聚丙烯酰胺應(yīng)用于飲用水處理研究VIP

1、聚丙烯酰胺應(yīng)用于飲用水處理研究 聚丙烯酰胺（Polyacryamide,簡(jiǎn)稱PAM，結(jié)構(gòu)通式為：）是丙烯酰胺均聚物或與其他單體共聚而得線形聚合物的統(tǒng)稱。具有良好 的熱穩(wěn)定性。由于結(jié)構(gòu)單元中含有極性基團(tuán)酰胺基，易形成氫鍵，使其具有良好的水溶性和很高的化學(xué)活性，易通過接枝、交聯(lián)得到支連或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多種改性物。從而使聚丙烯酰按具有一系列衍生物和多種寶貴性能，在水處理方面具有重要意義，是有機(jī)高分子中應(yīng)用最廣泛的凈水處理絮凝劑。 一、聚丙烯酰胺的工藝、產(chǎn)品介紹：聚丙烯酰胺是早是1893年由moureu用丙烯酰氯與氨在低溫下反應(yīng)制得；1954年首先在美國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。最初，丙烯酰胺（AM）單體是由丙烯腈

2、（AN）經(jīng)硫酸催化水合而得，通過丙烯酰胺均聚制得非離子型聚丙烯酰胺（PAM），隨后開發(fā)了用堿部分水解的陰離子型聚丙烯酰胺。70年代隨著丙烯酰胺生產(chǎn)的第二代“催化水合法”和第三代“微生物工程法”工藝技術(shù)的相繼問世，聚丙烯酰胺的系列產(chǎn)品不斷地被開發(fā)。如70年代中，美國(guó)Merck公司和Halliburton公司首先研制成功了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺二甲基二丙基氯化銨（PDMDAAC）和二甲基二丙基氯化銨與丙烯酰胺的共聚物P（DMDAAC/AM）；90年代國(guó)外對(duì)兩性聚丙烯酰胺的研究、開發(fā)較為活躍，已有產(chǎn)品問世。我國(guó)對(duì)聚現(xiàn)烯酰胺的研究和生產(chǎn)始于60年代，生產(chǎn)工藝主要采用傳統(tǒng)的水溶液聚合法膠體采810%AM水溶液

3、，在引發(fā)劑作用下直接聚合而成，干粉采用2030%AM水溶液進(jìn)行中濃度聚合，聚合后的膠體經(jīng)過造粒、捏合、干燥、粉碎后制得聚丙烯酰胺，比工藝較為安全、簡(jiǎn)單、成本低。反向乳液聚合法AM水溶液借助表面活性劑的作用AM單體分解在油相中形成乳化體系，在引發(fā)劑作用下進(jìn)行乳液聚合，形成穩(wěn)定的高分子量速溶的聚丙烯酰胺膠乳產(chǎn)品，經(jīng)共沸蒸餾脫水后即可得到粉狀聚丙烯產(chǎn)品，此工藝適合于制備高分子量且分子量分布窄的聚丙烯酰胺膠乳或干粉型產(chǎn)品。還有反相懸浮聚合法AM水溶液以小液珠懸浮在有機(jī)溶液中進(jìn)行的聚合反應(yīng)，制得分子量高、速溶的聚丙烯酰胺珠狀物。幅射引發(fā)法現(xiàn)煅酰胺單體在紫外線或R射線下引發(fā)直接聚合而得固體產(chǎn)品，該法工藝簡(jiǎn)

