張振京(鄆城縣衛(wèi)生計(jì)生綜合監(jiān)督執(zhí)法局,山東 鄆城 274700)
聚丙烯酰胺在水處理中的應(yīng)用
張振京
(鄆城縣衛(wèi)生計(jì)生綜合監(jiān)督執(zhí)法局,山東 鄆城 274700)
聚丙烯酰胺;水處理
聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,簡稱PAM)是一類重要的線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、采礦、水處理和造紙等行業(yè)中用途廣泛,有“百業(yè)助劑”之稱。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,在水資源日益匱乏以及人們環(huán)保意識(shí)逐步提高的今天,PAM優(yōu)良的水處理性能備受人們關(guān)注,成為近年來水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
PAM通過丙烯酰胺單體發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)或丙烯酰胺與其他單體發(fā)生共聚反應(yīng)而獲得,凡分子中丙烯酰胺含量超過50%以上的聚合物在工業(yè)中都被泛稱為聚丙烯酰胺。PAM分子中含有大量的酰胺基,容易形成氫鍵。因此,具有良好的水溶性和很高的化學(xué)活性。同時(shí),酰胺基團(tuán)可發(fā)生各種典型的反應(yīng),并通過這些反應(yīng)獲得多種功能性的衍生物。PAM的分子量具有很寬的調(diào)節(jié)范圍,其按分子量的大小不同可分為低、中、高和超高分子四種,不同分子量的PAM具有不同的性能和用途。
1.1 PAM的分類與絮凝能力 聚丙烯酰胺及其衍生物可根據(jù)所帶電荷的情況分成陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性型四大類。不同類型的PAM性質(zhì)不同,同一類型中不同PAM性質(zhì)也不同。PAM發(fā)揮凝聚作用主要通過兩個(gè)方面進(jìn)行,一是通過氫鍵結(jié)合、范德華力以及靜電結(jié)合等作用對(duì)膠粒進(jìn)行吸附,二是通過線型高分子鏈條在溶液中的吸附架橋作用來吸附纏結(jié)許多細(xì)小顆粒。影響PAM絮凝能力的主要因素有:PAM自身的相對(duì)分子質(zhì)量、陽離子度與陰離子度的比例、離子化程度,溫度、pH等作用條件以及與PAM共用的凝聚劑/助凝劑的性質(zhì)等。陰離子型PAM適用于粒子表面帶正電荷的水質(zhì)處理,陽離子型PAM類絮凝劑主要絮凝表面帶負(fù)電荷的膠粒。非離子型PAM因不帶離子型官能團(tuán),故其絮凝能力受含鹽量和酸堿度的影響較陰離子型和陽離子型小。兩性型PAM因同時(shí)含有陰離子和陽離子官能團(tuán),所以較為特殊,二者的含量與分布對(duì)其絮凝助濾作用有較大的影響。
1.2 PAM在水處理中的作用 PAM在水處理中主要發(fā)揮以下作用:(1)與其他絮凝劑配合使用,可降低絮凝劑的使用量。在達(dá)到同等水質(zhì)的條件下,PAM作為助凝劑與其他絮凝劑復(fù)配使用,可顯著降低絮凝劑的用量。(2)改善水質(zhì)。在飲用水處理與工業(yè)廢水處理中,PAM作為助凝劑與其他凝聚劑共同使用時(shí),可增強(qiáng)除濁和脫色效果,進(jìn)而達(dá)到改善出水水質(zhì)的目的。(3)提高絮體的沉降速度和絮體的強(qiáng)度。加入PAM之后,絮體的沉降速度加快,且形成的絮體強(qiáng)度增高,有利于固液分離,因此被廣泛用于污泥的脫水。(4)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的防垢與防腐。PAM的加入可顯著降低無機(jī)絮凝劑的用量,從而減少了無機(jī)物質(zhì)在設(shè)備表面的沉積,進(jìn)而延緩設(shè)備的結(jié)垢與腐蝕進(jìn)度。
1.3 PAM的毒性與安全 對(duì)于哺乳類動(dòng)物、水生生物和農(nóng)田作物等來說,PAM本身并沒有毒性,而且對(duì)環(huán)境影響也沒有很大的影響,更不存在燃燒、爆炸等方面的安全隱患。PAM的毒性來自于聚合物中殘留的丙烯酰胺單體和生產(chǎn)過程中引入的有毒重金屬。丙烯酰胺是一種中等神經(jīng)毒性物質(zhì),可損傷神經(jīng)系統(tǒng),中毒后表現(xiàn)為肌無力、運(yùn)動(dòng)失調(diào)等。
