阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能:

阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,阳离子絮凝剂具有正电荷密度高、水溶性好、特 性黏数易于控制、高效无毒、价格低廉等优点[1~4], 被广泛用于三次采油、造纸、水处理等领域[56]，其 中带季胺基团的阳离子聚合物是此类产品的发展趋 势[7]。孙燕霞等[8]采用丙烯酰胺（AM )与甲基丙烯 酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC)共聚或AM与丙烯 酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC)共聚，得到的共聚

产生的污泥量少且絮团大而结实。沈俊菊等[9]也 [收稿日期]2007- 01- 26 [修订日期]2007 - 03 - 07。 [收稿日期]卢红霞（1981 —），女，山东省淄博市人，硕士 生，主要从事精细化学品的合成研宄。电话：0532 - 88692215 电邮：llOIlgxia810608@ 126 am。

合成了 AM和DMC的共聚物，并研究了其对染料 废水的絮凝脱色效果。当今欧美市场上，大多数阳 离子聚丙烯酰胺絮凝剂是DAC与AM的共聚 物[12]，而在我国还少见使用这种功能单体的研究 报道。

本工作采用（NH4)2S2O8、CH3NaO3S•2H2O 和偶氮类化合物组成的复合引发体系，将DMC、 DAC、二甲基二烯丙基氯化铵（DMAAC)分别和 AM通过水溶液聚合法合成高特性黏数的阳离子聚 丙烯酰胺，并对其絮凝性能进行了考察。

1实验部分

11原料、试剂和仪器

AM、DAC、DMC、DMAAC、尿素：工业品； (NH4)2S2〇8, CH3Nj〇3S. 2H2〇, H2SO4：分析纯； 偶氮类化合物：自制;污泥取自青岛市威立雅水务运 营有限公司。

乌氏黏度计：上海申力玻璃仪器有限公司； UV755B型紫外-可见分光光度计：上海精密科学 仪器有限公司；Nic〇fet51OP型红外光谱仪：美国 N ico let公司。

1 2实验方法

在反应器内加入一定量的AM、DAC (或DMC， DMAAC)、尿素和去离子水，搅拌均匀，用2mol/L 的H2SO4调pH至要求值，通入N2鼓泡30m紅加 入一定量的（NH4)2S2Os、CH3Na^3S•2H2O和偶 氮类化合物引发聚合反应，当反应液黏稠时停止通

N2,继续反应2 h后得到白色透明胶体，将胶体于 60 °C下干燥至恒重，粉碎，即得粉状阳离子聚丙烯 酰胺絮凝剂。

13分析方法

按照GB 12005 1— 89〈燦丙烯酰胺特性黏数测

定方法〉用乌氏黏度计测定阳离子聚丙烯酰胺絮凝 剂的特性黏数；采用KBr压片法，用红外光谱仪对 所得阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的结构进行表征。

阳离子聚丙烯酰胺的絮凝性能用污泥经处理后 上层清液的透光率和污泥脱水率表示[10]。

2结果与讨论

21阳离子单体的选择

分别以DMC，DAC，DMDAAC为阳离子单体， 在 pH为 6 0 (NH4)2S2〇8和 CHSNEOSS* 2H2〇 总

质量分数为 0 015 0%、（NH4)2S2〇8 与 CHSNEOSS. 2H2O质量比为0 7、偶氮类化合物质量分数为 0 012 5%、单体质量分数（AM和阳离子单体总质 量占整个反应体系的质量分数）为40%、阳离子度 (阳离子单体占AM和阳离子单体之和的质量分 数)为40%、反应温度为25 °C的条件下，各阳离子 单体的聚合反应结果和产物的特性黏数见表1。由 表1可见，DAC的诱导期最短，达到聚合反应最高 温度的时间最短，产物特性黏数最高（达11 032 0 dl/g)。这是因为在DAC分子结构中没有2-甲基 基团，空间阻碍小，聚合活性高。故选择DAC为共 聚反应的阳离子单体。

表1各阳离子单体的聚合反应结果和产物的特性黏数

阳离子单体诱导期/m in达到聚合反应最高温度的时间m in聚合反应的最高温度/c特性黏数/(dt g-1)

DM C64601007. 828 0

DAC203010511. 032 0

DMDAAC40601035. 205 8(部分未溶解）

 

