阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能:
阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能,在工业污水和生活污水的处理过程中，产生的污泥，是含水量为95%〜99. 5%的带负电荷的粒子 群[,2]，必须对其进行脱水操作，以便进一步处理。阳离子絮凝剂可以中和污泥的负电荷，使其絮凝脱 水。其中阳离子聚丙烯酰胺具有正电荷密度高、水溶性好、特性粘数易于控制、能强化固液分离过程、高 效等优点[3~6]，在水处理领域中广泛应用[7 8]。目前，国内外大多采用氧化还原引发剂、过硫酸钾等无机 过氧化物和偶氮类引发剂，通过反相乳液聚合法和水分散聚合法合成阳离子聚丙烯酰胺。由于采用的 聚合方法和引发剂的缺陷，使合成的产物不仅特性粘数和阳离子度较低，而且产物的稳定性较差[9~11]。 阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能,为了得到特性粘数和阳离子度均较高的阳离子聚丙烯酰胺，本文在氧化还原引发剂和偶氮类引发剂组 成的复合引发体系作用下，采用水溶液聚合法合成了丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的共 聚物，并对其絮凝性能的影响进行了研究。
1实验部分
1 1试剂和仪器
丙烯酰胺（AM)水溶液，质量分数40% (工业品）；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC)水溶液， 质量分数 78% (工业品）；（NH4)2S2Os(APS)，CH3NaO3S* 2H2O(SFS)，I(2S2OS(KPS)，NiiSO3(SB)， 2,封禺氮[2~( 2-米唑啉-2基）丙烷]二氢氯化物（V-044)，以上试剂均为分析纯。乌氏粘度计，® = 0.5mm，用一点法在（30+ 0.05) °C，1mol/LN£l水溶液条件下测定;UV755B型紫外■可见分光光度计 (上海精密科学仪器有限公司）。
1 2合成方法
在反应器内加入AM、EMC和去离子水，搅拌均匀，通N2气15min在25°C时加入复合引发体系引 发聚合，当反应液粘稠时停止通N2气，继续反应2.5 h后，取出胶体造粒，烘干粉碎，得到粉状阳离子聚 丙烯酰胺产物（P( DMC-AM ))。
1 3絮凝性能评价
絮凝性能用污泥处理后上层清液的透光率、絮凝率及污泥脱水率表示[12]。
将所得P(DMC-AM)配成溶液，滴加到14.81 g污泥中，离心沉降30min后，静置10mi，取距液面 30 mm处的上层清液用紫外-可见分光光度计测其透光率，并称量所得清液的体积，阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能,用下式计算絮凝率 (R )和污泥脱水率（Rd)。
结果与讨论
2 1氧化还原引发剂质量分数对产物P(DMC-AM)特性粘数的影响
低温条件下用低浓度的氧化还原引发体系引发AM-DMC共聚的后期，自由基浓度急剧降低，链终 止反应速度也显著加快,难以得到高特性粘数的产物,此时添加偶氮类引发剂可延缓链终止反应，有利 于特性粘数的提高。因为偶氮类引发剂分解速率较低，通常在50 °C以上才能分解，且只形成一种自由 基,对产物不发生连转移。采用氧化还原反应使体系引发后温度逐渐上升，促使偶氮类引发剂缓慢分 解，从而维持体系中的低自由基浓度。不同复合引发体系中氧化还原引发剂质量分数（与单体的质量 比）、偶氮类引发剂质量分数(与单体的质量比）对产物特性粘数的影响如图1和图2所示。
0.007 50.010 00.012 50.015 0
on the intrinsic viscosity of product
(V-044)/%
图2偶氮类引发剂质量分数 对产物特性粘数的影响
Fig 2 Effect of the azo-can pound concentration
〇 (oxi-red) / %
图1氧化还原引发剂质量分数对产物特性粘数的影响
Fig 1 Effect of concentration of the oxidation-reduction initiator on the intrinsic viscosity of product initiator system: 1 KPS SB，V-044 2 KPS SFS, V-044 3. APS SFS V-044 4 APS, SB，V-044
F ig 3 Effect of the cationic degree on
the intrinsic viscosity of product w ( m onon er) % : a. 40, b 45 c 50
由图1可见，产物的特性粘数随着氧化还原引发剂质量分数的增加先增加后降低。对于不同复合 引发体系，产物特性粘数达到最佳值时的氧化还原 引发剂质量分数是不同的。采用（NH4)2S2〇8、
CHsNaOsS* 2H2O和偶氮类化合物组成的复合引发 体系，聚合物的特性粘数均大于8. 0 dL/g当氧化 还原引发剂质量分数为0. 015 0%时,聚合物的特性 粘数达到最大值9.3 dL/g由图2可知，产物的特 性粘数随着偶氮类引发剂质量分数的增加也是先增 加后降低，当偶氮类引发剂质量分数为0.012 5%
时，产物特性粘数达到最佳值11.5 dL/g这是因为 引发剂质量分数较高时,产生自由基速率较快，阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能,自由 基相互碰撞而终止的几率较大,使链终止速率加快；
同时反应速率过快导致体系热量不易释放，温度骤 升，使产物特性粘数降低。
阳离子度对产物特性粘数的影响
