聚丙烯酰胺类混凝剂的制备及应用

Posted 2023-01-12 产物

篇首语：人生难得几回搏，此时不搏待何时。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聚丙烯酰胺类混凝剂的制备及应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

利用聚丙烯腈在碱性条件下水解为含有酰胺基团和羧酸基团的聚电解质的反应，通过控制腈纶丝水解时间和条件，使水解度处于最佳范围内，所得到的水解产物对废水有最佳的处理效果，成为价格低廉，性能优越的混凝剂。
腈纶(PAN)是合成纤维的主要品种之一，产量约占纤维总产量的1/4。近年来，随着合成纤维工业的迅猛发展，产生了大量的聚丙烯腈废料(废丝、废块、废浆)。据统计，我国腈纶废料约占聚丙烯腈生产总量的1%～2%。腈纶废料不能解聚，不能热压成型，也不能作为燃料使用，因此自聚丙烯腈纤维生产以来，有关腈纶废料综合利用的研究已广泛开展。如欧美、日本等发达国家主要利用腈纶废料做纺织工业用织物上浆剂、水质处理剂等，近年来利用腈纶废料制备高分子水处理剂的研究已引起了人们的关注。
废腈纶的酸性水解的反应机理是一CN在硫酸的作用下，首先水解为酰胺基，然后进一步水解为羧基。随着酰胺基水解的加深，由于邻基一COOH参与亲核进攻形成酸酐结构，出现了自催化作用，使反应速度逐渐加快。酸法水解所生成的聚丙烯酰胺同过量的酸往往生成盐。在分离时需要大量的氨水来中和，所以分离过程非常复杂且废水量大，不适于推广。而单纯的加压法水解，所得到的水解产物固含量高，但此法对反应温度、压力、设备要求高，不利于推广。而废腈纶的碱性水解是废腈纶在氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、水玻璃、磷酸三钠、磷酸三钾、硫化钠、氨水等强碱介质的作用下发生的，其中使用氢氧化钠最多。碱性水解的机理与酸性水解相似，一CN先水解为一CONH，再进一步水解为一COONa基团，并伴随NH3气体放出。由于高分子链上邻基的静电排斥效应，碱性水解中羧基的产率总小于100%。而反应条件的不同，则水解产品中聚丙烯酰胺和聚丙烯酸根的含量也不同。碱法水解反应条件温和，对设备无特殊要求，安全可靠，是目前水解PAN的最常用方法。
作为混凝剂。聚丙烯酰胺的作用机理是架桥和吸附作用。因此使分子的链条延伸为最大长度并使可离解的基团达到最大电离度。有利于吸附和架桥。
由于电荷斥力使分子延伸为长链条状的聚丙烯酰胺可以通过碱化后水解使部分酰胺基转化为羧基，羧基离解成一COO一，碱化后的聚丙烯酰胺的混凝效果比未碱化的提高几倍。但据有关研究表明：过多的酰胺基转化为羧基会带来不利因素。因羧基与胶粒的亲合力比酰胺基小并且羧基增多不利于与带负电的胶粒结合，因此在实际应用中要选取适当的碱比(NaOH与聚丙烯酰胺的质量比称为碱比)。通过控制腈纶丝水解时间和条件，使水解度处于最佳范围内，使得产物对废水有最佳的处理效果是我们在本文所要探讨的主要内容。
1实验材料与方法
1.1实验试剂和药品
聚丙烯腈，工业品，上海金山石化公司；NaOH，化学纯。上海凌峰化学试剂有限公司；乙醇，化学纯，安徽特酒总厂；聚合氯化铝，工业品，南京市城北自来水厂；聚丙烯酰胺，分析纯，上海化学试剂厂。
1.2实验仪器和设备
500mL三口烧瓶，回流冷凝器，JJ一1精密增力电搅拌器，调温电热炉，SZG一441C手持数字转速表，ZR4—6混凝试验搅拌器，GDS一3B数字式混浊度仪；XJ—I型COD消解装置。聚丙烯腈碱性水解流程见图1。

