聚丙烯酰胺(PAM)分子量高(l03—103),水溶性好,可調節分子量并可以引進各種離子基團以得到特定的性能.低分子量時是分散材料的有效增稠劑或穩定劑,高分子量時則是重要的絮凝劑.它可以制作出親水而水不溶性的凝膠.它對許多固體表面和溶解物質有良好的粘附力.由于這些性能,PAM因而能廣泛應用于絮凝,增稠,減阻,凝膠,粘結,阻垢等領域.自從60年代起,非離子,陰離于,陽離子和兩性丙烯酰胺聚合物的工業應用一直穩定增長,這是因為它們具有獨特的化學和物理性質.現已廣泛用于污水及飲用水處理,造紙,石油開采,礦冶,建材,紡織等行業,以及用于提高石油采收率和用作吸水性樹脂

1.水處理

    我國是一個水資源相當貧乏的地區,平均年水資源總量2.8萬億m3,居**第六位,但人均占有量只為2710m3,相當于**人均占有量的1/4,居**第88位.1992年6月,聯合國環境與發展大會通過的"21世紀議程",提出了可持續發展這一人類共同的發展戰略.在這一戰略中,環境保護是保證可持續發展的物質基礎,而保護水源,控制和治理水污染則是環境保護的重要環節.因而 PAM在水處理方面的應用具有特別重要的意義.

    聚丙烯酰胺(PAM)的酰胺基(—CONH2)可與許多物質親和,吸附形成氫鍵.高分子量PAM在被吸附的粒子間形成"橋聯",使數個甚至數十個粒子連接在一起,生成絮團,加速粒子下沉.這使它成為*理想的絮凝劑.PAM絮凝劑主要用來處理上水和各種廢水.與傳統無機絮凝劑相比較的優點在于:品種多,能適應多種條件,劑量小,效率高,生成的泥渣少,后處理容易.

聚丙烯酰胺是目前**上應用*廣,效能*高的高分子有機合成絮凝劑,也是我國目前使用*多的絮凝劑.聚丙烯酰胺主要以兩種形式的商品出售,一種是粉狀的,一種是膠體.膠體不易運輸,使用也不方便,常用的是粉狀產品.聚丙烯酰胺又有陽離子,陰離子及非離子幾種類型,適用于不同的用途及不同的絮凝對象.

在應用聚丙烯酰胺之前,都是先將它配成水溶液.一般是將粉狀聚丙烯酰胺緩慢地,小批量地倒進攪拌著的冷水中,攪拌的速度不宜太快,以免過度的剪切引起聚合物分子斷裂.攪拌只是為了保證聚丙烯酰胺固體立即分散不致粘結成團.聚合物加入的速度也應隨著溶液粘度的增大而降低.稍稍提高溫度可以稍微增加溶解速度,但溫度不宜超過60℃.高分子量的聚丙烯酰胺的溶液*高濃度為0.5%,而較低分子量的聚丙烯酰胺,其溶液濃度則可配制為1%或稍高一點.在絮凝處理中,溶液還要再稀釋到0.02%以下.配制成聚丙烯酰胺溶液后不宜過長時間地存放,以免變質.

    處理飲用水的 PAM有嚴格的質量標準,殘余單體含量在0.05%以下,用量在2×10-6以下;用以處理食品工業用水如洗菜洗水果的水,或用于食品用包裝紙等方面時,也必須有嚴格的質量標準,經專門機關批準和保證.

    非離于性PAM類絮凝劑由于不帶離子型官能團,因此,與陰離子型PAM類絮凝劑相比具有以下特點:絮凝性能受廢水pH值和鹽類波動的影響小;在中性或堿性條件下,其絮凝效果(沉降速度)不如陰離子型,但在酸性的條件下卻優于陰離子型;絮體強度比陰離子型高分子絮凝劑的強.

    陽離子型 PAM的分子量通常比陰離子型或非離子型的聚合物低,其澄清性能主要是通過電荷中和作用而獲得.這類絮凝劑的功能主要是絮凝帶負電荷的膠體,具有除濁,脫色等功能,適用于有機膠體含量高的廢水,例如染色,造紙,紙漿,食品,水產品加工與發酵等工業廢水,以及城市下水處理工藝中的污泥脫水等.城市與工業污水常用活性污泥法處理,生化污泥常常是親水性很強的膠體,所含水極難脫去,若采用陽離于型PAM類絮凝劑,能收到良好的脫水效果.