单体质量分数（AM和DMC的总质量占整个体系的质量分数）为40%、45%、50%时，阳离子度m (EMC的质量占AM和DMC总质量的质量分数）对产物特性粘数的影响结果见图3所示。从图中可以 看出，产物的特性粘数随着阳离子度的增加先增大后减小，但达到最大特性粘数值时的阳离子度随单体 质量分数的不同而不同。单体质量分数在40%时，产物特性粘数较大,均大于11.9 dL/g。这可能是因 为阳离子度较低时，活性较高的丙烯酰胺的含量较高，导致了聚合反应速率快，缩短了反应的诱导期和 达到聚合反应最高温的时间,产物特性粘数较低;随着阳离子度的增大，活性较低的EMC的含量增多， 增加了反应的诱导期和到达聚合反应最高温的时间，使单体未完全聚合，降低了产物的特性粘数。因 此，从产物的特性粘数和原料成本综合考虑，单体质量分数为40%、叫EMC) = 40%。
2 3污泥pH对絮凝性能的影响
用稀H2SO4和N^H溶液调节污泥的洱值，在其它条件相同的情况下，污泥洱值对絮凝性能的 影响结果见表1。
表1污泥pH值对絮凝性能的影响
Table 1Effect of pH onthe flocculating perfonmance
fHFloccule sizeFloccule intensityT ran sn it tan ce T /%R d/%
1-Ii com pact72 553 965
3bigelasticity84 660 570
5bigelasticity86 261 270
6bigelasticity95 365 075
7bigelasticity93 064 173
9sn allIi com pact86 561 465
11sn allIi com pact66 649 862
从表1中可以看出，随着rH值的增大，絮凝效果有所提高，在洱值为6.0〜7.0时透光率、絮凝率 和脱水率均达到最佳值,再进一步增大rH值絮凝效果反而减低，这是因为在值为6.0〜7.0时, P( EMC-AM )可显示出较强的阳离子性，中和作用明显。
2 4 P(DMC-AM)特性粘数对絮凝性能的影响
将污泥rH值调至6.0左右，加入质量分数为0.027%的不同特性粘数的P(DMC-AM)，其透光率、 絮凝率、脱水率的变化见图4所示。从图中可以看出，特性粘数在11.9 dL/g时透光率达到最大值 95. 5%。这是因为特性粘数较小时,架桥作用较弱，增大特性粘数可增强絮凝剂的吸附架桥功能，使絮 团迅速增大,从而有利于污泥的絮凝沉降，使透光率、絮凝率、脱水率增大；但特性粘数过大将会导致 P(EMC-AM)的溶解性变差，使其絮凝性能下降。因此P(DMC-AM)最佳的特性粘数为11.9dL/g。
2 5阳离子度对絮凝性能的影响
由图5可得知，随着阳离子度的增大,聚合物链之间静电斥力增强，阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能,高分子链变得更加伸展,有利于 架桥效应,而且加强了与负电粒子的中和作用，有利于絮凝沉降。然而若P(DMC-AM)分子链上阳离子 基团过多，会造成共聚物与胶体颗粒的吸附过多,使可桥连的结构减少，除了将污水中颗粒表面的负电 荷完全中和外,剩余的正电荷会使颗粒表面电荷性质反转，颗粒间斥力增大，不利于絮凝[3],从而使透 光率、絮凝率和脱水率降低。因此，阳离子度m (DMC)的最佳值为40%。
2 6 P(DMC-AM)与污泥的质量分数对絮凝性能的影响
将污泥rH值调至6. 0左右，P(DMC-AM)加入量对透光率、絮凝率、脱水率的变化见表2〇
表2 P(EMC-AM)用量对絮凝性能的影响 Table 2 Effect of the dosage ofP(DMC-AM) on the flocculating perfonmance
«(P(DMC-AM)) %Floccule sizeFloccule intensityT ran sm ittan ce T /%R f/%R d/%
0. 013am allIncompact91 363 445
0. 020sm allIncompact94 964 865
0. 027bigelasticity98 566 175
0. 033bigelasticity97 565 775
0. 040bigelasticity95 264 965
0. 047sm allelasticity94 764 760
从表2可看出，P(DMC-AM)的质量分数为0.027%时,各项指标达到最大值。当P(DMC-AM)质量 分数太小时，电性中和少，吸附架桥作用较弱;增加其质量分数时，初期吸附量增大，有利于电性中和与 吸附桥架，使形成的絮体粒径增加，有利于絮凝沉降。但P(DMC-AM)又具有分散作用，用量过大时，大 量的P(DMC-AM)吸附在悬浮颗粒上成空间保护层，阻止架桥结构的形成，使已经絮凝的絮体重新分 散，阳离子聚丙烯酰胺的制备及其絮凝性能,因而絮凝性能反而变差。因此P(EMC-AM)质量分数为0.027%〜0.033%时絮凝性能最佳。
F ig 6 E ffect of tonperatuiE of the wastew ater on the flocculating performance
0. 027%时,污泥温度对絮凝性能的影响结果见
将污泥rH值调至6.0左右，《(P(DMC-AM))= 图6。图中可见，污泥温度对透光率、絮凝率和脱水 率的影响甚微，说明P(DMC-AM)絮凝剂的使用不 受季节、区域的限制。
2 8与国内外同类产品的比较
将污泥PH值调至6.0左右，在其它因素保持 不变的条件下，本文制备的的P( DMC-AM )(特性粘 数11.9 dL/g)与淄博P(匪C-AM)产品（特性粘数 11.8乩化)和国外汽巴公司？（逼0~崖）产品的 (特性粘数11. 5 dL/g)(阳离子度均为30% )絮凝性 能相比较,透光率分别为98. 7%、93. 6%和98. 0% ; 絮凝率分别为66. 2%、64. 3%和65. 9% ;脱水率分 别为73. 0%、57.5%和71. 5%。结果可见,本文所 制的P(EMC-AM)絮凝效果优于国内同类产品，与 国外同类产品的絮凝效果相当。
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