用于污水處理的陽離子高分子絮凝劑的合成

剛利超

在現(xiàn)代水處理工藝中，混凝技術(shù)占有非常重要的地位。陽離子絮凝劑是污水處理中使用效果最好、應(yīng)用最廣泛的水處理劑之一。因此，開發(fā)新技術(shù)，新工藝，生產(chǎn)高效無毒，質(zhì)量高，效果好，成本低，批量化的陽離子有機(jī)高分子絮凝劑對(duì)于提高我國水處理能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。DMC的均聚物與丙烯酰胺（AM）合成產(chǎn)生的共聚物聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（CPF）是一種多功能、高活性的陽離子高分子絮凝劑。本文主要研究的是DMC的均聚物PDMC的合成及最佳合成工藝的確定。

1 合成實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：JJ-1電動(dòng)攪拌器，電熱恒溫水浴鍋，四口瓶，冷凝管，DTG160電子天平，秒表，N2氣。

實(shí)驗(yàn)藥品：甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），（工業(yè)級(jí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥78%，）過硫酸鉀（K2S2O8）（分析純）亞硫酸氫鈉（NaHSO3）（分析純），實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

2 合成實(shí)驗(yàn)的裝置

實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為陽離子絮凝劑的合成、合成絮凝劑的性質(zhì)評(píng)價(jià)及應(yīng)用評(píng)價(jià)。其中合成裝置如下圖所示。合成過程是將原料按照配方配置好加入四口燒瓶中，分別裝好攪拌器、冷凝管、溫度計(jì)、氮?dú)馔ㄈ牍埽⑺目跓恐糜诤銣厮≈小?/p>

3 合成實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

在藥品稱量完畢后遂將四口瓶的四個(gè)口用濾紙暫時(shí)封住。然后依次將事先用蒸餾水清洗干凈的攪拌器、溫度計(jì)、冷凝管和氮?dú)馔ㄈ牍苎b在四口瓶的四個(gè)口上。攪拌器事先套入液封玻璃管并加水液封，裝入四口瓶固定，調(diào)整位置，打開攪拌開關(guān)，確保攪拌過程不會(huì)與四口瓶壁、瓶底以及溫度計(jì)、氮?dú)馔ㄈ牍鼙舜瞬桓蓴_。

反應(yīng)裝置安裝完整并穩(wěn)固之后，打開冷凝管，將冷凝水流速控制在微小流動(dòng)的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍足以對(duì)反應(yīng)的四口瓶進(jìn)行冷凝，同時(shí)又節(jié)約了水源。同時(shí)打開氮?dú)馄浚^察氮?dú)饬康拇笮。瑢馀菘刂圃诿棵胍坏絻蓚€(gè)的范圍內(nèi)。然后在水浴鍋內(nèi)加入自來水，水量控制在液面高度沒過四口瓶瓶身接近瓶頸的范圍內(nèi)，因?yàn)樗″伒募訜嵫b置位于鍋底，所以液面高度控制在這個(gè)范圍內(nèi)有利于水浴溫度均勻的擴(kuò)散到四口瓶?jī)?nèi)。加水完畢后打開溫度控制開關(guān)，按預(yù)先設(shè)定的合成方案調(diào)整溫度值。

待通入氮?dú)獠⒓訜?0分鐘后，將預(yù)先稱好的引發(fā)劑通過氮?dú)馔ㄈ氲哪z管打入四口瓶?jī)?nèi)，加入順序?yàn)橄妊趸瘎┖筮€原劑。這個(gè)過程要密切注意整個(gè)體系的溫度變化情況，隨時(shí)記錄預(yù)設(shè)溫度，水浴溫度和溫度計(jì)顯示溫度，留待以后對(duì)比分析。

通常要記錄大約十分鐘的溫度變化情況。待溫度變化穩(wěn)定之后，開始計(jì)時(shí)，通常這個(gè)時(shí)候也同時(shí)停止通入氮?dú)狻Ｈ缓髮⒗淠苡脼V紙封口，留縫，以保證裝置的密封。

開始計(jì)時(shí)后，每隔一個(gè)小時(shí)測(cè)一次粘度值。待到開始計(jì)時(shí)四個(gè)小時(shí)之后，終止反應(yīng)，將合成產(chǎn)品裝入事先清洗干凈的塑料瓶中備用。然后拆散反映裝置并清洗干凈。

