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技术知识

粉状聚丙烯酰胺的性能及应用

时间:2020-12-07 14:26:49来源:波涛净水

一、粉状聚丙烯酰胺的物理、化学性质

聚丙烯酰胺是一种白色粉末或坚实的不规则鳞片状聚合物,是非离子型的线型高分子化合物,较易溶于水,几乎不溶于苯、乙醇、酯类、丙酮等一般有机溶剂,仅在冰醋酸、丙烯酸、乙二醇、甲酰胺、甘油、乳酸等少数溶剂中能溶解1%左右。在醋酸中,一甲酰胺混合溶液中可溶解10-15%。加热时100℃内稳定,但在150℃以上时,易分解产生氮,在分子间发生亚胺化而不溶于水。

聚丙烯酰胺在应力之下表现出非牛顿流动性,粘度与浓度的关系如图1,聚丙烯酰胺溶液的粘度与分子量的关系如图2,而得浓度与粘度的关系如图3。

聚丙烯酰胺是一反应性较强的聚合体,化学性质比较活泼,易导入离子型基团,便可进行多种反应,典型的如:

1、水解反应

聚丙烯酰胺容易用碱或酸进行水解生成聚丙烯酸或部份水解的阴离子型线型结构的聚合物:

2、羟甲基化与缩醛化

在碱性催化剂存在下能与甲醛反应得N一羟甲基丙烯酰胺:

3、磺甲基化

聚丙烯酰胺水溶液用甲醛和亚硫酸氢钠与其反应可以导入磺酸基:

4、霍夫曼重排(Hofman)

聚丙烯酰胺的碱溶液与次氯酸钠或次溴酸钠作用,则酰胺基的一部份转变为氨基,即可得到阳离子型的絮凝剂:

5、迈尼希(Mamich) 反应与胺化

将胺和甲醛与聚丙烯酰胺反应可制出氨基衍生物:

6、其他的共聚反应

如与丙烯酸类的衍生物的共聚反应,与磺酸衍生物的共聚反应。

线型聚丙烯酰胺的物理特性:

(1)降阻:能降低流体摩擦阻力,水加入微量聚丙烯酰胺就能降阻50-80%。

(2)增稠:在中性和酸性条件下均有增稠作用,当pH在10以上时容易水解。呈半网状结构时聚丙烯酰胺增稠将更明显。

(3)与盐的作用:与NaCl不太作用,但遇到Ca++、Mg++时会生成白色沉淀,使粘度明显下降。

(4)强烈的机械剪切会导致粘度下降,聚丙烯酰胺降解。

(5)粘弹性。含水后根据浓度的不同,有弹性、能伸缩并且有可塑性。

(6)吸附截留性。

(7)亲水性,与离子型号,线型、网型结构有关。

(8)絮凝性,能使悬浮物质,通过电位中和架桥吸附的作用,起到絮凝的作用。

(9)能与有机或无机物进行交联,可以人为控制达到较高的强度。

二、聚丙烯酰胺的应用

鉴于聚丙烯酰胺的物理性质和化学性质,对于聚丙烯酰胺及其共聚物已提出了一范围较广的应用,消耗量是大的。较重要的应用是:

水中悬浮物的絮凝和稳定化有关方面的应用,例如冶金、选矿、煤的浮选、化学工业、城市污水、工业废料的沉淀分离过程中所面临的问题之一,是将悬浮物进行沉淀分离的过程,除去这些水中的悬浮物或胶体微粒有各种方法,在许多情况下,由于悬浮物的比重或胶体微粒很小,而需要很长的时间来沉淀,为了加速沉淀的进行,可以使用无机物质及淀粉纤维素衍生物。

以聚丙烯酰胺体系的高分子的絮凝剂比无机物及天然有机物絮凝剂的效果高几十倍,目前国内外聚丙烯酰胺广泛地应用在多行业,下面列举一些例:

1、制糖工业:蔗汁浓缩结晶之前,需要经过澄清过滤除去泥污,加入微量的聚丙烯酰胺可以加速沉降,比未加提高十几倍至几十倍,糖厂工人称之为“神仙水”。除了加快沉降,提高设备利用率和生产效率外,泥污微粒经过絮凝之后,易于过滤。如广州糖厂使用聚丙烯酰胺后,创造了国内首台快速沉淀池。聚丙烯酰胺使用量只占蔗汁量的百万份之二,沉降速度却增加十倍以上,工艺上改革使用连续真空吸滤机,从而代替老式的需要体力繁重的耗滤布过多的间断的压滤机,每年节约帆布(滤布)四千多平方公尺,石灰700吨,电力13万度,劳动力48人,深受工人的欢迎。福建省厦门糖厂,广西桂平糖厂、江西糖厂、四川糖厂已广泛使用,都获得显著的效果。

