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聚丙烯酰胺在水处理中的应用

发布时间:2019-09-10 16:49:18     作者:波涛净水

聚丙烯酰胺( Polyacrylamide,简称PAM)是一类重要的线型水溶性高分子聚合物,具有良好的絮凝、吸附、增稠、耐剪性、降阻及分散等性能,在石油、采矿、水处理和造纸等行业中用途广泛,有“百业助剂”之称。随着经济的飞速发展,在水资源日益匮乏以及人们环保意识逐步提高的今天,聚丙烯酰胺优良的水处理性能备受人们关注,成为近年来水处理领域的研究热点。

1、聚丙烯酰胺的性能和作用

聚丙烯酰胺通过丙烯酰胺单体发生化学聚合反应或丙烯酰胺与其他单体发生共聚反应而获得,凡分子中丙烯酰胺含量超过50%以上的聚合物在工业中都被泛称为聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺分子中含有大量的酰胺基,容易形成氢键。因此,具有良好的水溶性和很高的化学活性。同时,酰胺基团可发生各种典型的反应,并通过这些反应获得多种功能性的衍生物。

聚丙烯酰胺的分子量具有很宽的调节范围,其按分子量的大小不同可分为低、中、高和超高分子四种,不同分子量的聚丙烯酰胺具有不同的性能和用途。

1.1聚丙烯酰胺的分类与絮凝能力

聚丙烯酰胺及其衍生物可根据所带电荷的情况分成阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型四大类。不同类型的聚丙烯酰胺性质不同,同一类型中不同聚丙烯酰胺性质也不同。

聚丙烯酰胺发挥凝聚作用主要通过两个方面进行,一是通过氢键结合、范德华力以及静电结合等作用对胶粒进行吸附,二是通过线型高分子链条在溶液中的吸附架桥作用来吸附缠结许多细小颗粒。

影响聚丙烯酰胺絮凝能力的主要因素有:

聚丙烯酰胺自身的相对分子质量、阳离子度与阴离子度的比例、离子化程度,温度、pH等作用条件以及与聚丙烯酰胺共用的凝聚剂/助凝剂的性质等。

阴离子型聚丙烯酰胺适用于粒子表面带正电荷的水质处理,阳离子型聚丙烯酰胺类絮凝剂主要絮凝表面带负电荷的胶粒。非离子型聚丙烯酰胺因不带离子型官能团,故其絮凝能力受含盐量和酸碱度的影响较阴离子型和阳离子型小。两性型聚丙烯酰胺因同时含有阴离子和阳离子官能团,所以较为特殊,二者的含量与分布对其絮凝助滤作用有较大的影响。

1.2聚丙烯酰胺在水处理中的作用

聚丙烯酰胺在水处理中主要发挥以下作用:

1、与其他絮凝剂配合使用,可降低絮凝剂的使用量。在达到同等水质的条件下,聚丙烯酰胺作为助凝剂与其他絮凝剂复配使用,可显著降低絮凝剂的用量。

2、改善水质。在饮用水处理与工业废水处理中,聚丙烯酰胺作为助凝剂与其他凝聚剂共同使用时,可增强除浊和脱色效果,进而达到改善出水水质的目的。

3、提高絮体的沉降速度和絮体的强度。加入聚丙烯酰胺之后,絮体的沉降速度加快,且形成的絮体强度增高,有利于固液分离,因此被广泛用于污泥的脱水。

4、循环冷却系统的防垢与防腐。聚丙烯酰胺的加入可显著降低无机絮凝剂的用量,从而减少了无机物质在设备表面的沉积,进而延缓设备的结垢与腐蚀进度。

1.3聚丙烯酰胺的毒性

对于哺乳类动物、水生生物和农田作物等来说,聚丙烯酰胺本身并没有毒性,而且对环境影响也没有很大的影响,更不存在燃烧、爆炸等方面的隐患。聚丙烯酰胺的毒性来自于聚合物中残留的丙烯酰胺单体和生产过程中引入的有毒重金属。丙烯酰胺是一种中等神经毒性物质,可损伤神经系统,中毒后表现为肌无力、运动失调等。