4、單，但投資較大，所得產(chǎn)品分子量分布很寬。聚丙烯酰胺的大多數(shù)應(yīng)用都需要某種離子功能。離子的特性可以改變聚丙烯酰胺的溶解性、黏度、溶液的性質(zhì)。商品衍生物的制造是用共聚法或利用聚丙烯酰胺的后繼反應(yīng)制得。到目前為止，已生產(chǎn)出非離子型聚丙烯酰胺、陽(yáng)離子型聚丙烯酰、兩性高分子量聚丙烯酰胺、及其衍生物等。其分子量從幾十萬(wàn)到一千萬(wàn)以上，根據(jù)分子質(zhì)量可分為低分子量（100萬(wàn)以下）、中分子量（100萬(wàn)-1000萬(wàn)）、高分子量（1000萬(wàn)-1500萬(wàn)）、超分子量（1500萬(wàn)以上）。商品形式主要有粉末、膠體、乳液；粉末質(zhì)量較高，使用效果好，乳液容易溶解，使用成本相對(duì)高。二、聚丙烯酰胺絮凝機(jī)理探討，溶解工藝及投加工藝的

5、選擇。50年代美國(guó)率先開發(fā)聚丙烯酰胺作凈水處理絮凝劑以來，其生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展迅速，60年代以來，歐美國(guó)家已普遍使用聚丙烯酰胺作凈水處理絮凝劑。國(guó)內(nèi)60年代起，在長(zhǎng)江、黃河流域的飲用水廠廣泛應(yīng)用聚丙烯酰胺于高濁水的凈化處理，和城市污水和工業(yè)廢水處理；90年代起某些水源受污染較嚴(yán)重的飲用水廠，開始使用聚丙烯酰胺作凈水處理助凝劑。聚丙烯酰胺是應(yīng)用最多的人工合成絮凝劑。其分子鏈很長(zhǎng)，它的酰胺基（-CONH2）可與許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵，這就使它能在吸附的粒子之間架橋，使數(shù)個(gè)甚至數(shù)十個(gè)粒子連接在一起，生成絮團(tuán)，加速粒子孫下沉，使它成為最理想的絮凝劑。曾有試驗(yàn)在部分水解的聚丙烯酰胺溶液中加入氧化鋁的水合

6、物進(jìn)，聚合的陰離子吸附在氧化鋁的陽(yáng)離子上，黏度就迅速地增加或膠弟化。這同一般絮凝機(jī)理類似即一個(gè)分子能同時(shí)吸附幾個(gè)粒子，使它們拉在一起，迅速沉降，沉降的速率取決于絮凝劑的濃度和懸浮固體的濃度。經(jīng)過凈水專家多年的水處理應(yīng)用研究，普遍認(rèn)為聚丙烯酰胺的絮凝要理是：（1）由于其具有極性基因酰胺基，易于借其氫健的作用在泥沙顆粒表面吸附；（2）因其有很長(zhǎng)的分子鏈，大數(shù)量級(jí)的長(zhǎng)鏈在水中有巨大的吸附表面積，故絮凝作用好，能利用長(zhǎng)鏈在顆粒之間架橋，形成大顆粒的絮凝體，加速沉降。（3）借助于聚丙烯酰胺的絮凝助凝，在凈水處理的泥凝過程中可能發(fā)生雙電離壓縮，使顆粒聚集穩(wěn)定性降低，在分子引力作用下顆粒結(jié)合起來，分散相的簡(jiǎn)

7、單陰離子可以被聚合物陰離子基團(tuán)所取代；（4）高分子和天然水組成中的物質(zhì)和水中懸浮物，或在它之前投加的水解混凝劑的離子之間發(fā)生化學(xué)相互作用，可能是絡(luò)合反應(yīng)；（5）由于分子鏈固定在不同顆粒的表面上，各個(gè)固相顆粒之間形成聚合橋。聚丙烯酰胺是一種化學(xué)性質(zhì)比較活潑的高分子化合物。由于分子側(cè)鏈上酰氨基的活性，使聚合物獲得了許多寶貴的性能。非離子型PAM類絮凝劑由于不帶離子型官能團(tuán)，因此與陰離子型PAM類絮凝劑相比具有以下特點(diǎn)：絮凝性能受水PH值和鹽類波動(dòng)的影響??；在中型或堿性條件下，其絮凝效果（沉降速度）不如陰離子型，但在酸性的條件下卻優(yōu)于陰離子型，絮體強(qiáng)度比陰離子型高分子絮凝劑的強(qiáng)。陰離子型PAM類絮凝