    陰離子型 PAM絮凝劑適用于粒子表面帶正電荷的漿體,和陽離子型PAM類絮凝劑相比;陰離子型PAM類絮凝劑分子量較高,而且,由于同一個分子內離子型基團間相互排斥,在水中的分子伸展度比較大,因而具有良好的粒子絮體化性能.它們可有效地用于礦物懸浮液的沉降分離.當所處理的水是pH為中性到堿性的含無機質多的懸浮液時是適用的.例如,在氧化鎂熔煉,鋅的冶煉,磷酸等生產工藝中,可作為沉降促進劑.在水處理中,除可用于煉鐵高爐,鋁加工,造紙,河砂礫洗滌等的廢水處理外,還應用在城市下水的一級處理中.

    聚丙烯酸鈉對帶負電荷的懸浮粒于是不適用的,而對金屬氫氧化物之類帶正電荷的懸浮粒子卻表現良好的絮凝性能.如氧化鋁生產中紅泥分離,液體燒堿生產等方面都得到應用.另一方面,聚丙烯酸鈉還作為食品添加劑而得到重視.還可用于食品,水產品加工等含有蛋白質,酪蛋白的廢水處理.

    PAM類絮凝劑能適應多種絮凝對象,對某些情況有特殊的價值,應用中使用效果與選型,劑量和絮凝工藝有關.例如某鋼廠收塵污水的絮凝澄清,原先使用陰離子度20%—30%的 PAM,單耗高達2.58/m3污水,而溢流濁度在300× l0-6以上.改用我廠生產的陰離子度高的PAM,單耗僅 0.28/m3,而溢流濁度50×10-6以下.一般PAM分子量越高,單耗越低.如某酸浸鈾礦漿,用分子量 1100萬的 PAM,單耗30g/t礦,沉降速度為1.5mm/s,若用分子量300萬同類型 PAM,要達到同樣的沉降速度,單耗達80g/t礦.

    聚丙烯酰胺可用于處理電廠用水.在電廠用水處理中,首先要對原水(如河水)進行澄清處理.常用的化學方法就是將聚丙烯酰胺和無機凝聚劑(如石灰,硫酸鋁,聚合鋁)配合使用.因為,如果單用無機凝聚劑,需要高濃度才有效,合用聚丙烯酰胺后,無機凝聚劑用量可大大下降.這就可以避免無機凝聚劑由于用量大而容易在冷卻塔等的換熱表面上沉積出來,加速設備的腐蝕和結垢.例如,把石灰,三氯化鐵和聚丙烯酰胺一起使用時,水澄清能力會大大提高.

    在工業用水處理中,低分子量的聚丙烯酰胺還可用作冷卻水的阻垢劑.低分子量(104)陰離子型PAM能阻止鹽類晶體析出和成長,使固體顆粒懸浮而不致沉積,對鍋爐,冷卻塔及熱交換器能起到阻垢作用.例如37.5份分子量在 100萬以下的聚丙烯酰胺和50份三聚磷酸鈉組成的阻垢劑配方,可使嚴重結垢的換熱器表面變為基本上不結垢.

工業用水除需絮凝懸濁物外常有更多的要求,因此,應把PAM類高分子絮凝劑與無機類絮凝劑和一些其他添加劑,如阻垢劑,殺菌滅藻劑等配合使用.

隨著環保事業的發展,對水處理過程產生的污水和污泥的處置,越來越引起人們的重視.

    由于我國水污染嚴重,全國七大水系中近一半河段受不同程度污染.湖泊,水庫富營養化嚴重,且以太湖,巢湖,滇池*為嚴重.流經城市的河段超過三類標準而不適用于生活用水的達78%,50%以上的城市地下水也受到不同程度的污染.《中國跨世紀綠色工程規劃》**期完成后,七大流域新增城市集中式污水處理能力1799萬 t/d,每年削減化學需氧量(COD)337萬t,三大湖泊新增城市集中式污水處理能力104萬t/d,每年削減COD29萬t;總氮2.93萬t,總磷3200t,重點沿海城市新增集中式污水處理能力104萬 t/d,每年削減COD30萬 t左右. 在污水處理方面,90年代初,我國制定了到2000年使城市污水處理率達20%—30%,工業廢水處理率達84%,城市排污設施普及率達70%的水污染控制總體規劃目標.據1996年統計,全國現有主要污水處理廠149座,其中一級污水處理廠約占30%,二級污水處理廠約占70%,預計到2000年我國城市污水年排放量將達383億 m3以上.我國將努力增加排水網普及率和污水的凈化處理能力.