根據(jù)合成產(chǎn)品的特性表征，可以得到PDMC的最佳配方如下：最適反應(yīng)溫度為53℃-57℃；最佳引發(fā)劑用量為整個(gè)體系的1.54%（wt）；最適質(zhì)量濃度為30%-33%（wt）。由于本次實(shí)驗(yàn)主要完成的就是DMC的均聚以及其性能表征，而DAC得均聚只是一種參照，所以并未將DAC的均聚產(chǎn)物及應(yīng)用性能做詳細(xì)的剖析，但從合成的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品的性能表征可以看出DAC的均聚條件相對(duì)DMC較容易。

4 合成條件的確定

合成PDMC的主要影像因素為反應(yīng)溫度、單體濃度、引發(fā)劑用量。本實(shí)驗(yàn)在確定最佳合成工藝參數(shù)時(shí)采用兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較，即絮凝劑的陽離子度和絮凝劑的絮凝效果對(duì)比。

4.1 反應(yīng)溫度的確定

通過對(duì)比不同溫度下產(chǎn)品的陽離子度、粘度和絮凝效果可以得到如下結(jié)論：陽離子度隨溫度的升高而增大，這同粘度隨溫度的變化趨勢(shì)一致。在57℃條件下出現(xiàn)了波動(dòng)（Y-09-10），這可能是由于合成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一定程度時(shí)，第一批藥品已經(jīng)用盡，所以不得不使用第二批藥品進(jìn)行合成。由于時(shí)間和條件的限制，沒有對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行論證。對(duì)于絮凝效果的比較而言，53℃-57℃時(shí)，ABS和濁度都有最大的去除率，而COD最大去除率出現(xiàn)在57℃的條件下。因?yàn)橛煤銣厮″伜铣僧a(chǎn)品的過程中，難免要產(chǎn)生上下兩度的溫差，所以我們可以將最適反應(yīng)溫度定為53℃-57℃。

4.2 單體濃度確定

通過對(duì)比不同單體濃度下產(chǎn)品的陽離子度和絮凝效果可以得到如下結(jié)論：陽離子度隨溫度的升高而增大，粘度與之變化相同。隨著單體濃度的增加，共聚物絮凝效果先是呈上升趨勢(shì)然后下降。這主要是由于單體濃度的改變對(duì)聚合物的平均聚合度產(chǎn)生影響，隨單體濃度的增加，共聚物相對(duì)分子質(zhì)量先增加后減少。單體濃度過低時(shí)，單體之間接觸和碰撞的幾率小，不利于分子鏈的增長，且反應(yīng)速率慢，時(shí)間長，聚合不完全。單體濃度的升高有利于反應(yīng)的進(jìn)行，這主要是由于單體濃度增加后，單體分子與活性鏈碰撞機(jī)會(huì)增加致使聚合反應(yīng)速率加快，共聚物相對(duì)分子質(zhì)量出現(xiàn)極大值。當(dāng)單體濃度繼續(xù)增高時(shí)，聚合放出的熱量不能及時(shí)移走，聚合體系內(nèi)溫度升高，引發(fā)速度加快，甚至出現(xiàn)交聯(lián)，使聚合物相對(duì)分子質(zhì)量降低。單體含量越高，這種現(xiàn)象越明顯。因此，實(shí)驗(yàn)最佳單體濃度確定為30%-33%（wt）。

4.3 引發(fā)劑用量的確定

在不同的引發(fā)劑用量條件下進(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)合成產(chǎn)物的陽離子度及其對(duì)高濁度水的絮凝效果進(jìn)行對(duì)比，從而確定最好的反應(yīng)溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

通過對(duì)比不同引發(fā)劑用量下產(chǎn)品的陽離子度和絮凝效果可以得到如下結(jié)論：陽離子度隨發(fā)劑用量的升高而增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，粘度隨引發(fā)劑用量的變化趨勢(shì)與之相同。隨著引發(fā)劑用量的增加，共聚物絮凝效果呈上升趨勢(shì)然后下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)引發(fā)劑用量很少時(shí)，單體轉(zhuǎn)化率不高，絮凝效果不好；當(dāng)引發(fā)劑增至適當(dāng)濃度.，聚合反應(yīng)完全，絮凝效果好；而引發(fā)劑濃度再升高時(shí)，體系中自由基濃度增加，使得溫升速率過大，反應(yīng)熱增加，致使分子鏈斷裂，影響絮凝效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合自由基聚合反應(yīng)規(guī)律。因此實(shí)驗(yàn)確定的合成反應(yīng)引發(fā)劑最佳用量為1.54%。

參考文獻(xiàn)

[1]湯鴻霄等.我國無機(jī)高分子絮凝劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與規(guī)劃[J].工業(yè)水處理2000，20（11）：1～6