量对絮凝过程的影响

不同助剂用量的絮凝实验数据结果见图1。从图 1中可以看出，随着两性聚丙烯酰胺用量的増加，上清 液的透光率迅速増大，至用量为3. 0 mg • L- 1时达到 最大值。再増加絮凝剂用量，上清液的透光率变化不 大，且用量为10mg*L 1时，透光率反应有所下降。 当使用阳离子型和阴离子型聚丙烯酰胺时，上清液透 光率的变化也具有相似的规律。两性产品的絮凝效果 比阳离子型产品略强，阴离子型产品的效果较差。图2 为絮凝后絮体体积的数据结果。在较低的范围内，随 着絮凝剂用量的増加，两性聚丙烯酰胺水分散体系的絮凝性能,絮体体积快速降低。当用量超 过3. 0• L 1时，数据变化不大。d

Electronic Publi

絮凝剂用量太少，电性中和作用少，吸附架桥作用 较弱，絮凝效果较差;絮凝剂用量増大，污水中悬浮物 质的吸附量也随之増大，有利于电性中和与吸附架桥。 但絮凝剂用量过大时，大量的高分子絮凝剂吸附在吸 附颗粒上将其包裹，使颗粒保持分散状态。悬浮颗粒 的絮凝过程可分为多个阶段，Gregory测定了不同摩尔 质量的3种聚电解质的絮凝效率，发现了 1个聚合物 浓度区域[11]: ( 1)稳定区，聚合物浓度非常低；（2)絮凝 区;（3)再稳定区，聚合物浓度过高。两性聚丙烯酰胺 也具有相似的性质（见图1)。

96-

 

0246810

助剂用量人861^(1〇83目6/111^*1/1

图1助剂用量对上清液透光率的影响

Fig. 1 Effect of agent dosage on the transmittance of supernatant

 

图2助剂用量对絮体体积的影响

Fig. 2 Effect of agent dosage on floc volume

在城市污水中，悬浮污染物主要带负电荷，两性聚丙烯酰胺水分散体系的絮凝性能,分子链 上带有负电荷的阴离子型聚合物不利于对污染物的吸 附、架桥作用，起到絮凝作用主要是通过网捕，使悬浮 物发生聚集沉降。而阳离子型产品由于带有正电荷， 在絮凝时同时具有电性中和、架桥、网捕等作用，可以 更好的吸附在多个颗粒表面，使悬浮物更有效的沉降。 另一方面，城市污水体系较为复杂，除悬浮物带有负电 荷外，还有其它很多正电离子、粒子等等。这些反离子 必然会对阳离子型聚合物的絮凝效果产生负面影响。 shing House. All rights reserved, http://www.cnki.net 两性聚丙烯酰胺分子链上的阴离子基团可以削除这些 反离子的负面影响，使正电荷有效的吸附的污染物颗 粒的表面。同时，聚合物分子间不同离子基团的吸引 强化了网捕作用，使被吸附的颗粒更容易发生聚集、沉 降。从图1和图2中可以看出两性产品絮凝性能略强 于阳离子型产品，而阴离子型产品效果较差。