    市政污水處理廠和工業廢水處理廠的污水都需用 PAM等絮凝劑進行絮凝澄清凈化處理.一般一座二級污水處理廠,產生的污泥量約占處理污水量的0.5%—1.0%(體積).所產生的污泥需要脫水,以產生清凈的濾水和高固含量的濾餅,并減少廢物污泥的重量和體積,來提高焚化和制作肥料的效力.許多污水處理廠用壓濾機以提高脫水率.這些污泥親水性很強,帶負電荷,很難脫水.在機械脫水前必須用丙烯酰胺聚合物進行有效的預處理,以改善污泥性能;提高機械設備的生產能力.污泥脫水所用 PAM越來越傾向于使用陽離子產品,特別是丙烯酰胺與丙烯羥基乙烷三甲胺氯化物的共聚物.陰離子聚丙烯酰胺也廣泛使用,單獨用或與陽離子聚合物聯合使用.

2,造紙

    PAM在造紙工業中主要應用在兩方面,一是提高填料,顏料等的存留率以降低原材料的流失和對環境的污染;二是提高紙張的強度(包括干強度和濕強度).另外,使用 PAM還可以提高紙的抗撕性和多孔性,以改進視覺和印刷性能.我國隨著造紙工業的發展,PAM用量也將增加.

    在紙料中加入 PAM,能提高細小纖維和填料粒子在網上留著率,加速紙料的脫水.PAM的作用機理是漿料中的顆粒靠電中和或架橋而絮凝,得以在濾布上保留下來.絮塊的形成也能使漿料中的水更易濾出,減少了纖維在白水中流失量,減少環境污染,又有利于提高過濾和沉淀等設備的效率.一般用作助留,助濾作用的 PAM多為陽離子型,如丙烯酰胺與二烷氨基烷基酯生成的共聚物,其他陽離子單體有丙烯酸二甲胺基乙酯氯化氨(DMCL)等.近來認為非離子和兩性離子PAM也很有用.

    使用 PAM還可以促進上膠,提高紙的表面性質(如孔隙,光學性,印刷性等).PAM用作長纖維紙的懸浮分散劑,可促進長纖維在抄紙時的分散,增加紙漿液的穩定性及填料和顏料的粘結性.在紙漿和造紙工業,用 AM共聚物可改進紙的印刷性能.這是由于會在紙漿中保留較多的填充劑,主要是高嶺土,從而改進紙張表面結構.在pH=6—9時,使用 HPAM會使高嶺土的滯留量增加30%—35%.除了 HPAM,還有 AM—乙烯和 AM—氯乙烯共聚物以及 AM—吡咯烷酮共聚物也可用來改善紙張表層的性質.

    PAM加入紙漿內可提高紙的濕強度和干強度(拉伸強度,耐破度,耐折性等),AM—乙烯胺共聚物不僅可以改善紙張表層的性質,而且可以增強紙張的拉伸性能.提高強度是靠 AM共聚物中胺基的作用,對于潮濕狀態的紙張尤其是這樣(提高1000%和更高).用 AM共聚物增強紙張強度是由于添加的高分子同紙漿中含有的 Cr3+,Cu2+離子之間形成絡合物.

    在造紙工業中,PAM有多種用途,平均分子量為1000—l0000的作為分散劑,可改善紙頁的均勻度.

3采油

    高分子PAM不僅是一種高效絮凝劑,又因為水溶液的粘度很高,也是一種極其優良的增稠劑.PAM因有增稠,絮凝和對流變性的調節等作用,在油田石油開采中可作多種用途的添加劑,如用作鉆井液,壓裂液,及聚合物驅油以提高石油采收率(EOR).在石油開采中,應用關鍵在于結合使用的條件和要求,合理設計并選用其組成結構,如分子形態,分子量,離子度等,以及正確的施工工藝.