PAM及其衍生物的分子鏈上含有大量的的官能團(tuán),具有良好的水溶性、絮凝能力和吸附架橋能力,同時(shí)具有分子量高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣、使用量少及產(chǎn)生的污泥少等特點(diǎn),故廣泛應(yīng)用各種類型污染水體的處理。且隨著污水污染程度和排放量的日益增加,對(duì)PAM的需求量也越來越大。當(dāng)前,PAM是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣、效能最高的高分子有機(jī)合成水處理劑。
2.1 PAM在給水處理中的應(yīng)用 給水處理的目的是通過采取適當(dāng)?shù)奶幚韮艋椒ǔニ械碾s質(zhì),以達(dá)到符合生活用水或工業(yè)用水的標(biāo)準(zhǔn)。PAM在給水處理中的應(yīng)用主要包括低濁度水和高濁度水的處理兩個(gè)方面。研究試驗(yàn)表明,在用硫酸鋁處理低濁度水時(shí)若同時(shí)加入PAM可提高水的處理能力,當(dāng)硫酸鋁濃度為3 mg/L~9 mg/L、PAM濃度為0.0008 mg/L~0.0125 mg/L時(shí),處理后的水濁度低于3度[1]。在研究時(shí)發(fā)現(xiàn),處理低濁度水時(shí)同時(shí)加入聚合鋁和PAM,可顯著提高去濁效果[2】[3]。目前我國的大部分水廠在用高濁度水生產(chǎn)生活飲用水時(shí)都會(huì)投加PAM[4]。
雖然PAM相對(duì)無機(jī)助濾劑價(jià)格比較貴,但綜合其用量和凈水效果來看,其性價(jià)比還是很高的。另外,助濾處理之后直接過濾可簡化后續(xù)的工藝流程,縮短水在水廠停留的時(shí)間,進(jìn)而節(jié)省生產(chǎn)成本。
2.2 PAM在生活污水處理中的應(yīng)用 城鎮(zhèn)生活污水的主要污染物是有機(jī)物,呈富營養(yǎng)化,另外還有病原菌及無機(jī)鹽等,其特點(diǎn)是化學(xué)需氧量COD、濁度、總磷(TP)、總氮(TN)比較高,水體顏色較深且有臭味。對(duì)于復(fù)雜成分的水體,單一成分的絮凝劑往往達(dá)不到水處理的要求,復(fù)合絮凝劑因此成為人們研究的焦點(diǎn)。復(fù)合絮凝劑不僅保留了各自的優(yōu)點(diǎn),而且彌補(bǔ)了單一使用時(shí)存在的不足,起到了協(xié)同絮凝的作用。復(fù)合絮凝劑有有機(jī)、無機(jī)以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合絮凝劑三種,最常用的是有機(jī)無機(jī)復(fù)合絮凝劑。先向污水中加入無機(jī)絮凝劑進(jìn)行初步處理,再加入PAM等有機(jī)高分子絮凝劑,通過其吸附架橋作用進(jìn)一步起到絮凝的作用。
研究表明,在對(duì)城市生活污水進(jìn)行絮凝處理時(shí),同時(shí)使用液態(tài)聚合氯化鋁鐵和PAM作為混凝劑和助濾劑可使總磷去除率增長14.51%,由75.61%提高到90.12%[5]。同樣也是使用聚合氯化鋁鐵作為混凝劑,同時(shí)配合助凝劑PAM一起采用氣動(dòng)絮凝的方式對(duì)模擬的城鎮(zhèn)污染河水進(jìn)行處理,取得了很好的處理效果[6]。當(dāng)然,PAM也可以經(jīng)過改性獲得改性衍生物單獨(dú)用于生活污水的處理。將熱改性凹土與丙烯酰胺原位聚合制成凹土復(fù)合PAM絮凝劑,用來處理污染的河水,最后除濁66.3%,除COD45.6%[7]。
2.3 PAM在重金屬廢水處理中的應(yīng)用 重金屬是引起水質(zhì)污染的一個(gè)重要因素,其在食物鏈中可以發(fā)生富集,一旦富集過量就會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人類健康造成極大的危害,因此有效降低水體中的重金屬含量對(duì)人類及其生態(tài)環(huán)境意義重大。PAM經(jīng)常與無機(jī)絮凝劑聯(lián)合使用應(yīng)用于各種重金屬廢水的處理。在研究含鎳原水除鎳時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)原水pH為10.0,F(xiàn)eCl3濃度為25 mg/L時(shí),聯(lián)合使用PAM可降低原水中鎳的含量,使其由0.226 mg/L下降為0.0187 mg/L[8]。研究了靜態(tài)條件下聚季銨鹽PAM對(duì)電鍍廢水中鎳離子的去除能力,發(fā)現(xiàn)廢水在pH為6.0~8.0,鎳濃度為0.100 mg/L范圍內(nèi)時(shí),按Ni2+:PAM質(zhì)量比為1:30的比例加入PAM,采取吸附時(shí)間為80 min和吸附溫度為20℃的處理?xiàng)l件,Ni2+的去除率可高達(dá)98%[9]。以某鋁材電鍍工業(yè)園的混合廢水為研究對(duì)象,采用化學(xué)-混凝沉淀法進(jìn)行混合廢水的處理[10]。試驗(yàn)以氯化鈣和氯化鋁為沉淀劑,以PAM作為助凝劑,最后的處理結(jié)果中氟及多種重金屬的含量均符合要求。
