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聚丙烯酰胺絮凝剂的机理和分子设计

发布时间:2019-12-07 10:13:49     作者:波涛净水

聚丙烯酰胺(PAM)絮凝剂具有良好的絮凝性,可以广泛地应用在水处理和造纸等工业工程中。本文探讨了聚丙烯酰胺(PAM)絮凝剂的作用机理,其机理作用类型可以分为吸附架桥作用、吸附-典型中和作用、网铺-卷扫作用。从作用机理出发可以探讨其分子设计的基本条件,并分析了应用PAM絮凝剂对于环境的积极和消极的影响。

PAM絮凝剂化学名称聚丙烯酰胺,为水溶性高分子聚合物,不溶于大多数有机溶剂,具有良好的絮凝性,可以降低液体之间的摩擦阻力,按离子特性可分为非离子、阴离子、阳离子和两性离型四种类型。聚丙烯酰胺絮凝剂广泛应用于增强、稳定胶体、减阻、粘结、成膜、生物医学材料等方面。水处理中作助凝剂、絮凝剂、污泥脱水剂。石油钻采中作降水剂、驱油剂。在造纸过程中作助留剂、补强剂。

1、PAM作用机理

聚丙烯酰胺絮凝剂在废水处理中的絮凝作用是由于它的两个特点:长链(线)状的分子结构和聚丙烯酰胺分子中含有大量活性基团。聚丙烯酰胺是直链状聚合物,因每个分子是由十万个以上的单体聚合构成,所以分子链相当长。由于它的分子长而细,会弯曲或卷曲成不规则的曲线形状。这个长分子链向外侧伸出许多化学活性基团:酰胺基及羧基。酰胺基是非离子性基团,但亦善于形成副价键而与其他物质的活性基团吸附并连结起来。

由于聚丙烯酰胺分子长而细并有许多化学活性基团,它们能和沉淀微粒产生很多连接而形成较大的絮凝物,这些絮凝物的结构就像棉絮那样,松散、无定形、互相连接但不很稳固,内部有很多空间和很多细微的网络、包藏着大量液体,因而絮凝物的比重颇接近它所存在的液体本身。絮凝物中还网络了各种各样的微粒,这就将各种不同成分、不同性质、不同大小的微粒集合在一起。因此,良好的絮凝剂处理能将溶液中原有的微粒完全除去,使溶液显得特别清亮透明有光泽。由于絮凝物的尺寸较大,它的沉降和过滤都比较快。聚丙烯酰胺絮凝剂与废水中胶体的絮凝作用是通过化学吸附和物理吸附这两种方式产生的。

高分子絮凝剂对于水中杂质的絮凝机理主要分为三类:吸附架桥作用、吸附-电性中和作用、网铺-卷扫作用。具体以哪种机理起絮凝作用,与絮凝剂的种类、水中杂质粒子的尺度、浓度和性质以及若干环境因素,如pH值和离子等都有关,往往需要具体分析。

(1)吸附架桥作用

水中的悬浮物一般由于其颗粒所带电荷相同或具有较低密度而不易发生聚沉,从而以高度分散的状态稳定存在。若高分子絮凝剂的聚合链可与悬浮物颗粒产生相互吸引作用,如链上含有与颗粒电性相异的基团或纯粹是以爱德华力相互吸引,则这些颗粒可以在此作用下与絮凝剂分子相结合,形成一个大分子连接若干悬浮物颗粒的结构。上述过程相当于通过高分子链将颗粒物相互连接,被形象地称作架桥作用。

若絮凝剂分子能够在水中充分舒展,则上述吸附架桥作用产生的具有桥接结构的物质基团已经具有相当的体积和质量,将易于自发地在水中下沉;同时,吸引作用确保了在聚沉过程中悬浮物颗粒被稳定于高分子链上,于是通过进一步静置、过滤等操作,就可以起到较好的絮凝净水的效果。

(2)吸附-电性中和作用

吸附-电性中和作用的基础仍然是悬浮物颗粒吸引带异电荷的高分子,将胶体粒子本身所带的电荷中和,削弱颗粒间的静电斥力,从而使悬浮物颗粒自发聚沉。吸附作用同样是由电性作用或范德华力完成的。

根据物理化学理论,吸附-电性中和作用对于絮凝剂的用量有较为严格的要求。以胶体系统为例:胶体颗粒与高分子链上带异电电荷的离子发生中和过程,胶体粒子的表面电位可能变为零,也可能因“中和过度”而带有相反的电荷,重新满足胶体稳定的条件,出现所谓“再稳定”的现象。因此,这种以降低胶体粒子表面电位为核心的机理,要求絮凝剂用量适中,过多和过少都不能达到絮凝聚沉的效果。