8、劑的分子量通常比陰離子型或非離子型的聚合物低，其澄清性能主要是通過電荷中和作用而獲得。這類絮凝劑的功能主要是絮凝帶負(fù)電荷的膠體，具有除濁、脫色等功能，適用于有機(jī)膠體含量高的水處理。三、溶解工藝及投加工藝的選擇。聚丙烯酰胺在使用前均需將固體配制成0.1-0.5%備用溶液，投加時(shí)可再行稀釋或水力輸送，0.5%的備用溶液儲(chǔ)存期為七天，0.05%的投加溶液儲(chǔ)存期為三天。配制溶液時(shí)要注意如下事項(xiàng)：（1）溶解溫度。聚丙烯酰胺的溶解需要有一定的溫度，以加快溶解速度。但溫度過高，又會(huì)使高聚物的分子鏈斷裂，降低使用效果，較適宜的溶解溫度為50-60。（2）攪拌條件。聚丙烯酰胺的溶解應(yīng)避免過強(qiáng)的剪切力攪拌，過強(qiáng)的

9、攪拌會(huì)使分子鏈斷裂，從而降低使用效果。攪拌宜采用低速漿葉，如錨式、框式、多層漿式等。攪拌速度 為60轉(zhuǎn)/分左右。輸送時(shí)亦應(yīng)避免采用高速離心泵，較適宜采用活塞泵或隔膜泵。（3）均勻分散投料。聚丙烯酰胺溶解的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是投料的均勻分散。一般先將水溶液加熱調(diào)節(jié)至5060。開動(dòng)攪拌機(jī)后，最好采用機(jī)械震動(dòng)篩網(wǎng)投料（篩網(wǎng)目數(shù)為10目），晝避免產(chǎn)生“大團(tuán)塊狀”、“魚眼狀”難溶顆粒，從而使聚丙酰胺得到充分溶解，發(fā)揮好使用效果。（4）避免與鐵接解。在溶解攪拌及輸送投加系統(tǒng)中，最好采用塑料、搪瓷、鋁、不銹鋼等材質(zhì)。聚丙烯酰胺的投加點(diǎn)選擇，對(duì)使用效果影響較大。有資料介紹，在處理高濁水時(shí)，應(yīng)先投加聚丙烯酰胺，經(jīng)充分混

10、合后，再投加混凝劑。也有介紹在投加混劑前投加聚丙烯酰胺，會(huì)導(dǎo)致對(duì)溶膠的保護(hù)。國(guó)外資料介紹，在水中懸浮物含量超過50mg/L的季節(jié)里，聚丙烯酰胺和其他陰離子高分子絮凝劑在一級(jí)處理構(gòu)筑物之前投加較合適，當(dāng)懸浮物含量較少時(shí)，在濾池之前投加較合適，為了使混凝懸浮物來得及形成細(xì)小絮狀物，不發(fā)生顆粒數(shù)量濃度的實(shí)際減少（由于聚集）和混凝懸浮物表面性質(zhì)的惡化，選擇向水中投加混凝劑和絮凝劑的時(shí)間間隔，一般在14分鐘之間。水的溫度和濁度越低、水的色度越高，則混凝劑和絮凝劑投入的時(shí)間間隔應(yīng)當(dāng)越長(zhǎng)，還應(yīng)當(dāng)考慮到水的消毒情況，如果聚丙煅酰胺在加氯前投加，水的消毒程度可能降低，可能會(huì)惡化陽(yáng)離子高分子絮凝劑的工藝性質(zhì)，因?yàn)?/p>