3.1 PAM用作鉆井液添加劑

    鉆井液在石油開采中用作鉆井泥漿性能調整劑.PAM的作用是調節鉆井液的流變性,攜帶巖屑,潤滑鉆頭,有利鉆進.此外,還可大大減少卡鉆事故,減輕設備磨損,并能防止發生井漏和坍塌,使井徑規則.在這方面經常使用的是部分水解聚丙烯酰胺,它由 PAM或聚丙烯腈水解而得.

3.2 PAM用作聚合物驅油

    在提高石油采收率的諸方法中,聚合物驅油技術占有重要地位.聚合物的作用是調節注入水的流變性,增加驅動液的粘度,改善水驅波及效率,降低地層中水相滲透率,使水與油能勻速地向前流動.

    聚合物驅油是通過在注入水中加入一定量的高分子聚丙烯酰胺,來增加注入水的粘度,改善油水流度比.由于油層對聚丙烯酰胺分子的吸附,捕集作用,而降低了高,中滲透層或高,中水淹層的滲透性,增加了注入水的滲流阻力,使低滲透層或低而未水淹層的吸水量增加,擴大了注入水在油層平面上的波及范圍和油層縱向上的水淹厚度,從而擴大水淹體積,將水驅時未動用的原油驅替出來,達到提高原油采收率的目的.

    聚合物驅油提高石油采收率的概念和技術方法從提出到初步形成經歷了約15年時間(1949一1964).1964年美國開始了聚合物驅油的現場試驗和工業規模的使用試驗.美國國家石油與能源研究中心(NIPER)認為:*終采收率ET決定于驅油效率Ed,波及效率Es和經濟因素Ee,ET=Ed×Es×Ee.聚合物的主要貢獻是提高驅替工作液的粘度,降低油水流度比及調整滲透率剖面,通過提高波及效率而提高*終采收率.Phillips石油公司對聚合物的作用作了進一步說明:①高分子使水相粘度增高,有些聚合物流經孔隙介質后尚可降低水相的相對滲透率;②降低水油流度比,水油流度比的降低可減少指進現象;③水相粘度增高和水相的相對滲透率下降使以后注人的流體可轉入未波及的條帶,從而提高波及系數.

    我國"七五"期間大慶和大港油田的兩個現場試驗均取得了令人振奮的良好結果.大慶油田開發試驗表明:該工藝可大幅度提高采收率,增加原油產量.平均每注人 lt聚合物,可增產原油150t以上,提高采收率 10%.研究工作表明該項技術在我國有良好的應用前景.預計在今后高分子驅及利用高分子等化學劑的復合驅在我國將有更大的發展.

3.3 PAM用作堵水劑

    在油田生產過程中,由于地層的非均質性,常產生水浸問題,需要進行堵水.其實質是改變水在地層中的滲透狀態,以達到減少油田產水,保持地層能量,提高*終采收率的目的.PAM類化學堵水劑對油和水的滲透能力的作用具有選擇性,對油的滲透性降低少,對水的滲透性降低多.使用時可不交聯使用,也可與鋁鹽,鉻鹽,鋯鹽等交聯生成凝膠使用,還可增加某些樹脂以形成互穿聚合物網絡(IPN)使之具有更高耐溫性.如采用 W/O型PAM膠乳和改性氨基樹脂經過化學交聯可以形成互穿聚合物網絡堵水劑,已在油田堵水中應用,并取得了明顯的效果.采用 PAM還可調整地層內吸水剖面及封堵大孔道,實踐中已見到良好效果.

3.4 PAM用作壓裂液添加劑

    壓裂工藝是油田開發致密層的重要增產措施,其作用是開通巖石的通道,讓油流過.亞甲基聚丙烯酰胺交聯而成的壓裂液,由于具有高粘度,低摩阻,良好的懸砂能力以及配制方便和成本低等優點而被廣泛應用.

4,礦冶

采礦過程中通常使用大量的水,*后常須從水或水溶液中分離有用固體礦物,并將廢水凈化回收使用.應用 PAM絮凝劑,可促使有用的固體物質很快的下沉,促進液體的澄清和泥餅的脫水,從而可提高生產效率,減少尾礦流失和水消耗,降低設備投資和加工成本,并減少環境污染.

