抗交聯劑對聚丙烯酰胺分子量和絮凝性能的影響

丁怡然

(昆明理工大學環境科學與工程學院，云南昆明650500)

抗交聯劑對聚丙烯酰胺分子量和絮凝性能的影響

丁怡然

(昆明理工大學環境科學與工程學院，云南昆明650500)

采用K2S2O8/NaHSO3引發丙烯酰胺溶液聚合，探討了抗交聯劑甲酸鈉對聚丙烯酰胺(PAM)的粘均分子量及絮凝性能的影響。研究結果表明:以K2S2O8/NaHSO3為引發劑，反應溫度20℃，引發劑用量為0.5‰，丙烯酰胺單體濃度40%，抗交聯劑用量為5ppm時，可獲得最高粘均分子量達1.9×107的聚丙烯酰胺。絮凝實驗結果表明:當抗交聯劑用量為15ppm時，所合成的PAM的絮凝效果最好，上層液體的透光度可達95%以上。

聚丙烯酰胺;抗交聯劑;分子量;絮凝性能

隨著社會經濟的發展，水資源作為人類生存和發展必不可少的資源，其污染和治理問題不容忽視。在諸多處理水污染的方法中，絮凝沉降法以其簡單易行、分離效率高、價格便宜等優點，成為了水處理工業中對不易沉降的顆粒進行分離的一種重要的方法［8］。在水處理過程中，絮凝劑能有效除去水中80%～90%的懸浮物和65%～95%的膠體物質，有效降低水體COD;同時，通過絮凝劑凈化能將水中90%以上的微生物和病毒轉入污泥中，降低了下一步進行消毒殺菌的難度［11］。

聚丙烯酰胺是一類重要的水溶性高分子聚合物，是有機高分子絮凝劑中用量最大的一種，其產量占合成有機高分子絮凝劑的80%以上。合成聚丙烯酰胺(PAM)時，希望能夠得到盡量長而伸展的分子鏈，但是在實驗中，由于聚合過程中發生的一定程度上的交聯，而不能得到理想的線性分子鏈。因此，通過加入抗交聯劑來減少交聯現象的發生。

本論文采用引發劑為K2S2O8/NaHSO3的氧化還原體系、水溶液法合成PAM。研究在合成過程中，改變抗交聯劑甲酸鈉的用量，對PAM粘均分子量的影響，以及改變抗交聯劑甲酸鈉的用量，對聚丙烯酰胺PAM絮凝性能的影響。

1實驗部分

1.1主要原料與試劑

丙烯酰胺:化學純;亞硫酸鈉、過硫酸鉀、甲酸鈉:分析純;高嶺土:化學純。

1.2合成方法

采用水溶液聚合法合成非離子型聚丙烯酰胺。在燒杯中加入一定量的丙烯酰胺和蒸餾水，于20℃恒溫下邊攪拌邊溶解，當丙烯酰胺全部溶解時，通入氮氣以除去反應體系中的溶解氧，15min后，停止通氮氣。加入引發劑K2S2O8/NaHSO3和抗交聯劑甲酸鈉，繼續攪拌至粘度迅速增大時，停止攪拌，在室溫下靜置48h后得到膠狀聚丙烯酰胺。

1.3聚丙烯酰胺分子量測定方法

按GB 12005.1－89《聚丙烯酰胺特性黏數測定方法》中稀釋法，用烏氏粘度計測定聚丙烯酰胺樣品的粘度，依照GB/T12005.10－92計算分子量。得到的分子量為粘均分子量。

1.4絮凝實驗方法

采用的絮凝方法為SY/T 5796－93《絮凝劑評定方法》，選用高嶺土體系進行絮凝效果評價。用1L蒸餾水溶解60g高嶺土，高速攪拌20min后密封保存24h。稱取一定量聚丙烯酰胺樣品放于具塞試管中，加入20ml蒸餾水溶解2h。將高嶺土溶液pH值調整在一定范圍內，在單個燒杯中稱取200g調整過pH的高嶺土溶液，以35r/min速度攪拌，同時加入配制好的聚丙烯酰胺溶液，2min后停止攪拌，靜置20min，取上層清液測定吸光度。2h后取上層清液中間層測定吸光度，同時測量沉降層高度。

2結果與討論

2.1合成工藝條件選擇

2.1.1單體濃度和引發劑用量對PAM分子量的影響

對PAM溶液自由基聚合反應，單體濃度和引發劑用量是影響其分子量最重要的因素。不同的單體濃度和引發劑用量，得到PAM的分子量也不同。

在本文研究的體系中，不同單體濃度和引發劑用量下PAM的分子量變化如圖1。由圖1可知，當單體濃度為30%時，PAM的粘均分子量最大可以達到5.57×106，當單體濃度為40%時，PAM的粘均分子量最大可以達到1.492×107，當單體濃度為50%時，PAM的粘均分子量最大可以達到9.38×106，可見，單體濃度對PAM粘均分子量上限的影響很大。此外，由圖1還可以看出當單體濃度為40%，引發劑用量為0.5‰時，合成的PAM粘均分子量最高。因此，對本文研究體系而言，最優合成條件為單體濃度40%，引發劑用量0.5‰。

