阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂P(AM-DAC)的制备及应用*

蒋贞贞，朱俊任

(1.重庆工程职业技术学院建筑工程学院，重庆402260; 2.重庆城市管理职业学院电子工程学院，重庆401331)



阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂P(AM-DAC)的制备及应用*

蒋贞贞1，朱俊任2

(1.重庆工程职业技术学院建筑工程学院，重庆402260; 2.重庆城市管理职业学院电子工程学院，重庆401331)

摘要:选用紫外光引发水溶液聚合法，研究了以丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、丙烯酰胺(AM)为单体，制备阳离子聚丙烯酰胺(P(AM-DAC) )的优化光引发聚合条件，最后选取制备出的不同分子量P(AM-DAC)为考察对象，考察了对市政污泥脱水效率的影响;结果表明:较优工艺条件为光引发剂用量为0.50%，单体质量分数为30%，阳离子度为40%，助剂用量为0.40%，反应体系pH值为5.0，可获得相对分子质量达1 020万的阳离子聚丙烯酰胺胶体;当分子量1 020万的P(AM-DAC)投加0.5 g·kg－1时，污泥脱水后滤饼含水率、滤液余浊最低分别为65.9%、4.52NTU。

关键词:阳离子聚丙烯酰胺;絮凝剂;制备;污泥脱水

近年来，随着我国城镇化发展，城镇污水处理量日益增多且呈逐年上升趋势，污水处理后污泥产量也将增多［1-3］。2010年我国的污泥产量达到2 740万t，2015年将达到3 560万t，因此今后将面临巨大的污泥处理处置压力［4］。污泥处理的主要目的是降低污泥的含水率，一般通过污泥浓缩、消化和脱水实现［5，6］。

污水处理厂污泥脱水用絮凝剂按成分可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和助凝剂三类［7］。有机絮凝剂主要使用品种是阳离子聚丙烯酰胺污泥脱水剂，阳离子聚丙烯酰胺是一种水溶性高分子聚合物，具有水溶性好、高效无毒、经济实惠、电荷密度高等优点［8］，将丙烯酰胺(AM)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)聚合成的P(AM-DAC)较无机絮凝剂有更好的脱水效率［9］。目前P(AM-DAC)加热制备过程中传热不均，国产产品质量稳定性一般，制备成本较高［10］，因此P(AM-DAC)的制备及污泥脱水应用具有较高的研究价值。

紫外光引发聚合P(AM-DAC)技术在国内外鲜有研究。选用紫外光引发水溶液聚合，研究了以丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、丙烯酰胺(AM)为单体，制备阳离子聚丙烯酰胺(P(AM-DAC) )的优化光引发聚合条件，探讨了光引发剂、单体质量分数、体系pH值、助剂、阳离子度对P(AM-DAC)分子量的影响，最后选取制备出的不同分子量P(AM-DAC)为考察对象，考察了对市政污泥脱水效率的影响。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

丙烯酰胺(AM，工业级，含量＞80%)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC，工业级，含量＞80%)、2，2'-偶氮(2-脒基丙烷)盐酸盐(V-50，分析纯)，均来自上海广创景进出口有限公司;氯化钠(NaCl)，尿素(CO(NH2)2)，盐酸(HCl)，氢氧化钠(NaOH)、无水乙醇均为分析纯，水为超纯水; GT-500紫外高压汞灯，双层石英冷却套(内径30 mm，外径40 mm，有效长度225 mm)，乌氏粘度计; ZR4-6絮凝试验搅拌机，深圳; HACH 2100Q浊度仪，美国哈希公司; Delta 320台式pH计，梅特勒－托利多仪器有限公司。

1.2制备方法

将一定量的AM、DAC、助剂用水溶解、搅拌均匀后调节pH值，转移到广口瓶中，通入氮气驱氧15 min后，迅速加入引发剂，再通入氮气驱氧15 min后密闭保存，送入紫外线合成箱中，在500 W紫外光引发聚合反应60 min后，可获得一种无色透明胶体。最后静置老化12 h以上，制得阳离子聚丙烯酰胺胶体产物。

1.3絮凝实验

污泥试样:取自重庆市唐家沱污水处理厂重力浓缩池的剩余活性污泥。污泥呈黑色、颗粒细致、恶臭，经检测参数:含水率为95.5%，滤液浊度(NTU)为60.92，pH为7，密度为1.02 kg·L－1。