2 2 pH对产物特性黏数和溶解性的影响

在反应温度为25 °C、单体质量分数为30%、阳离

性黏数减小；pH为7 5时，单体未完全聚合。故反 应体系较佳的pH为6 d

表2 pH对产物特性黏数和溶解性的影响 pH 特性黏数/( dl_ g-1 ) 溶解时间/m in

1. 59. 3512240

3. 09. 846 5152

4. 510 405 4106

6. 013. 065 730

7. 5未完全聚合

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子度为30%、（NH4)2S2O8和CH3NaO3S•2H2O总 质量分数为 0 012 5%、（NH4)2S2〇8 与 CH3Nj〇3S. 2H2O质量比为0 7、偶氮类化合物质量分数为 0 012 5%的条件下，考察了 pH对产物特性黏数和 溶解性的影响，结果见表之由表2可见，pH为 6 0时，产物的特性黏数最大（达13 065 7 dl /g)，溶 解时间最短（为30 min)。这是因为：pH较低时，聚 合易伴生分子内和分子间的酰亚胺化反应，形成支 链或交联型产物，使产物溶解性变差，导致产物的特

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2 3复合引发体系组分对产物特性黏数的影卩向和CH3N&3S* 2H2O总质量分数、（NH4)2S2O8与

在反应温度为25 °C、单体质量分数为30%、阳CH3Na33S* 2H2O质量比及偶氮类化合物质量分

离子度为30%、pH为6 0的条件下，（NH4)2&O8数对产物特性黏数的影响分别见表又图1和图2。

表3 (NH4hS2O8和C^NaOgS* 2H2O总质量分数对产物特性黏数的影响

(NH4)2S2O8 和 CH3NBO3S- 2H2O

总质量分数，％诱导期/m in达到聚合反应最高温度 的时间/m in聚合反应的 最高温度/€产物特性黏数 / (dl* g-1)

0 007 571877411. 075 4

0 010 035357212 428 7

0 012 527437313. 084 8

0 015 025377912 398 9

0 018 027427612 278 3

 

 

 

图 1 (NH4)2S2O8 与 CH3NaO3S- 2H2O

质量比对产物特性黏数的影响

在反应温度为 25 °C、（NH4)2S2O8和 CH3Na33S*

勘总质量分数为0 012观、（NH4)2&O8与化性黏数随阳离子度的增加先增大后减小，且在不同

从表3、图1和图2可看出，（NH4)2S2O8和 CH3N^3S* 2H2O 总质量分数为 0. 012 5%、 (NH4)2S2O8 与 CH3Na33S* 2H2O 质量比为 1 0、 偶氮类化合物质量分数为0 012 5%时，阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,产物特性 黏数达最大（为13 468 1 dl / g)。

2 4单体质量分数和阳离子度对产物特性黏数的 影向

CH3Na33S* 2H2O质量比为1 a偶氮类化合物质 量分数为0 012 5%、pH为6 0的条件下，单体质量 分数和阳离子度对产物特性黏数的影响分别见图3 和图 4。

 

 

由图3可见:随单体质量分数增加，产物特性黏 数增大;当单体质量分数为35%时,产物特性黏数 最大（为13 736 5 dl / g);再进一步增加单体质量 分数，产物特性黏数反而减小。由图4可见,产物特

单体浓度下,产物的特性黏数达最大值时，阳离子度 均为30%,单体质量分数为35%时，阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,产物特性黏数 较大，均在11 028 4 dl / g以上。

2 5反应温度对产物特性黏数的影响

在 pH 为 6 a (NH4)2$〇8 和 C3Na〇3S* 2H2O 总质量分数为 0• 012 5%、（NH4)2S2〇8 与 CH3Na〇3^ 2H2O质量比为1 a偶氮类化合物质 量分数为0 012 5%、单体质量分数为35%、阳离子 度为30%的条件下，反应温度对产物特性黏数的影 响见表4。

表4反应温度对产物特性黏数的影响

反应温度/°C特性黏数/(dl* g-1)溶解时间/in in

15未完全聚合

2011 460 4未完全溶解

2513 853 525

3013 821 830

3512 331 040

由表4可见:反应温度较低时，单体未完全聚 合，且产物的溶解性较差;反应温度为25°C时，产物 的特性黏数达最大(为13 853 5 dl/g);再进一步提 高反应温度，产物特性黏数减小，溶解性变差。阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,故选 择反应温度为25 °C。

