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技术知识

聚丙烯酰胺的应用

时间:2021-05-27 08:20:52点击:0

摘要:本文主要介绍了聚丙烯酰胺在水处理、采油、造纸、医学、农业等领域的应用,并介绍了聚丙烯酰胺生产及消费现状。

聚丙烯酰胺(PAM)是丙烯酰胺均聚物或与其他单体共聚而得聚合物的统称,是水溶性高分子中应用较广泛的品种之一。由于聚丙烯酰胺结构单元中含有酰胺基、易形成氢键、使其具有良好的水溶性和很高的化学活性,易通过接枝或交联得到支链或网状结构的多种改性物,在石油开采、水处理、纺织、造纸、选矿、医药、农业等行业中具有广泛的应用,有“百业助剂”之称。国外主要应用领域为水处理、造纸、矿山、冶金等;国内目前用量较大的是采油领域,用量增长较快的是水处理领域和造纸领域。

1、聚丙烯酰胺应用领域

1.1 用作絮凝剂在水处理方面的应用

水处理包括原水处理、污水处理和工业水处理等。在原水处理中与活性炭等配合使用,可用于生活水中悬浮颗粒的凝聚、澄清。用有机絮凝剂聚丙烯酰胺代替无机絮凝剂,即使不改造沉降池,净水能力也可提高20%上;在污水处理中,采用聚丙烯酰胺可以增加水回用循环的使用率,还可用作污泥脱水;工业水处理中用作一种重要的配方药剂。聚丙烯酰胺在国外应用较大的领域是水处理,国内在此领域的应用正在推广。

聚丙烯酰胺在水处理中的主要作用:

(1)减少絮凝剂的用量。在达到同等水质的前提下,聚丙烯酰胺作为助凝剂与其它絮凝剂配合使用,可以大大降低絮凝剂的使用量;在达到同等水质的前提下,聚丙烯酰胺作为助凝剂与其它絮凝剂配合使用,可以大大降低絮凝剂的使用量;

(2)改善水质。在饮用水处理与工业废水处理中,聚丙烯酰胺与无机絮凝剂配合使用,可明显改善水质;

(3)提高絮体强度与沉降速度。聚丙烯酰胺形成的絮体强度高,沉降性能好,从而提高固液分离速度,有利于污泥脱水;

(4)循环冷却系统的防腐与防垢。聚丙烯酰胺的使用可大大减少无机絮凝剂的用量,从而避免无机物质在设备表面的沉积,减缓设备的腐蚀与结垢。

1.2 采油中的应用

聚丙烯酰胺是一类多功能的油田化学处理剂,广泛用于石油开采的钻井、固井、完井、修井、压裂、酸化、注水、堵水调剖、三次采油作业过程中,特别是在钻井、堵水调剖和三次采油领域。聚丙烯酰胺水溶液具有较高的粘度,有较好的增稠、絮凝和流变调节作用,在石油开采中用作驱油剂和钻井泥浆调节剂。在石油开采的中后期,为提高原油采收率,我国目前主要推广聚合物驱油和三元复合驱油技术。通过注入聚丙烯酰胺水溶液,改善油水流速比,使采出物中原油含量提高。在三次采油中加入聚丙烯酰胺,可增加驱油能力,避免击穿油层,提高油床开采收率。中国石油工业是聚丙烯酰胺的较大用户,聚丙烯酰胺的科技进步促进了中国石油工业的发展,石油工业的需求又加速了聚丙烯酰胺的科技创新步伐与行业的发展。

1.3 造纸领域的应用

聚丙烯酰胺在造纸领域广泛用作助留剂、助滤剂、均度剂等以提高纸张的质量、料浆脱水性能、细小纤维及填料的留着率,减少原材料消耗及对环境的污染,用作分散剂,可改善纸的均匀度。聚丙烯酰胺在造纸工业中主要应用在两个方面,一是提高填料、颜料等的存留率以降低原材料的流失和对环境的污染;二是提高纸张的强度。在纸料中加入聚丙烯酰胺,能提高细小纤维和填料粒子在网上的留着率,加速纸料的脱水。聚丙烯酰胺的作用机理是浆料中的颗粒靠电中和或架桥而絮凝得以在滤布上保留下来。絮块的形成也能使浆料中的水更易滤出,减少了纤维在白水中的流失量,减少环境污染,又有利于提高过滤和沉淀等设备的效率。