絮凝方法:用ZR4-6絮凝试验搅拌机在6个1 L烧杯中同时进行试验。将0.5 g·kg－1的阳离子聚丙烯酰胺水溶液加入500 mL污泥中，在快搅(120 rpm)，持续30 s;之后是慢搅(40 rpm)，持续1 min的搅拌条件下进行絮凝处理;搅拌结束后静置5 min。取上清液在定性滤纸的布氏漏斗真空脱水过滤，测定滤液的浊度及定性滤纸上滤饼含水率，实验皆在室温下进行。

1.4测定方法

阳离子聚丙烯酰胺分子量的测定:依照GB/T 12005.10—1992国家标准方法《聚丙烯酰胺分子量测定粘度法》。滤饼含水率的测定:将坩埚在(105±0.5)℃的真空干燥箱内烘干至恒重，冷却至室温称取重量为m0，将抽滤后的待测滤饼放入的坩埚中，称取重量为m1，再将装有滤饼的坩埚在(105±0.5)℃下烘干至恒重，冷却至室温称取重量为m2。滤饼含水率按公式计算:

2　结果与讨论

2.1光引发剂对P(AM－DAC)分子量的影响

固定AM/DAC的质量比为1∶1、单体质量分数30%，助剂质量分数为0.30 %，pH值调节为6.0，研究光引发剂质量分数对P(AM-DAC)分子量的影响，如图1所示。

由图1可知，随着光引发剂质量分数的增加，P(AM-DAC)分子量先增大后减小，当光引发剂质量分数为0.50%时，P(AM-DAC)的分子量最大为800万。这可能是因为光引发剂浓度较少时，引发剂分解产生的活性自由基较少，链增长反应很难发生，不利于产生分子量大的产物。当光引发剂质量分数高于0.50%时，活性自由基浓度大时容易发生亚胺化交联，使聚合物中线性分子成分减少，不利于产生分子量更大的产物［11］。因此，较佳的光引发剂用量为0.50 %。

2.2单体质量分数对P(AM-DAC)分子量的影响

固定AM/DAC的质量比为1∶1，助剂质量分数为0.30%，pH值调节为6.0，光引发剂质量分数为0.50%，研究单体质量分数对P(AM-DAC)分子量的影响，如图2所示。

由图2可知，随着单体质量分数的增加，P(AM-DAC)的分子量是先增大后减小，当单体总质量占溶液总质量的30%时，P(AM-DAC)的分子量最大为800万。这可能是因为当单体质量分数较低时，体系中反应单体浓度太低，减少了活性自由基与单体之间聚合几率，不利于产生分子量大的产物;当单体质量分数高于30%时，体系中反应单体浓度太高，增加了活性自由基与单体之间聚合几率，促进了链终止反应的发生。因此，较佳的单体质量分数为30%。

图1　光引发剂对相对分子量的影响

图2　单体质量分数对相对分子量的影响

2.3体系pH值对P(AM-DAC)分子量的影响

固定AM/DAC的质量比为1∶1，单体质量分数30%，助剂质量分数为0.30%，光引发剂质量分数为0.50%，研究水溶液的不同pH值对P(AM-DAC)分子量的影响，如图3所示。

由图3可知，随着体系pH值的增加，P(AM-DAC)的分子量先增加后减小，当反应体系pH值调节到5.0时，P(AM-DAC)的分子量最大为880万。这可能是因为当体系pH值较低时，光引发剂受到正电离子的影响，活性自由基不易生成，并且分子内和分子间可能发生酰亚胺反应，引起交联，不利于产生分子量大的产物;当pH值高于5.0时，链终止和链转移速率过大，难以形成长链分子，从而降低了高聚物的分子量。因此，较佳的pH值为5.0。

2.4助剂对P(AM-DAC)分子量的影响

固定AM/DAC的质量比为1∶1，单体质量分数30%，pH值调节为5.0，光引发剂质量分数为0.50%，选择尿素为助剂，研究助剂用量对P(AM-DAC)分子量的影响，如图4所示。

图3　反应体系pH值对相对分子量的影响

图4　助剂对相对分子量的影响

由图4可知，随着助剂用量的增加，P(AM-DAC)分子量先增大后减小，当助剂用量为0.40%时，P(AMDAC)的分子量最大为940万。这是可能因为助剂可作为辅助还原剂，有利于动力学链长增长，当助剂用量较少时，不利于产生分子量大的产物;当助剂用量高于0.4%时，助剂增加了链转移的几率，使活性自由基终止，聚合度减小。因此，较佳助剂用量为0.40%。

