丁怡然
(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明650500)
抗交聯(lián)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明650500)
采用K2S2O8/NaHSO3引發(fā)丙烯酰胺溶液聚合,探討了抗交聯(lián)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(jié)果表明:以K2S2O8/NaHSO3為引發(fā)劑,反應(yīng)溫度20℃,引發(fā)劑用量為0.5‰,丙烯酰胺單體濃度40%,抗交聯(lián)劑用量為5ppm時,可獲得最高粘均分子量達(dá)1.9×107的聚丙烯酰胺。絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)抗交聯(lián)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(dá)95%以上。
聚丙烯酰胺;抗交聯(lián)劑;分子量;絮凝性能
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水資源作為人類生存和發(fā)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(yōu)點(diǎn),成為了水處理工業(yè)中對不易沉降的顆粒進(jìn)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(zhì),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(zhuǎn)入污泥中,降低了下一步進(jìn)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(jī)高分子絮凝劑中用量最大的一種,其產(chǎn)量占合成有機(jī)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(shí)驗(yàn)中,由于聚合過程中發(fā)生的一定程度上的交聯(lián),而不能得到理想的線性分子鏈。因此,通過加入抗交聯(lián)劑來減少交聯(lián)現(xiàn)象的發(fā)生。
本論文采用引發(fā)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(lián)劑甲酸鈉的用量,對PAM粘均分子量的影響,以及改變抗交聯(lián)劑甲酸鈉的用量,對聚丙烯酰胺PAM絮凝性能的影響。
1.1主要原料與試劑
丙烯酰胺:化學(xué)純;亞硫酸鈉、過硫酸鉀、甲酸鈉:分析純;高嶺土:化學(xué)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(dāng)丙烯酰胺全部溶解時,通入氮?dú)庖猿シ磻?yīng)體系中的溶解氧,15min后,停止通氮?dú)?。加入引發(fā)劑K2S2O8/NaHSO3和抗交聯(lián)劑甲酸鈉,繼續(xù)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(shù)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(diào)整在一定范圍內(nèi),在單個燒杯中稱取200g調(diào)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。
2.1合成工藝條件選擇
2.1.1單體濃度和引發(fā)劑用量對PAM分子量的影響
對PAM溶液自由基聚合反應(yīng),單體濃度和引發(fā)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(fā)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(fā)劑用量下PAM的分子量變化如圖1。由圖1可知,當(dāng)單體濃度為30%時,PAM的粘均分子量最大可以達(dá)到5.57×106,當(dāng)單體濃度為40%時,PAM的粘均分子量最大可以達(dá)到1.492×107,當(dāng)單體濃度為50%時,PAM的粘均分子量最大可以達(dá)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(dāng)單體濃度為40%,引發(fā)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(yōu)合成條件為單體濃度40%,引發(fā)劑用量0.5‰。
2.1.2引發(fā)溫度對PAM分子量的影響
對PAM水溶液聚合反應(yīng)而言,溫度是影響聚合反應(yīng)發(fā)生劇烈程度的重要因素。溫度過低,聚合反應(yīng)不發(fā)生,無法聚合形成PAM產(chǎn)品,而溫度過高聚合反應(yīng)發(fā)生過于劇烈,不易形成長而伸展的分子鏈,導(dǎo)致聚合形成PAM的分子量過低。單體濃度為40%,引發(fā)劑用量0.5‰,抗交聯(lián)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(dá)到1.91×107。隨著溫度的增加,分子量呈現(xiàn)下降的趨勢。而當(dāng)引發(fā)溫度為15℃時,聚合反應(yīng)沒有發(fā)生,沒有得到需要的膠凍狀PAM產(chǎn)品。因此,對本文合成體系而言,最佳引發(fā)溫度為20℃。
2.2抗交聯(lián)劑用量對PAM分子量的影響
在PAM聚合過程中加入抗交聯(lián)劑是為了減少反應(yīng)過程中交聯(lián)現(xiàn)象的發(fā)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(lián)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(lián)劑甲酸鈉用量與分子量間的關(guān)系。從圖3中可以看出,當(dāng)甲酸鈉加入量為5ppm時,所得到PAM的粘均分子量最高,可達(dá)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(lián)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(jìn)行絮凝劑最佳用量實(shí)驗(yàn),高嶺土體系溶液調(diào)節(jié)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(guān)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(xiàn)出先增加后降低的趨勢。當(dāng)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(guān)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(dāng)加入量為24mg時,沉降層高度達(dá)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(yōu)劣的指標(biāo)來看,絮凝劑最佳用量應(yīng)為7mg,即3.5mg/100g(高嶺土溶液)。
2.3.2抗交聯(lián)劑用量對絮凝效果影響
確定了絮凝實(shí)驗(yàn)的最佳用量之后,測定不同抗交聯(lián)劑用量樣品的絮凝效果。分別稱取7mg、抗交聯(lián)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(diào)節(jié)為3.8。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(biāo)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。
(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(fā)溫度20℃、引發(fā)劑用量0.5‰、丙烯酰胺單體濃度40%、抗交聯(lián)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(dá)1.9×107萬。
(2)對高嶺土溶液體系的絮凝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)抗交聯(lián)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(dāng)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(dá)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。