2、冶金工业:湿法冶炼工业用聚丙烯酰胺可以加速矿浆液的固体物沉降,大大提高采收率。如钢铁工业的集尘废水处理,首都钢铁公司已经使用多年。

处理结果:

处理前 处理 处理后
灰黑色废水,固含量:3000PPM 加入聚丙烯酰胺0.5PPM 回收后作气体洗水用,固含量:50PPM

3、采煤、洗煤工业:用来回收粉煤及处理废水、选煤废水(回收微粉煤)例:

处理结果:

处理前 处理 处理后
(1)沉降浓缩废水含煤0.5% 加入聚丙烯酰胺4PPM 无色透明液放走
(2)过滤脱水细粉煤泥石灰35% 加入聚丙烯酰胺25PPM 滤饼(含石灰25%)回收

4、化学、医药、工业上的应用:多用于使悬浮混浊液的悬浮物迅速下沉,从而达到分离、回收及排放目的。例如:

① 硫酸铝生产:铝矾土与硫酸反应后,放出来的混浊液自然沉降要近一个星期时间,而加入少量的聚丙烯酰胺搅拌均匀后,一小时则完全沉降,得到澄清的硫酸铝水溶液(全国各地大多数厂家采用)。

② 氯碱厂的食盐溶液澄消:用聚丙烯酰胺加速沉降,比用麸皮快十倍,大连化工厂已使用多年,效果良好。

③ 制药方面:国内利用于四环素抗菌素分离已取得成效,如广州抗菌素厂、华北制药厂等。

5、轻工、纺织工业:应用在纤维纺织工业方面,代替粮食上染纱,还用于改进纱织品的防皱和防缩性能。此外,还可以用于处理纤维、染色、皮革发水,例如:染色废水的处理。

6、造纸工业:聚丙烯酰胺在造纸工业中用途很广,例如:

① 提高细小纤维及填料的保留率约10-15%,减少流失降低浆耗,上海红旗造纸厂生产高级印刷用纸使用进口钛白粉流失很大,使用聚丙烯酰胺后,每吨纸可以降低浆耗30-50公斤。

② 提高纸张干湿强度,造纸过程加入适量聚丙烯酰胺,能增加张力、强度、撕力、耐摺力、湿裂断长能增加10-20倍,干纸的拉力与耐破度也可提高15-50%,装满水泥袋的摔袋次数从30次增至53次,拉力提高12-30%,耐摺提高10-200%。

③ 提高脱水率约15-20%,还可以增加纸浆滤水性,提高电容器纸的击穿电压。

④ 白水及黑液的处理:可以回收白水中纤维40%以上,同时达到排放标准。

7、石油、地质、煤碳工业:

① 油田勘探开发、地质、水利、煤炭等的勘探,应用作钻井泥浆材料的添加剂,可以润滑钻头,减阻、提高钻速和进尺,并有一定防塌作用,对加快油田开发,地质、煤炭的勘探有明显的效果。目前,全国油田及部份煤炭、地质勘探已普遍推广使用。

② 油田开采等的使用方面,还应用在稠化水驱油,压裂液和选择性堵水,对提高采油率有显著效果。

8、江河水澄清化及污水处理:制备工业用水及生活用水的过程中,可以代替明矾或硫酸铝进行江河水的澄清,效果很好,量少,沉速快,特别是对于高浊度的江河水效果更为明显。国外不仅用于生产工业用水,而且已广泛用于自来水。

工业污水、城市污水、经过微生物法或化学方法处理后,发生不少悬浮的物质,用聚丙烯酰胺可以加速悬浮物下沉,排放清水。因此,特别近期世界环境污染问题开始提出后,如何处理工业废水、城市污水,防止公害及环境保护,将成为国内一个重要课题。

9、水电工业:较新的小型水电站筑土坝办法是:“水坝”就是利用含有聚丙烯酰胺的高压水冲击山泥,使泥水流至计划筑坝的地方,借聚丙烯酰胺的作用,泥絮凝下来,水随着流去,形成一条土坝,施工方便,不用挖大量土方,国外大量应用。上海养殖场已用这样的方法筑基围,广东水电局亦正进行科学试验。

10、地下工程:国外搞地下工程,利用适宜的地质,用高压水冲击开洞开路,如筑隧道、筑地下铁路,加入少量聚丙烯酰胺可使冲击后的污泥浊水的泥下沉,清水排放。沉下的泥去水后,用卡车搬走工作方便,效率高。上海地下工程公司准备用此法在上海开筑地下铁道,试验已初步成功。

11、其他:农业上作为土壤的凝胶剂和泥浆的稳定剂,改良土壤。军事上军舰降低舰阻、提高船速、水下爆炸、胶体炸药,应用之项凡多。国外文献均有所报导,更有待不断在生产实践中去推广应用。