(3)网铺卷扫作用

高分子絮凝剂投入水中,如果其分子链能够充分舒展,大量的絮凝剂分子可以相互形成类似渔网的结构,在它们自然下沉的过程中将与悬浮物发生接触,并通过机械作用将颗粒物卷入网状的结构,或是夹带在分子链的空隙之间,使颗粒随絮凝剂一同沉降。

2、聚丙烯酰胺的分子设计原理

根据以上机理,我们得出优秀的高分子聚丙烯酰胺应该具备的特征有:

(1)较高的分子量

较高的分子量意味着较长的分子链以及较大的分子空间体积,这有利于吸附架桥机理中絮凝分子通过吸附作用与更多的悬浮物颗粒连接,生成更易于沉降的大分子基团;同时也增强吸附-电性中和作用所能产生的影响范围;亦可直接构想出在网铺作用中,更大分子量的聚合物形成的网状结构更密集,对于悬浮物颗粒有更好的捕获作用。

但是,过大的分子量显然是会对絮凝性能产生负面影响的。由于商用聚丙烯酰胺一般是粉末状,在使用时直接将其撒入目标水体中,因而理想状态是聚丙烯酰胺立刻溶解并发挥作用,但过大的分子量可能导致聚丙烯酰胺的溶解性能变差,从而降低絮凝性能;另外,过大的分子量也可能导致大分子因沉降过快而降低各机理所叙述的絮凝效果,亦或是分子量大到其质量、密度和尺寸都已经可以达到宏观尺度,使之自身成为一种新的悬浮物颗粒,完全无法发挥絮凝功能。

(2)能够在水中充分伸展的分子链

根据高分子聚丙烯酰胺的三种絮凝机理,任何一种机理若要得到充分发挥,都要求聚合物分子链能够在水中充分伸展。充分伸展的结果是单位物质量的聚丙烯酰胺大分子与水体接触的表面积巨大,则可与之发生相互作用(吸引作用、电性中和作用、机械作用)的悬浮物颗粒数量可以较大化,从而实现较好的絮凝效果。

因此,分子链上应具备密度足够大亲水基团。这种分子设计要求直接产生了制备聚丙烯酰胺类絮凝剂所普遍采用的水解工艺。但是,分子链上离子基团密度过大会对絮凝性能间接产生负面影响。这主要是因为过大的电荷密度势必导致稳定性下降,则大分子易发生聚沉、解聚等现象;另外,电性过强可能足以使大分子形成能够稳定存在的胶粒,其自身随即成为一种新的悬浮物颗粒。

3、聚丙烯酰胺应用的影响

聚丙烯酰胺可以广泛地应用在水处理、造纸等领域,下文简单探讨其应用在水处理领域的积极和消极的影响。

(1)积极影响

水处理领域采用PAM作絮凝剂可促进悬浮物颗粒沉降,在表面效果上将浑浊的水处理为澄清的水,同时有可能回收大量有用的固体颗粒,减少其对环境造成的污染。PAM絮凝剂在水处理领域中主要应用在原水处理、城市污水处理、工业废水处理三方面。随着国家环境保护投资力度的加大以及污水处理相关政策施行,应用于污水处理领域的聚丙烯酰胺消费需求也必将大幅提高。

在各类PAM产品中,两性聚丙烯酰胺絮凝剂因为具有突出的优势,从而应用较为广泛。

其一,两性PAM可以去除废水中的悬浮物以及胶体污染物,具备一般絮凝剂的优良性能。

其二,两性PAM可以除去一般絮凝剂所无法去除的有色物质、腐植酸及表面活性剂等废水中的溶解物。这主要是由于两性聚丙烯酰胺中的阴、阳离子基团可以与有色物质、腐植酸类物质及表面活性剂发生络合反应,然后通过絮凝沉淀达到净化的目的。所以,两性PAM可以在真溶性有机物去除、印染废水处理(含有大量腐植酸等有机物)、微生物水污染处理方面起到积极有效的作用。通过对水的再处理,我们可以循环利用很多水资源,有利于环境保护可持续发展。在干旱地区,循环用水是非常重要的一项内容,PAM絮凝剂可以发挥重要的作用。

(2)消极影响

聚丙烯酰胺的商业化和工业化应用对于环境会产生较轻微消极影响,其主要集中于PAM生产过程对环境带来的不利因素。在工业生产聚丙烯酰胺的过程中,产生的水污染物质主要是甲醇和丙烯酸甲酯,通过一定的技术处理,可以使其在排放的污水中的含量稳定在一个较低的水平。生产过程产生的大气污染物主要是甲醇和颗粒物。甲醇对人体有低毒,因为甲醇在人体新陈代谢中会氧化成较强毒性的甲醛和甲酸,饮用含有甲醛的酒可引致失明、肝病、甚至死亡。但是即使长时间暴露在低浓度甲醛环境中,也未发现会对健康造成明显影响,所以总体来说,絮凝剂在水处理中的应用对于人们大有帮助。

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