2.5阳离子度对P(AM－DAC)分子量的影响

固定单体质量分数30%，助剂质量分数为0.40 %，pH值调节为5.0，光引发剂质量分数为0.50%，研究阳离子单体占总单体的摩尔百分比对P(AM-DAC)分子量的影响，如图5所示。

由图5可知，随着阳离子度增加，P(AM-DAC)的分子量呈先上升后降低，当阳离子度为40%时，P(AMDAC)的分子量最大为1 020万。这是可能因为阳离子度较低时，AM活性单体可以加快歧化反应，减少链增长反应的几率，不利于产生分子量大的产物;当阳离子度高于40%时，活性较低的阳离子单体DAC含量较高，难以有效形成AM分子链骨架，因而产物的分子量下降。因此，较佳的阳离子度为40%。

2.6P(AM-DAC)分子量对污泥脱水的影响

选取分子量为370、430、520、700、850、990、1 020万的P(AM-DAC)的产物，按照1.3节的方法进行絮凝试验，研究P(AM-DAC)分子量对污泥脱水的影响，如图6所示。

图5　阳离子度对相对分子量的影响

图6　P(AM-DAC)分子量对污泥脱水的影响

由图6可知，随着P(AM-DAC)分子量的增加，滤饼含水率、滤液余浊呈降低的趋势。当分子量为1 020万时，滤饼含水率、滤液余浊最低分别为: 65.9%、4.52 NTU。这可能是因为当分子量越大，有利于絮凝剂与颗粒物吸附架桥的能力提高，从而使污泥表面毛细水分离。同时分子量越大，P(AM-DAC)分子链越长，分子链上的阳离子单体与负电荷的污泥发生电荷中和反应，污泥与絮凝剂更为紧密的结合，进一步压缩污泥上的附着水，从而达到较好的污泥脱水效果。可见进一步提高聚合产物的分子量对于污泥脱水效率有积极的作用。因此，分子量为1 020万的产品有较好的处理效果，可用于实际污泥处理工艺。

3　结论

(1)以丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)阳离子单体与丙烯酰胺(AM)单体为原料，采用紫外光引发水溶液聚合法制备P(AM-DAC)，较优工艺条件:光引发剂用量为0.5%，单体质量分数为30%，阳离子度为40%，助剂用量为0.40%，反应体系pH值为5.0，可获得相对分子质量达1 020万的阳离子聚丙烯酰胺胶体。

(2)分子量为1 020万的P(AM-DAC)市政污泥脱水效果较好，滤饼含水率、滤液余浊最低分别为65.9%、4.52 NTU，可用于实际污泥处理工艺。

参考文献:

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［11］朱俊任.光引发聚合阳离子型聚丙烯酰胺的制备及应用［D］.重庆:重庆大学博士学位论文，2013

Study on the Preparation and Application of Cationic Polyacrylamide
Flocculant P (AM-DAC)

JIANG Zhen-zhen1，ZHU Jun-ren2*
(1.College of Architectural Engineering，Chongqing Vocational Institute of Engineering，
Chongqing 402260，China; 2.Department of Electronic Engineering，Chongqing City Management College，Chongqing 401331，China)

Abstract:P (AM-DAC) is synthesized using acrylamide (AM) and acryloxyethyltrimethyl ammonium chloride (DAC) by photo-polymerization technique in aqueous solution and P (AM-DAC) in different molecular weight to study the influence on the efficiency of municipal sludge dewatering.The study results show that the optimum synthesis conditions are photo-initiator mass ratio of 0.50%，monomer mass ratio of 30%，solubilizer mass ratio of 0.40%，pH value of 5.0.Under optimum conditions，the molecular weight is 1.02×107，and with coagulant dosage of 0.5 g·kg-1，the filter cake moisture content and filtrate residual turbidity are 65.9% and 4.52 NTU respectively.

Key words:cationic polyacrylamide; flocculant; preparation; sludge dewatering

中图分类号:TQ316; X703

文献标志码:A

文章编号:1672－058X(2015) 06－0056－05

doi:10.16055/j.issn.1672－058X.2015.0006.011

收稿日期:2014－10－06;修回日期: 2014－10－28.

*基金项目:重庆工程职业技术学院院级课题(KJB201409) ;重庆城市管理职业学院院级课题(2014kykt001).

作者简介:蒋贞贞(1986-)，女，浙江东阳人，讲师，博士，从事水处理技术研究.