    鈾礦提取是 PAM*早的重要應用領域之一.鈾礦是通過用酸或磺酸鹽溶液浸濾其礦石來提取的.在酸浸液過濾時,用 PAM處理可提高增稠和過濾速率.在提取鈾的濃縮和過濾過程中,添加 PAM進行處理非常有效.PAM還可有效地應用于處理鉀堿礦的礦泥,使之分出澄清的鹽水.在拜爾(Bayer)法提煉鋁礦石中,可用 PAM由熱苛性鈉水溶液中分離不溶性氧化鐵(紅泥).

    PAM可用于煤炭工業的洗煤過程.用于處理煤泥水,既能回收大量煤泥,又能防止黑水污染,并可使煤礦實現用水循環,節約用水.浮選精煤時在過濾前加 PAM,可以增加過濾速度和濾餅重量,從而提高生產能力.

    在冶金行業中,PAM可用于如轉爐除塵污水處理,軋鋼污水處理,高爐煤氣洗滌水處理,礦山粘土采石廢水處理,鋁加工廢水處理等.PAM在改進水質和水的重復應用中發揮獨特的作用.

5,凝膠

    在*近15—20年內,AM共聚物已廣泛用作凝膠滲透色譜儀中的高效吸附劑.交聯的 AM共聚物凝膠已證明優于*流行的葡聚糖凝膠.它生物穩定性高,不易長細菌,不會在離子力作用下嚴重收縮.美國 Biorad實驗室已商業化生產了各種孔隙度的 PAM凝膠.

    PAM水凝膠的特點之一是,它在水中的溶脹性在某一臨界溫度隨溫度的微小變化發生激劇的突變,體積變化可達幾十至幾百倍.這一性質可應用于某些水溶液的提濃,而免除使用高溫.這對于一些有機物質或生物物質的提取很有價值.除可用來分離保持生物活性的物質外,PAM水凝膠還可用于藥物的控制釋放和酶的包埋,蛋白質電泳,人工器官材料,接觸眼鏡片,凝膠炸藥,電池的凝膠電解液,火箭燃料中使用的凝膠聯氨,色譜柱填料等.

6,其他應用

    (l)食品加工PAM可用作制糖工業用化學助劑.此外可用于各種肉類,水果和蔬菜清洗水的凈化以及果酒和啤酒的澄清.

    制糖工業中,糖漿澄清處理必須使用性能良好的絮凝劑,絮凝劑的種類和配制使用方法都很重要.高分子聚丙烯酰胺(水解度為25%—30%)的產品更適合糖廠應用.采用先進的蔗汁澄清工藝,高效的聚丙烯酰胺絮凝劑,以便盡可能多的除去非糖分,從而提高清汁質量.此外,還可用來減少煉糖設備中積垢的生成.

    (2)建材工業在建材工業中,可用來提高濕法水泥制造過程中沉降槽的生產能力和水泥的可濾性,改善窯料的均一性.可以改進無機材料和木質纖維為基礎的絕熱板中纖維和添加劑的留著率.可以加入清水墻帶子粘結水泥的復合配方中,以提高施工質量.

    (3)建筑工業在建筑業中用作墻板(紙),石棉制品等的膠粘劑. PAM凝膠可用于建筑物的填縫,修復及堵漏.加有PAM的填縫水泥,在很寬的溫度和相對濕度范圍內呈現出極好的結合和粘著性.

    (4)土壤改良用于礦井,水池,水壩和地基的灌漿(通常是在應用現場用 AM和一種交聯共聚單體共聚),可以固結土壤以提高其承重性能,向耕地土壤里加進少量(表層土壤重量的10-3%—10-1%)的丙烯酰胺聚合物,可以大大提高土壤抗風蝕和水浸性能,改善其分散性及透氣透水性,以提高農作物產量.

    (5)電鍍工業在電鍍液中,添加PAM能使金屬沉淀勻化,使鍍層更加光亮.PAM可用作保護膠體,提高乳液穩定性.

