新型阳离子聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：没有比知识更好的朋友，没有比病魔更坏的敌人。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了新型阳离子聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

以丙烯腈和二异丁烯为原料，通过里特反应，合成了具有较大空间体积、疏水性好的树枝状功能性单体，并通过质谱、核磁对其结构进行了表征。在复合引发体系的催化下，把功能性单体、丙烯酰胺(AM)和阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)进行共聚合，合成了不同阳离子度的高性能阳离子聚丙烯酰胺并对其絮凝特性进行了研究。实验结果表明该絮凝剂具有很好的除油、除污效果，有望在污水处理领域得到实际的推广应用。
聚丙烯酰胺是污水处理中应用最为广泛的一类有机高分子絮凝剂。近年来由于现代工业的迅猛发展和人民生活水平的提高，污水成分越来越复杂，各种含油污水、高含量有机物的污水以及一些高含量非极性物质的污水量越来越多，污水中O/W油滴、悬浮物、溶解性胶质和水溶性有机物等表面一般都显负电性，因此阳离子型聚丙烯酰胺的研究开发越来越受到人们的关注。但传统阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂存在着耐盐性差、对污水中油类等有机物质絮凝能力弱等缺陷，因此对于高矿化度、高含油和有机物含量高的污水体系不适应[1-5]。
本文通过里特反应，采用胶束共聚合法，合成了具有特殊结构的树枝状功能性单体。该单体具有较大的空间体积，疏水性好，在适当的复合引发剂的作用下，通过和丙烯酰胺及阳离子单体的聚合，合成了高性能的阳离子聚丙烯酰胺。包含了功能单体的聚丙烯酰胺大大增强了聚合物的链刚性，使其不易发生卷曲，大幅度改善了高分子在溶液中的形态，增加了缠绕、包容、架桥和耐盐功能。通过对不同污水的絮凝实验，结果表明该产品具有很好的除油、除污效果。
1.实验部分
1.1试剂30%丙烯酰胺水剂(AM)，分析纯，江西昌九农科化有限公司；阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC，含量80%)，分析纯，山东淄博万多福化工有限公司；阳离子表面活性剂(十二烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基氯化铵)，分析纯，北京兴中化学试剂公司；硫酸亚铁铵，过硫酸铵，氯化钠，均为分析纯，北京化学试剂公司。
1.2仪器
玻璃毛细管粘度计，4-0.57，；恒温水浴：控制精度±0.05℃，郑州科工贸有限公司；LGJ台式冷冻干燥机；光学显微镜；BrukerDMX300核磁共振谱仪，MicormassGCT质谱仪；JSM-6700F型扫描电子显微镜；Tensor27红外光谱仪，Bruker，德国；SY-20高剪切乳化机；NDJ-1型旋转粘度仪；微孔滤膜过滤实验仪；微波炉或烘箱。
1.3树枝状功能性单体的制备
在20℃下将20g浓硫酸加入100mL冰醋酸中配成溶液，搅拌下向此溶液中滴加5.7g丙烯腈，随后再向溶液中滴加11.2g二异丁烯，维持反应体系温度在45℃以下，继续搅拌反应2～3h后，向其中加入5倍体积的二次水，搅拌均匀后静置。有针状结晶析出，过滤，水洗，冷冻干燥，得较纯净单体(M)。
1.4树枝状单体-丙烯酰胺-二烯丙基二甲基氯化铵共聚物的合成
向容器中加入丙烯酰胺(AM)、树枝状单体(M)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和十二烷基三甲基溴化铵、蒸镏水，用NaOH溶液调节上述溶液至中性，保持上述溶液温度在40℃以下，向溶液中通入高纯N2，以除去溶液中的O2。然后加入引发剂，进行聚合反应4h后，再用丙酮沉淀后，在真空干燥箱中干燥至恒重，粉碎即得粉末状产物-结构复合型阳离子聚合物(JXCAS)。
1.5结构表征
核磁共振测试采用BrukerDMX300核磁共振仪在室温下进行，以氘代DMSO、丙酮、CDCl3为溶剂，TMS为内标，所有实验均采用标准脉冲序列，实验温度为室温。电子轰击质谱在MicormassGCT质谱仪上测试，离子源温度220℃，进样温度350℃，电子能量70eV，加速电压8kV，采用直接进样方式。
2.结果与讨论
2.1树枝状单体结构表征
将树枝状单体分别进行质谱分析和核磁共振氢谱分析，以确认其分子结构，如图1、图2所示。