11、預(yù)加氯可能使陽(yáng)離子高分子對(duì)生物對(duì)象消毒過程產(chǎn)生屏蔽作用，和高分子在氧化劑作用下被破壞。聚丙烯酰胺投加時(shí)攪拌條件對(duì)絮凝效果影響較大要助凝效果最好應(yīng)為在反應(yīng)池前部初級(jí)絨絮形成時(shí)投加為好。關(guān)于聚丙烯酰胺的投加量，要根據(jù)不同的水源水質(zhì)和凈水工藝特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)來確定。國(guó)外有關(guān)資料介紹，高分子絮凝劑絮凝過程可存在以下規(guī)律：（1）當(dāng)高分子絮凝劑投量保證覆蓋可容覆蓋的因體顆粒表面部位時(shí)，可達(dá)到最佳條件；（2）顆粒表面被聚合物分子過飽和，就會(huì)導(dǎo)致絮凝惡化，因?yàn)樵谶@種情況下高分子的自由末端也可以吸附在同一表面上，形成彎曲狀，相領(lǐng)顆粒間的架橋結(jié)合數(shù)因而減少；（3）當(dāng)強(qiáng)烈的攪拌到能夠破壞聚合物的結(jié)合時(shí)，就會(huì)發(fā)生已絮凝

12、顆粒的散開，如果高分子絮凝劑劑投量少于最佳投量，則架橋鍵的更弱；（4）聚合物最佳投量和分散相顆粒表面上容許吸附的面積之間存在線性關(guān)系。南方某水廠認(rèn)為，對(duì)于其污染比較嚴(yán)重、污染物品種繁多、PH值和堿度較低的原水而言，非離子型聚丙烯酰胺相對(duì)比較適合其的絮凝，陰離子型聚丙烯酰胺略微遜色，陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺則效果較差。根據(jù)絮凝理論推斷，可能是污染嚴(yán)重的枯水期原水濁度比較低，水體中可供架橋的顆粒比較少，先投加液氯消毒，后投加絮凝劑，對(duì)陽(yáng)離子型絮凝劑的結(jié)構(gòu)可能有破壞作用，已投加混凝劑和消毒劑的水體，PH值一般不高于7.0，水體電荷傾向不明顯，陰、陽(yáng)離子型的聚丙烯酰胺表現(xiàn)不出優(yōu)勢(shì)。四、丙烯酰胺應(yīng)用于生活飲用

13、水的凈化處理聚丙烯酰胺在某公司供水生產(chǎn)已使用多年，對(duì)提高絮凝效果、節(jié)約礬耗、去除藻類、降低致突變性、提高水質(zhì)、應(yīng)付突發(fā)水質(zhì)事故等方面取得明顯的效果。1、提高絮凝效果，克服枯水期絮體上浮，節(jié)約礬耗，降低凈水成本。低溫低濁，相對(duì)水中渾濁度成分中，有機(jī)物占的比例更大，單投加硫酸鋁和聚合鋁，形成的絮凝體結(jié)構(gòu)松散、輕飄，難以沉淀。投加聚丙烯酰胺0.025-0.05mg/L助凝后，由于其巨大的吸附表面積和優(yōu)良的架橋能力，使反應(yīng)生成的絮凝體體積增大，比重增加，沉降速度加快，沉淀池沉淀能力迅速提高，出水濁度大為降低。投聚丙烯酰助凝后，5分鐘后出水剩余濁度僅為20NTU以下，同等時(shí)間內(nèi)比無(wú)投加助凝劑的水樣出水剩

14、余濁度除低2030NTU。無(wú)投加助凝劑的水樣由于原水有機(jī)物污染嚴(yán)重，絮體輕浮，最終濁度無(wú)法降低，將其放置1小時(shí)其剩余濁工也無(wú)明顯減少。投加聚丙烯酰助凝提高了絮凝效果，能節(jié)約礬耗約25%，產(chǎn)水量不升約510%，成本節(jié)約約24%。2、提高水質(zhì)，去除色度，去除有機(jī)物，去除藻類，降低致突變性。由于聚丙烯酰胺助凝效果，出水濁度明顯下降，而有機(jī)物和藻類的含量與濁度有極為密切的關(guān)系，據(jù)專家認(rèn)為，當(dāng)濁度降低至0.5度時(shí)，水中有機(jī)物可去除80%，所以投加聚丙烯酰胺助凝能有效地去除有機(jī)污染，提高飲用水水質(zhì)。色度去除率提高10%以上，除水有機(jī)物下降46%以上，藻類去除率上升1626。沉淀池出水致突變性下降，從強(qiáng)陽(yáng)性