    (6)紡織,印染工業在紡織,印染工業中,PAM用作上漿劑,織物整理劑,還可在織物表面形成抗霉菌的保護層.可作聚酯,棉織品和其他纖維的經紗上漿劑及棉織品的抗皺劑.配制漿料,以代替糧食制造的上漿料,可以節省大量糧食.利用其吸濕性強的特點,能減少紡細紗時的斷線率,提高合成纖維的親水性.用作涂料印花助劑時,牢度大,鮮艷度高,還可用作勻染劑等.

    (7)流體輸送丙烯酰胺聚合物*有前途的應用之一是用來減少湍流的水力學阻力.這種作用有廣泛的應用,如用于增大消防水槍噴水的覆蓋范圍;用于流體輸送中降低管路阻力;用來涂于船舶或潛水艇表面,可降低航行阻力,提高航運速度;在煤的液體輸送中可改進煤漿輸送條件,也可以用于懸濁水和乳濁液的高速抽吸.

    (8)用作吸水性樹脂高吸水性高分子是70年代中期發展起來的一種新型功能高分子材料,已廣泛應用于工業和日常生活.這類聚合物中大部分是丙烯酸金屬鹽和丙烯酰胺或其他單體如2-丙烯酰胺2-甲基丙烷磺酸的交聯丙烯酸共聚物.這些凝膠有較高的強度,吸水量可達2000倍以上.用輕油為連續相,SPAN—60為懸浮穩定劑,雙丙烯酰胺為交聯劑,過硫酸鹽為主引發劑,用反相懸浮聚合法合成了丙烯酸鹽—丙烯酰胺共聚交聯型高吸水性高分子.產物呈微球狀,平均粒徑小于40um.產物的平均粒徑,吸水率受攪拌速度,懸浮穩定劑用量,交聯劑用量等因素的影響.產物的吸水率約300倍.

    此外,PAM尚可用作金屬鑄造中的砂粘結劑,陶瓷工業中的暫粘劑,金屬的防銹保護膜,化肥結團劑以及油墨,涂料,藥物,乳膠漆中的穩定劑等.PAM可以用作無機顆粒肥料的保護層,讓殺菌劑和除莠劑附著在顆粒表面.還可以用作緩釋藥物的微膠囊包裝材料.

聚丙烯酰胺在 污水處理中的應用工藝和流程

    曾幾何時,廉價而又豐富的水資源,現在則因有限而作為貴重資源加以重新評價.更為迫切的是,日益短缺的水資源正面臨著空前嚴重的水污染,已成為影響人類生存環境和未來發展的主要課題.開展廢水的重復利用(密閉系統),以及推進開發從廢水中回收有用物質的技術等,正在成為節省資源,節省能量的水處理和水利用的時代強烈要求.

    廢水中的雜質可以分為溶解性物質和分散懸浮的不溶解性物質.溶解和不溶解的定義是難以劃分的,但是,在供排水處理方面,一般把過濾后濾液中的物質稱為溶解性物質,把殘留在濾料上的物質稱為懸浮物質,而加以區別.此外,把分散懸浮的物質,也按其大小或比重的不同分為膠體,懸浮物質(通常寫作SS)和粗大懸浮物等.

    廢水處理,就是把廢水系統中的有害雜質和混濁性物質分離出去,并作進一步的處理.其中有物理處理方法,化學處理方法和生物處理方法.

    物理處理方法是不使用藥劑,而只利用機械力和物理能的處理方法,可分為篩分,沉淀,浮選和過濾等工序.化學處理方法是在只用物理方法處理困難時,或者欲使沉淀,浮選,過濾等的單元操作進一步提高效率時,利用藥劑的作用加速處理物質的分離或分解的方法.化學處理方法大致有以下分類:PH值調整,中和處理;凝聚處理;氧化還原處理;吸附處理;離子交換處理等.生物處理方法主要是為去除水中的有機物而使用的方法,是利用微生物的機能,分解BOD或COD成分而凈化的方法,主要用于排水處理和污泥處理上,大致可分為好氣性處理和厭氣性處理.在實際工作中,上述三種方法往往綜合應用,有物化法(物理,化學法結合),生化法(生物,化學法結合)及三中方法的組合應用.下圖表示有關污染物質的種類及處理方法,及適宜的藥劑的一般組合.