2.1.2引發溫度對PAM分子量的影響

對PAM水溶液聚合反應而言，溫度是影響聚合反應發生劇烈程度的重要因素。溫度過低，聚合反應不發生，無法聚合形成PAM產品，而溫度過高聚合反應發生過于劇烈，不易形成長而伸展的分子鏈，導致聚合形成PAM的分子量過低。單體濃度為40%，引發劑用量0.5‰，抗交聯劑用量5ppm的條件下，分子量隨溫度變化的趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，溫度為20℃時得到的PAM粘均分子量最高，可以達到1.91×107。隨著溫度的增加，分子量呈現下降的趨勢。而當引發溫度為15℃時，聚合反應沒有發生，沒有得到需要的膠凍狀PAM產品。因此，對本文合成體系而言，最佳引發溫度為20℃。

2.2抗交聯劑用量對PAM分子量的影響

在PAM聚合過程中加入抗交聯劑是為了減少反應過程中交聯現象的發生，得到長而伸展的分子鏈，提高PAM的粘均分子量。然而抗交聯劑的加入量同樣存在最佳用量的問題。圖3為本文研究的體系中，抗交聯劑甲酸鈉用量與分子量間的關系。從圖3中可以看出，當甲酸鈉加入量為5ppm時，所得到PAM的粘均分子量最高，可達1.91×107。隨著甲酸鈉加入量的增加，所得PAM的粘均分子量均維持在1×107。此外，由圖3還可以看出，與不加甲酸鈉合成的PAM的粘均分子量相比，加入甲酸鈉的PAM樣品粘均分子量基本偏高。

2.3抗交聯劑對絮凝效果的影響

2.3.1絮凝劑最佳用量

對于不同的體系，不同的絮凝劑投入量得到的絮凝沉降效果也會不同。為了找到適合用于高嶺土體系沉降的最佳絮凝劑用量，選取甲酸鈉用量為60ppm的樣品投加到200g高嶺土溶液中，進行絮凝劑最佳用量實驗，高嶺土體系溶液調節初始pH值為3.73。圖4為絮凝劑用量與加入絮凝劑后高嶺土溶液上層清液20min和2h后透光率之間的關系。從圖4中可以看出，隨著絮凝劑用量增加，上層清液的透光率呈現出先增加后降低的趨勢。當絮凝劑加入量為7mg時，與其他加入量相比，絮凝體系上層清液20min和2h時候透光率高，溶液澄清度較好。圖5為絮凝劑用量與2h后高嶺土溶液沉降層高度的關系，沉降層越高，說明加入絮凝劑后絮凝沉降下的懸浮顆粒越多，絮凝效果越好。從圖5可以看出，隨著絮凝劑用量增加，沉降層高度先增加后降低。當加入量為24mg時，沉降層高度達到最大，其次為4、7、12mg。綜合上層清液透光率和沉降層兩個衡量絮凝效果優劣的指標來看，絮凝劑最佳用量應為7mg，即3.5mg/100g(高嶺土溶液)。

2.3.2抗交聯劑用量對絮凝效果影響

確定了絮凝實驗的最佳用量之后，測定不同抗交聯劑用量樣品的絮凝效果。分別稱取7mg、抗交聯劑濃度為0、5、10、15、20、30、40、60ppm的8個PAM樣品投加到200g高嶺土溶液中，高嶺土溶液體系初始pH值調節為3.8。實驗結果如圖6和圖7。

從圖6可以看出，甲酸鈉用量為0、5、10、15、20、30ppm的樣品投加到高嶺土溶液體系中，沉降后溶液上層清液透光率在95%以上，溶液透光性好。從圖7可以看出，甲酸鈉用量為15ppm的樣品投加到高嶺土溶液體系2h后得到的沉降層高度最高。其次為甲酸鈉用量為60ppm、0ppm和10ppm的樣品。綜合兩個指標來看，最適用于高嶺土溶液體系沉降的樣品為甲酸鈉加入量為15ppm的聚丙烯酰胺。

3結論

(1)本文采用溶液自由基聚合法，制備超高分子量聚丙烯酰胺絮凝劑，在引發溫度20℃、引發劑用量0.5‰、丙烯酰胺單體濃度40%、抗交聯劑用量5ppm的合成條件下，所合成聚丙烯酰胺的粘均分子量最高可達1.9×107萬。

(2)對高嶺土溶液體系的絮凝實驗發現，當抗交聯劑用量為15ppm時，所合成的聚丙烯酰胺的絮凝效果最好，并且當聚丙烯酰胺用量為3.5mg/100g(高嶺土溶液)時，上層液體的透光度可達95%以上，絮凝效果良好。

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The Influence of Anti－Crosslinking on Molecular Weight of Polyacrylamide and Its Flocculation Performance

DING Yi－ran
(College of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500 China)

The polyacrylamide in this paper has been synthesized using potassium peroxydisulfate/sodium hydrogensulfite via free radical solution polymerization．We discuss about the influence of anti－crosslinking on molecular weight of polyacrylamide and its performance of flocculation．The results show that the molecular weight can be 1.9×107when K2S2O8/NaHSO3is used as initiator，with the initiate reaction temperature at 20℃，initiator dosage of 0.5‰，monomer concentration of 40%and anti－crosslinking dosage of 5ppm．The flocculation experiment shows that when the dosage of anti－crosslinking is 15ppm，the synthesized PAM reaches the best performance of flocculation，and the transparence of the upper layer of the liquid could be more than 95%．

polyacrylamide;anti－crosslinking;molecular weight;performance of flocculation

X13

A

1673－9655(2012)05－0001－04

2012－03－25

丁怡然(1989－)，女，昆明人，碩士研究生，從事水污染治理與防治研究。