2.4 PAM在煤炭生產(chǎn)污水處理中的應(yīng)用 在煤炭生產(chǎn)中為加速煤泥水在濃縮池中的沉淀,改善濾餅結(jié)構(gòu)并降低濾餅含水量,保證生產(chǎn)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,必須添加合適的絮凝劑來強(qiáng)化煤泥水的處理。PAM常與無機(jī)混凝劑復(fù)配使用與選煤廠的煤泥水處理。撫順礦業(yè)集團(tuán)西露天礦選煤廠[11]經(jīng)過多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PAM水溶液的配置及添加方式、PAM的用量、煤泥水的濃度及溫度和入洗原煤的性質(zhì)都會(huì)影響煤泥水的絮凝結(jié)果。研究了PAM的光敏引發(fā)法制備及其在洗煤廢水處理中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)陰離子型PAM的絮凝效果要優(yōu)于非離子型PAM,且用量少沉降快,絮凝后的洗煤水透光率高,可循環(huán)使用,節(jié)約生產(chǎn)成本[12]。選用3種不同特性粘數(shù)的陽離子型PAM對(duì)煤場的煤泥水進(jìn)行絮凝處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)特性粘數(shù)為634 ml/g、處理的煤泥水pH為5時(shí)PAM得絮凝能力最強(qiáng),最佳投加量為10g/m3[13]。且在處理高灰分和細(xì)粒度的煤泥水時(shí),陽離子型PAM的絮凝效果要好于陰離子型PAM。采煤過程中產(chǎn)生的礦井水大多礦化度比較高。以山西西山某礦井水為研究對(duì)象,先通過混凝法去除濁度和懸浮物質(zhì),再用電滲析法進(jìn)行脫鹽處理,經(jīng)過混凝法-電滲析法的聯(lián)合處理,礦井水的總離子去除率達(dá)到90%以上,滿足了飲用水的要求[14]。
2.5 PAM在其他工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用 其它工業(yè)廢水品種繁多,性質(zhì)成分各不相同,需個(gè)別情況個(gè)別分析,根據(jù)需要選取不同的PAM。對(duì)水分散型陽離子PAM在造紙廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,試驗(yàn)結(jié)果表明將水分散型陽離子PAM與無機(jī)聚合氯化鋁復(fù)配使用時(shí)效果比較好,且當(dāng)二者的投加量分別為50、600 mg/L時(shí),處理效果最好,對(duì)懸浮物與化學(xué)需氧量的去除率分別為96.8%和87.5%[15]。在制藥廢水領(lǐng)域,使用PAM為助凝劑,聚合硫酸鐵為絮凝劑對(duì)高濃度的黃藥生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理,最終處理結(jié)果化學(xué)需氧量去除率為84%,黃藥去除率為100%[16]。在乳制品行業(yè),由于廢水中蛋白、糖和脂肪的含量比較高,化學(xué)需氧量COD非常高。使用硫酸鋁-PAM復(fù)配處理乳制品生產(chǎn)廢水,取得了良好的效果,不管原水樣的化學(xué)需氧量和生物需氧量如何變化,其去除率分別處于62%~68%和62%~72%之間[17]。
PAM作為絮凝劑或助凝劑等在水處理中的應(yīng)用仍處于蓬勃發(fā)展時(shí)期,得到了廣泛的關(guān)注和研究。PAM與各種試劑的配合使用也將發(fā)揮更大的價(jià)值和作用,研究也正在朝著應(yīng)用范圍更廣、絮凝活性更高、更安全無毒、減小污染的方向進(jìn)行。隨著不同的改進(jìn)和應(yīng)用研究的發(fā)展,PAM在水處理中會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。
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執(zhí)行編委:吳效普
責(zé)任編輯:吳效普 邵文錦
英文編輯:楊 馨
責(zé)任校對(duì):吳效普 邵文錦
微機(jī)排版:邵文錦 張鴻雁
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:1008-4118(2016)01-0088-03
10.3969/j.issn.1008-4118.2016.01.033
2015-12-06