26产物的红外谱图分析

产物的红外谱图见图5。由图5可见：在

3000〜3 500 on-1处出现了一NH2的伸缩振动特 征吸收峰;由于此聚合物有强烈的吸水性，聚合物含 少量结合水，故在3 000 on-1附近出现了一OH的 伸缩振动宽峰，即出现了双峰的重叠；2 930 on-1 处的吸收峰为亚甲基的非对称吸收；1 665 on-1 处为酰氧基团的特征吸收峰；1 452 on-1处为 —CH2—N+ (CH3)3的弯曲振动吸收峰；954 on-1处 为一CH2—N+ (CH3)3的吸收峰，即为DAC的特征 吸收峰。红外光谱分析结果表明所得产物为AM 和DAC的共聚产物。

27阳离子聚丙烯酰胺阳离子度对絮凝性能的 影响

将污泥rH调至6 0加入质量分数为0 027% 的不同阳离子度的阳离子聚丙烯酰胺，阳离子度对 絮凝性能的影响见表5。

由表5可见：随阳离子度的增大,聚合物链之间 静电排斥作用增强，阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,高分子链更加伸展，有利于架桥 降,故上层清液透光率和污泥脱水率均增大;但阳离 子度过大时，阳离子聚丙烯酰胺分子链上阳离子基 团过多，使共聚物与胶体颗粒的吸附作用增加，导致 能够桥连的结构减少,废水中颗粒表面的负电荷完 全中和后，剩余的正电荷使颗粒表面电荷性质反转, 颗粒间斥力增大，不利于絮凝[11],使上层清液透光 率和污泥脱水率均下降。适宜的阳离子聚丙烯酰胺 阳离子度为30%。

 

4 0003 0002 0001 0000

波线^cnr1

图5产物的红外谱图

表5阳离子度对絮凝性能的影响

阳离子度，％絮团大小絮团强度上层清液 透光率，％污泥脱水 率，％

10较小较松散95. 962 5

20大松散97. 765. 0

30大有弹性9& 872 5

40大有弹性97. 877. 5

50小松散97. 360. 0

2 8阳离子聚丙烯酰胺加入量对絮凝性能的影响

将污泥PH调至6 0考察阳离子聚丙烯酰胺 (特性黏数为13 853 5 dl / g阳离子度为30% )加 入量对絮凝性能的影响，结果见表6。

表6阳离子聚丙烯酰胺加入量对絮凝性能的影响

加入量，％絮团大小絮团强度上层清液 透光率，％污泥脱水 率，％

0• 013较小较松散89. 960. 0

0• 020小松散98t 373. 2

0• 027大弹性99. 690. 5

0• 033大弹性99. 388t 0

0• 040大弹性98t 178t 3

0• 047小松散97. 270. 2

由表6可见，阳离子聚丙烯酰胺加入量（质量 分数）为0 027%时，阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,上层清液透光率最高（为

效应，且负电粒子的中和作用加强，有利于絮凝沉31] 99■則，污泥脱水率也最高(为90慨）。；nki.net

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3结论

a)在共聚条件相同的情况下，DAC的絮凝性 能优于DMC, DMDAAC,是一种较好的阳离子功能

单体。

b)采用（NH4)2S2〇8、CH3Na〇3S* 2H2〇 和偶 氮类化合物组成的复合引发体系，对AM和DAC 聚合反应的最佳反应条件为：jH 6 0 (NH4)2S〇8 和 CH3Na〇3S* 2H2O 总质量分数 0 0125%、 (NH4)2S2〇8 与 CH3Na〇3S* 2H2〇质量比 1 0、偶 氮类化合物质量分数0 0125%、单体质量分数 35%、阳离子度30%、反应温度25 °C。在上述条 件下，所得阳离子聚丙烯酰胺的特性黏数为 13 853 5 dl / g。阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能,采用红外光谱对所得产物的结 构进行了表征，证明所制备的聚合物是AM和 DAC的共聚物。

c)在阳离子聚丙烯酰胺加入量为0. 027%、阳 离子度为30%的条件下处理污泥，絮凝效果较佳， 上层清液透光率达99 6%,污泥脱水率达90 5%。

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