2实验方法
2.1聚丙烯腈碱性水解
在10%30%的NaOH水溶液中聚丙烯腈可在70-100℃下常压水解。反应温度、反应时间、NaOH用量是影响水解反应的主要因素，并对水解产物的性能产生影响。温度低、时间短时，水解产物中丙烯酰胺单元占的比例大，呈棕红色；反之，呈淡黄色，丙烯酸单元占的比例大。我们设计了正交实验方案，以考查各因素对水解反应以及所得产物性能的影响。
2.2混凝实验
将得到的水解产物中和，用乙醇沉降，烘干，配成50%的溶液。按聚合氯化铝与水解产物的质量比为5：3处理废水。在混凝装置中，先投加聚铝，快速搅拌(120r/min)2min，再加入水解产物，缓慢搅拌(40r/min)2min。记录沉降时间、最后的上清液浊度和COD值。
2.3浊度和COD的测定方法
浊度用GDS一3B数字式混浊度仪测定；COD用国标消解装置测定。
2.4废水的来源
取自启东久新印染厂的印染废水。其水质：pH7，颜色为乳红色，浊度127.1mg/L，COD3591mg/L，色度为200度。
取自金陵啤酒厂的啤酒废水。其水质：pH6.5，颜色为土灰色，浊度144.0mg/LCOD为1122.8mg/L。
3实验结果与讨论
3.1水解温度对水解产物性能的影响
在腈纶水解反应中。温度是影响水解反应的主要因素之一。反应温度较低时，腈纶丝水解不好，羧基产率低；反应温度过高，又会导致大分子链的降解，使水解产物的粘度降低。水解温度对水解产物性能的影响见表1，其他条件：m(丝)：m(NaOH)：m(H2O)=1：1.6：0.4，反应时间为60min。

3.4聚丙烯腈碱性水解制备混凝剂最佳反应条件
根据前面单因素的分析，确定了影响反应产物的几个主要因素和每个因素的水平，通过处理启东久新印染厂废水的正交实验得到最佳产物的反应条件。正交实验结果见表4。

由表4可以看出，聚丙烯腈碱性水解制备混凝剂的最佳反应条件为反应温度80～90℃、m(丝)：m(NaOH)：m(H2O)=1：2.4：0.4、反应时间30min。
3.5水解产物与聚铝和商品聚丙烯酰胺处理啤酒废水对比试验
对比实验结果见表5。

从表5可以看出，因为水解产物中含有酰胺单元，这样就对带负电荷的悬浮粒子显示很好的絮凝效果，而同时它又带有羧酸单元，这对于水中的带正电的悬浮粒子也有很好的絮凝效果，所以它可以较完全的吸附水中的带电粒子，而同时借助于它的大分子结构，可以加强聚铝形成的絮花的大小而加快沉淀，所以表现出比商品化聚丙烯酰胺更好的性能。商品聚丙烯酰胺价格较高，而且由于制备方法的局限，存在单体毒性的问题，更限制了它的使用。考虑到水解产物的成本低，能够很好地去除浊度和加快沉降速度，另外对COD去除有一定的效果，所以决定了水解产物在废水处理中有着广阔的应用前景。
4结论
(1)用碱性水解聚丙烯腈的方法制备聚丙烯酰胺类水解产物的最佳反应条件：反应温度为80～90℃，丝、NaC1、水的质量比为l：2.4：0.4，反应时间为30min。
(2)通过对比混凝试验可以看出，制备的水解产物对废水中的带电粒子吸附力强，而且可加强聚铝形成絮花的密集度，使得沉降速度明显提高，有效地降低了废水的浊度，并对降低COD有一定的贡献，性能优于商品化聚丙烯酰胺，证明其是一种成本低廉、处理效果显著的混凝剂。
(3)聚丙烯酰胺类水解产物是具有酰胺基，羧基等多种结构单元的聚电解质。