聚丙烯酰胺在造纸工业中主要用作增强剂、助留助滤剂。

(1)聚丙烯酰胺用作助留助滤剂。聚丙烯酰胺及其改性物是目前较常用的助留助滤剂。作为助流剂使用的主要是阴离子聚丙烯酰胺,这类助留剂可直接与纤维和填料形成静电吸附使之留着,同时亦可通过桥联作用与纤维结合。高相对分子质量的阴离子聚丙烯酰胺作为助留剂有更好的效果而在造纸中得到更广泛的应用。

(2)聚丙烯酰胺用作增强剂。聚丙烯酰胺是一类优良的造纸增强剂,它所带的酰胺基较易和浆料纤维素的羟基之间形成的较多的氢键而使纸页得到增强。此外,聚丙烯酰胺还应用于造纸生产的废水处理和纤维回收。

1.4 医学领域的应用

在医学上,聚丙烯酰胺凝胶可用作非凝血酶原粒化剂,外科,隐形眼镜原料,微胶囊的外层包复料,并用作制造高质量的止血拴,妇女卫生巾及小儿尿布,在医学领域,均聚物凝胶用于非凝血酶原料和药物的载体。交联的部分水解聚丙烯酰胺可用于生化领域,粒度几百微米到几十微米的聚丙烯酰胺可用于色谱填料(例如凝胶色谱柱填料),可有效地分离细胞色素等球形蛋白质。并能进一步对蛋白质脱盐、浓缩等。聚丙烯酰胺树脂经Mannich反应,在酰胺基侧链上经亚甲基桥引入L-脯氨酸或L-羟脯氨酸,在与铜离子配位,得到手性配体树脂,它对一系列DL氨基酸进行有效拆分。经Hofmann降解得到的聚乙烯胺树脂上手性氨基酸再与铜离子络合,作为配体交换色谱的固定相,可对一系列氨基酸进行拆分,对芳香氨基酸的拆分效果尤佳,由于骨架的亲水性较强,大大缩短了拆分时间。

1.5 农业的应用

1.5.1 对土壤物理性状的影响

聚丙烯酰胺可有效改善土壤结构,使土壤大团聚体数目增加,增加土壤表面粗糙度,降低土壤容重,使土壤总孔隙率和毛管孔隙度上升,进而使土壤颗粒和孔隙结构保持稳定,使土壤入渗率明显提高,增加土壤含水量。

1.5.2 聚丙烯酰胺的防蚀功能研究

降雨发生时,雨滴撞击土壤表面,分散土粒,使其发生移动而产生溅蚀,同时由于雨滴的撞击作用,破坏表土结构,堵塞土壤孔隙,减少降雨入渗,增加地表径流,经流汇集发生细沟侵蚀,使土壤的流失量成倍,甚至10倍多的增加。通过维护土壤表面的结构和增加团聚体的稳定性。抑制土壤结皮的形成是增加降雨入渗的有效方法之一。

1.5.3 聚丙烯酰胺对作物生长的影响及环境效应研究

聚丙烯酰胺在防止水土流失的过程中增加了土壤保水性和保肥性,改良了土壤,改善了土壤的通透性和抗旱能力,给作物的增产提供了条件。施用聚丙烯酰胺后,可以提高作物出苗率。聚丙烯酰胺能有效的减少径流损失,特别是减少了吸附在土壤上的杀虫剂的损失和地表磷元素流入河流和湖泊的损失。从环境的角度来看,使用聚丙烯酰胺有利于改善河水质量。