15、變?yōu)殛?yáng)性，證明出水濁度的降低，去除了相當(dāng)部分有機(jī)物，因此改善了出水的致突變性。五、聚丙烯酰胺應(yīng)用于飲用水處理的安全性聚丙烯酰胺本身基本無(wú)毒，因?yàn)樗谶M(jìn)入人體后，絕大部分在短期內(nèi)排出體外，很少被消化道吸收入。多數(shù)商品也不刺激皮膚，只有某些水解體可能有殘余堿，當(dāng)反復(fù)、長(zhǎng)期接觸時(shí)會(huì)有刺激性。美國(guó)食品及藥物管理局認(rèn)為，PAM及其水解體是低毒或無(wú)毒的。PAM的毒性來自殘留的丙烯酰胺單體和生產(chǎn)過程 夾帶的有毒金屬。丙烯酰胺為神經(jīng)性致毒劑，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)有損傷作用，中毒后表性出肌體無(wú)力，運(yùn)動(dòng)失調(diào)等癥狀。因此各國(guó)衛(wèi)生部門均有規(guī)定聚丙烯酰胺工業(yè)產(chǎn)品中殘留的丙烯酰胺含量，一般為0.5%-0.05%。應(yīng)用于水的一般凈化

16、處理時(shí)，丙烯酰胺含量0.2%以下，用于直接飲用水處理時(shí)，需在0.05%以下。國(guó)際健康衛(wèi)生組織1985年出生的聚丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)指出：PAM中殘留AM量控制在0.05%以下并控制用量時(shí)，處理后水中的含量將低于0.25ug/L，符合大多數(shù)國(guó)家的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。目前歐美主要國(guó)家一般規(guī)定，飲用水處理及食品用PAM中殘留AM含量在0.05%以下，并控制PAM用量。某些陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺的情況就復(fù)雜得多，這是因?yàn)殛?yáng)離子型聚丙烯酰胺引入的氨基類等基團(tuán)，其毒性往往數(shù)十至數(shù)百倍地高于陰離子型和非離子型，他們的慢性毒性正進(jìn)一步研究中。 對(duì)應(yīng)用于飲用水處理的絮凝聚，應(yīng)使用食品級(jí)的產(chǎn)品為合適。在給水排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施手冊(cè)水處理

17、標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定聚丙烯酰胺使用的非經(jīng)常使用下>0.1mg/L，在經(jīng)常使用下<0.1mg/L。在水處理工藝助凝應(yīng)用中，其使用量可取上述標(biāo)準(zhǔn)值為最大投加量，選購(gòu)食品級(jí)質(zhì)優(yōu)、低殘值的聚丙烯酰胺產(chǎn)品，則可保證飲用水的衛(wèi)生安全。如某水廠使用聚丙烯酰胺助凝，最大投加量為0.09mg/L，使用的是化工部廣州聚丙烯酰胺工程中心的食品級(jí)、濾池出水和出廠自來水均無(wú)發(fā)現(xiàn)有丙烯酰胺單體。故認(rèn)為僅要能控制好使用產(chǎn)品的質(zhì)量和投加量，則采用聚丙烯酰胺助凝工藝，對(duì)飲用水衛(wèi)生而言是安全的。近期展望，我國(guó)應(yīng)用聚丙烯酰胺類有機(jī)產(chǎn)品作水處理劑，將會(huì)隨水質(zhì)性缺水的范圍擴(kuò)大、國(guó)民對(duì)飲用水要求的提高而逐步擴(kuò)大。如某供水公司97年與99年相比，用量已增約8倍，使用水廠從一家增加至6家。使用范圍有混凝、助凝