2、聚丙烯酰胺在水处理中的应用

聚丙烯酰胺及其衍生物的分子链上含有大量的官能团,具有良好的水溶性、絮凝能力和吸附架桥能力,同时具有分子量高、稳定性好、应用范围广、使用量少及产生的污泥少等特点,故广泛应用各种类型污染水体的处理。且随着污水污染程度和排放量的日益增加,对聚丙烯酰胺的需求量也越来越大。当前,聚丙烯酰胺是世界范围内应用较广、效能较高的高分子有机合成水处理剂。

聚丙烯酰胺处理各种废水絮凝效果图

2.1聚丙烯酰胺在给水处理中的应用

给水处理的目的是通过采取适当的处理净化方法除去水中的杂质,以达到符合生活用水或工业用水的标准。聚丙烯酰胺在给水处理中的应用主要包括低浊度水和高浊度水的处理两个方面。研究试验表明,在用硫酸铝处理低浊度水时若同时加入聚丙烯酰胺可提高水的处理能力,当硫酸铝浓度为3mg-9mg/L、聚丙烯酰胺浓度为0.0008mg/L-0.0125mg/L时,处理后的水浊度低于3度。在研究时发现,处理低浊度水时同时加入聚合氯化铝和聚丙烯酰胺,可显著提高去浊效果。实验中当加入的聚丙烯酰胺浓度为0.03mg/L时,可将沉降时间缩短为单独使用聚合氯化铝时的一半,并可减少22%的聚合氯化铝用量。研究表明,在处理高浊度的黄河水时,同时添加聚合氯化铝和聚丙烯酰胺联合使用,既能节约成本又能改善出水水质。目前我国的大部分水厂在用高浊度水生产生活饮用水时都会投加聚丙烯酰胺。

虽然聚丙烯酰胺相对无机助滤剂价格比较贵,但综合其用量和净水效果来看,其性价比还是很高的。另外,助滤处理之后直接过滤可简化后续的工艺流程,缩短水在水厂停留的时间,进而节省生产成本。

2.2聚丙烯酰胺在生活污水处理中的应用

城镇生活污水的主要污染物是有机物,呈富营养化,另外还有病原菌及无机盐等,其特点是化学需氧量COD、浊度、总磷(TP)、总氮(TN)比较高,水体颜色较深且有臭味。对于复杂成分的水体,单一成分的絮凝剂往往达不到水处理的要求,复合絮凝剂因此成为人们研究的焦点。复合絮凝剂不仅保留了各自的优点,而且弥补了单一使用时存在的不足,起到了协同絮凝的作用。复合絮凝剂有有机、无机以及有机无机复合絮凝剂三种,常用的是有机无机复合絮凝剂。先向污水中加入无机絮凝剂进行初步处理,再加入聚丙烯酰胺等有机高分子絮凝剂,通过其吸附架桥作用进一步起到絮凝的作用。

研究表明,在对城市生活污水进行絮凝处理时,同时使用液态聚合氯化铝铁和聚丙烯酰胺作为混凝剂和助滤剂可使总磷去除率增长14.51%,由75.61%提高到90.12%。同样也是使用聚合氯化铝铁作为混凝剂,同时配合助凝剂聚丙烯酰胺一起采用气动絮凝的方式对模拟的城镇污染河水进行处理,取得了很好的处理效果。当然,聚丙烯酰胺也可以经过改性获得改性衍生物单独用于生活污水的处理。将热改性凹土与丙烯酰胺原位聚合制成凹土复合聚丙烯酰胺絮凝剂,用来处理污染的河水,除浊66.3%,除COD45.6%。