2. 2离子度对絮凝过程的影响

不同离子基团含量的AmPAM絮凝实验数据结 果见图3。从图3中可以看出，随着分子链中离子基团 的増加，两性聚丙烯酰胺的絮凝效果先増加，后降低。 当阴、阳离子基团含量均为12. 5时，絮凝效果达到最 佳值。当离子度较低时，分子链上带电荷量较小，电性 中和能力减弱，与污水中悬浮杂质的吸附作用降低。 阴离子电荷的减少使得污水体系中反离子的影响増 大，对分子链上的正电荷吸附作用产生负面影响较强。 因此，聚合物的絮凝效果较差。随着离子基团的増加， 电性中和作用増加，吸附污染物颗粒的能力増强，同时 阴离子有效的削弱了污水中反离子的负面作用，因此 絮凝效果得到了有效的提高。当聚合物的离子度进一 步提高时，絮凝效果出现降低的趋势。这是因为分子 链中离子基团过高，带有不同电荷的基团距离减小，分 子间的相反电荷的作用増强，使得有效的带电基团降 低，影响了总体的絮凝效果。另外，两性聚丙烯酰胺的 分子量也对絮凝效果有较大的影响[12]。但是，离子单 体含量越大，聚合物的分子量越低，势必造成产品的应 用性能降低。离子度超过15%后，分子量下降较多，絮 凝性能降低。图3中的变化规律是由聚合物的离子度 和分子量共同影响的结果 的絮凝性能变化不大。当pH值为11. 6时絮凝性能 下降较大。不同的pH值条件下，AmPAM分子链中 各种基团的离解度不同，使大分子链的电性中和和吸 附架桥作用不同[4]。本文所用两性聚丙烯酰胺中，阴 离子基团为羧酸基，它是1个弱酸基团。当体系在酸 性条件下，羧酸基团电离的程度低，大多数形成不带电 的基团。在这种条件下，聚合物的性能类似于阳离子 型聚合物，絮凝性能有所下降。当pH过高时（如为 11. 6)，聚合物分子中的酰胺基（-CONH2)会发生水 解反应，产物黏度降低，影响它的吸附架桥能力。图4 中，絮体体积变化不大，这是因为实验在絮凝剂最佳用 量下进行，污水中的大部分污染物沉降下来。聚合物 絮凝能力的不同主要体现在少量粒径较小的、不易沉 降的污染物上。从图4中可知，两性聚丙烯酰胺作为 污水处理剂，具有较宽的pH值适用范围，在4~ 11之 间均有较好的絮凝效果。

 

 

 

图3离子度对絮凝过程的影响 Fig. 3 Effect of ionic degree on flocculation

 

图5氯化钠浓度对絮凝过程的影响

2. 3 pH 对絮凝过程的影响

在絮凝过程中，pH值对絮凝效果有较大的影

响[13]。不同污水pH值条件下絮凝实验数据结果见图

4。由图4可知，两性聚丙烯酰胺在pH < 6时絮凝效

果随着pH值的减小而降低。当pH值> 6时，聚合物 © 1994-2011

2. 4盐浓度对絮凝过程的影响

在AmPAM使用前，先用NaCl溶液溶解，其 NaCl浓度对絮凝效果的影响见图5。从图5中可以看

大。当氯化钠的浓度为0. 5%时，污水处理实验的结果 不理想。两性聚丙烯酰胺水分散体系的絮凝性能,实验过程中用氯化钠溶解配制絮凝剂溶液是 考虑到所用聚合物为离子平衡的聚电解质，其等电点 为6.0,在纯水中的溶解性较差。若使用纯水溶解两性 聚丙烯酰胺，不但溶解效果不好，而且所需溶解性很 长。因此，本文采用氯化钠作促溶剂。当氯化钠浓度 为0.5%时，聚合物未能在水中较好的溶解、分散。在 加入到污水体系中时，聚合物分子链无法有效地与污 染物发生作用，絮凝效果较差。当氯化钠浓度大于等 于1%后，聚合物完全溶解于氯化钠溶液中，在加入到 污水中后，可以较好的发生吸附、架桥和网捕作用。另 外，氯化钠只是作为促溶剂用于絮凝剂溶液的配制，由 于是小分子盐，在絮凝过程中不具有絮凝作用，因此， 过量的氯化钠对絮凝效果影响不大。

3结语

两性聚丙烯酰胺的絮凝能力略强于阳离子型聚丙 烯酰胺，而阴离子型聚丙烯酰胺的性能较差。当两性 聚丙烯酰胺絮凝剂的用量为3. 0 mg • L 1时，上清液 的透光率最高，絮体体积较小，絮凝效果最好。两性聚 丙烯酰胺的絮凝能力受离子度的影响，离子基团越多， 有利于与污染物颗粒的吸附、架桥，絮凝能力提升。但 过多的离子基团使合成过程中聚合物的分子量降低， 同时在应用过程中削弱了网络结构，反而使絮凝能力 下降。所处理污水的pH值对两性聚丙烯酰胺的絮凝 能力也有影响，但其适应范围较宽。较低的pH下，阴 离子基团不能有效电离，不能有效屏蔽反离子的影响。 较高pH下，聚合物分子中的酰胺基会发生水解反应， 产物粘度急剧降低，影响它的吸附架桥能力。两性聚 丙烯酰胺在应用时需先用1%的氯化钠溶液溶解，盐浓 度过低时聚合物不能充分溶解，高于此值对絮凝过程 无明显影响。