2.2共聚物JXCAS的结构表征
聚合的阳离子聚丙烯酰胺用丙酮沉析，乙醇抽提纯化，真空干燥，粉碎后，按质量比1：100与KBr混合研磨，5MPa压力下压片，用红外光谱仪进行测试。红外光谱如图3所示。3424cm-1对应-CONH2中N-H的对称伸展振动吸收峰，该峰较宽较强；2129cm-1对应-COO-的特征吸收峰；1737cm-1和1669cm-1对应C=O酰胺I带特征峰及-CONH-酰胺II带的特征弯曲振动峰；1483cm-1为-N(+CH)33甲基的变形振动峰；1452cm-1为CH2-N+的特征峰，953cm-1为季铵盐的特征吸收峰，728cm-1为(CH3)3C-的伸缩振动。说明功能单体参与了聚合反应，接到了聚合物的主链上。

本文中合成的共聚物和国产的两种聚合物在水溶液中的电镜照片如图4所示，电镜照片表明，普通高分子量聚丙烯酰胺在水溶液中均匀分布，无空间立体结构，国产样品(CP-8047)在水溶液中有少量三维网络结构，而本项目研发样品在水溶液中可以形成大量三维网络结构。研究表明这种网络结构有助于大幅度增加缠绕、包容和架桥功能，大幅度增加耐盐性能，具备了高效聚集絮凝的基础。

测定的各聚合物絮凝剂的流出时间及相对分子质量计算结果如表1所示。可以看出研制的结构复合型高分子量阳离子聚丙烯酰胺与公认的国内较好的絮凝剂相比，分子量明显提高。

2.3絮凝性能研究
图5是对高含水污泥的脱水实验结果对比，污泥水含量98%，pH值7.3。对于不同的絮凝剂，所用絮凝剂用量均为50mg/L，观察时间为20min。脱水率的实验数据列于表2。

以上实验结果显示，本项目所开发的样品在污泥脱水效率方面，远远优于国产同类产品，与进口样品的脱水效率相当。
图6所示为对工业污水(COD：1528mg/L，pH：7.3，悬浮物粒径：73μm)的絮凝处理。对于不同的絮凝剂，所用絮凝剂用量均为10mg/L，观察时间为10min。处理后悬浮颗粒的粒径实验数据列于表3。结果显示，本项目样品对悬浮物的絮凝能力明显优于国内外同类产品。

图7为对渤海某油田现场污水(含油量1526mg/L；pH：7.0；悬浮物大于300mg/L)的絮凝处理。所用絮凝剂用量均为10mg/L，观察时间为10min。选用不同的絮凝剂，在相同条件下进行絮凝处理，对处理后的污水进行含油量测定，结果列于表4。结果显示本项目样品对含油污水的处理效果远远优于国内外同类产品。

3.结论
(1)针对当前阳离子聚丙烯酰胺的缺陷，从聚合物分子结构设计出发，用丙烯腈和二异丁烯，通过里特反应，合成了具有较大空间体积，疏水性好的树枝状功能性单体。
(2)通过功能性单体、丙烯酰胺(AM)和阳离子单体DMC的共聚，合成出了高性能的阳离子型聚丙烯酰胺。絮凝实验结果表明该絮凝剂对废水的絮凝效果和国内外同类产品相比，具有用量少，絮凝速度快，污水处理效果高等特点，具有很高的市场推广前景。