2.3聚丙烯酰胺在重金属废水处理中的应用

重金属是引起水质污染的一个重要因素,其在食物链中可以发生富集,一旦富集过量就会对自然环境和人类健康造成很大的危害,因此有效降低水体中的重金属含量对人类及其生态环境意义重大。聚丙烯酰胺经常与无机絮凝剂联合使用应用于各种重金属废水的处理。在研究含镍原水除镍时发现,当原水pH为10.0,FeCl3浓度为25mg/L时,联合使用聚丙烯酰胺可降低原水中镍的含量,使其由0.226mg/L下降为0.0187mg/L。研究了静态条件下聚季铵盐聚丙烯酰胺对电镀废水中镍离子的去除能力,发现废水在pH为6.0-8.0,镍浓度为0.100mg/L范围内时,按Ni2+:聚丙烯酰胺质量比为1:30的比例加入聚丙烯酰胺,采取吸附时间为80min和吸附温度为20℃的处理条件,Ni2+的去除率可高达98%。以某铝材电镀工业园的混合废水为研究对象,采用化学-混凝沉淀法进行混合废水的处理。试验以氯化钙和氯化铝为沉淀剂,以聚丙烯酰胺作为助凝剂,处理结果中氟及多种重金属的含量均符合要求。

2.4聚丙烯酰胺在煤炭生产污水处理中的应用

在煤炭生产中为加速煤泥水在浓缩池中的沉淀,改善滤饼结构并降低滤饼含水量,保证生产高效经济运行,需要添加合适的絮凝剂来强化煤泥水的处理。聚丙烯酰胺常与无机混凝剂复配使用与选煤厂的煤泥水处理。抚顺矿业集团西露天矿选煤厂经过多年生产实践经验发现,聚丙烯酰胺水溶液的配置及添加方式、聚丙烯酰胺的用量、煤泥水的浓度及温度和入洗原煤的性质都会影响煤泥水的絮凝结果。研究了聚丙烯酰胺的光敏引发法制备及其在洗煤废水处理中的应用,发现阴离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果要优于非离子型聚丙烯酰胺,且用量少沉降快,絮凝后的洗煤水透光率高,可循环使用,节约生产成本。选用3种不同特性粘数的阳离子型聚丙烯酰胺对煤场的煤泥水进行絮凝处理,结果发现当特性粘数为634ml/g、处理的煤泥水pH为5时,聚丙烯酰胺的絮凝能力较强,较佳投加量为10g/m3。且在处理高灰分和细粒度的煤泥水时,阳离子型聚丙烯酰胺的絮凝效果要好于阴离子型聚丙烯酰胺。采煤过程中产生的矿井水大多矿化度比较高。以山西西山某矿井水为研究对象,先通过混凝法去除浊度和悬浮物质,再用电渗析法进行脱盐处理,经过混凝法-电渗析法的联合处理,矿井水的总离子去除率达到90%以上,满足了饮用水的要求。

2.5聚丙烯酰胺在其他工业废水处理中的应用

其它工业废水品种繁多,性质成分各不相同,需个别情况个别分析,根据需要选取不同的聚丙烯酰胺。对水分散型阳离子聚丙烯酰胺在造纸废水处理中的应用进行了研究,试验结果表明将水分散型阳离子聚丙烯酰胺与无机聚合氯化铝复配使用时效果比较好,且当二者的投加量分别为50、600mg/L时,处理效果更好,对悬浮物与化学需氧量的去除率分别为96.8%和87.5%。在制药废水领域,使用聚丙烯酰胺为助凝剂,聚合硫酸铁为絮凝剂对高浓度的黄药生产废水进行处理,处理结果化学需氧量去除率为84%,黄药去除率为100%。在乳制品行业,由于废水中蛋白、糖和脂肪的含量比较高,化学需氧量COD非常高。使用硫酸铝-聚丙烯酰胺复配处理乳制品生产废水,取得了良好的效果,不管原水样的化学需氧量和生物需氧量如何变化,其去除率分别处于62%-68%和62%-72%之间。

3、前景展望

聚丙烯酰胺作为絮凝剂或助凝剂等在水处理中的应用仍处于蓬勃发展时期,取得了广泛的关注和研究。聚丙烯酰胺与各种试剂的配合使用也将发挥更大的价值和作用,研究也正在朝着应用范围更广、絮凝活性更高、更无毒、减小污染的方向进行。随着不同的改进和应用研究的发展,聚丙烯酰胺在水处理中会发挥越来越重要的作用。

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