1.6 其他领域的应用

1.6.1 采矿、洗煤领域

采用聚丙烯酰胺作絮凝剂可促进采矿、洗煤回收水中的固体物沉降,使水澄清,同时可回收有用的固体颗粒,并避免对环境造成污染。随着采煤的机械化程度提高,微细粒煤含量占有的比重越来越大,其中一部分在洗选过程中造成恶性循环,要实现清水洗煤,就需要加速煤泥水中的细粒煤的沉降,及时回收系统中的细粒煤泥,确保低的循环水浓度。

聚丙烯酰胺是一种有机高分子絮凝剂,它常与无机凝聚剂复配用于选煤厂的煤泥水处理。

在选煤厂中,其主要用于:

(1)在煤泥水深度净化浓缩机中,添加聚丙烯酰胺絮凝剂,加速煤泥的沉降,降低溢流水浓度。

(2)在真空过滤机或压滤机中,添加聚丙烯酰胺絮凝剂,改善滤饼结构,降低滤饼水分,提高过滤速度。

1.6.2 纺织、印染工业中的应用

聚丙烯酰胺代替淀粉和明胶用作纤维的浆料,可使纤维有较好的梳棉性,并明显地降低浆料的消耗量。共聚物含有一定量醋酸乙烯基团,可作纤维精整剂,使纤维表面很快形成吸水薄层,共聚物所含的轻甲基基团可与纤维素中羧基基团形成交联的高分子网络结构,从而提高纤维的弹性及抗断裂性。聚丙烯酰胺还可用作上浆剂、织物整理剂等。利用其吸湿性强的特点,能减少纺细纱时的断线率。

1.6.3 制糖业的应用

聚丙烯酰胺可加速蔗汁中细粒子的下沉,促进过滤和提高滤液清澈度。

1.6.4 在建材工业中的应用

聚丙烯酰胺可用作涂料增稠分散剂、锯石板材冷却剂以及陶瓷粘接剂等。

此外,聚丙烯酰胺还广泛应用于陶瓷、化肥、油漆、涂料等行业。

2、聚丙烯酰胺应用及消费现状

目前世界上聚丙烯酰胺的总生产能力约为55万t/a,总产量约为50万t/a,美国、日本、欧洲是聚丙烯酰胺的主要生产国家和地区,其生产能力约占世界总生产能力的75%。各国聚丙烯酰胺的消费结构有所不同,美国和西欧主要用于水处理,在造纸方面应用所占比例相对较小,而日本则主要用于造纸工业。

美国聚丙烯酰胺的消费结构为:水处理占60%,造纸占25%,矿山占11%,其它占4%;

日本聚丙烯酰胺的消费结构为:水处理占45%,造纸占32%,矿山占8%,石油占12%,其它占3%;

西欧聚丙烯酰胺的消费结构为:水处理占29%,造纸占56%,石油占11%,其它占4%。

我国聚丙烯酰胺产品的开发始于20世纪50年代末期,1962年上海天原化工厂建成我国首套聚丙烯酰胺生产装置,生产水溶胶产品;随后吉化公司研究院、中科院广州化学所也研制成功聚丙烯酰胺并投入生产。在我国聚丙烯酰胺较早用于矿物精选,而后在制糖、造纸、钢铁、水处理等领域逐渐得到应用。目前我国聚丙烯酰胺的应用领域主要集中在石油开采、水处理、造纸、制糖、洗煤和冶金等领域,其消费结构为:油田开采占81%,水处理占9%,造纸占5%,矿山占2%,其它占3%。

3、结束语

聚丙烯酰胺作为一种多功能化工产品,在世界范围内其用量正以平稳的速度增长。我国聚丙烯酰胺的应用水平与发达国家尚有较大差距,要使我国聚丙烯酰胺的系列产品赶上和超过世界先进水平,还需改进现有生产工艺,提高技术水平,稳定产品质量。使具有"百业助剂"之称的聚丙烯酰胺更好的为我国的工业发展做贡献。