紫外光引發(fā)模板聚合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺及其絮凝應(yīng)用.pdf

1、聚丙烯酰胺類絮凝劑是水處理和污泥脫水中最常用的藥劑，因大部分污水具有帶負(fù)電荷的膠體屬性，更適合用陽(yáng)離子型絮凝劑處理，使得陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）在實(shí)踐中應(yīng)用更為廣泛。隨著全球人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，逐年增加的給水和排水量處理對(duì)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的需求量也逐年增加，因此提高陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的絮凝性能對(duì)給排水行業(yè)發(fā)展具有重要的意義。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）制備方法有陽(yáng)離子改性法、單體共聚合法等多種方法，但這些方法均存一個(gè)共同缺點(diǎn)，即制得的

2、聚合物分子中陽(yáng)離子單元隨機(jī)分布，電荷過(guò)于分散，導(dǎo)致其在絮凝時(shí)不能為帶負(fù)電膠粒提供強(qiáng)有力的吸附點(diǎn)，不能充分發(fā)揮陽(yáng)離子單元的電中和作用優(yōu)勢(shì)。紫外光引發(fā)聚合法因具有引發(fā)劑用量少、毒性低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而被提倡推廣，但該法除了存在上述共性問(wèn)題外，其聚合機(jī)理還未被研究透徹。模板聚合法是一種可控制聚合反應(yīng)規(guī)律，改善聚合產(chǎn)物分子序列分布的方法法。鑒于現(xiàn)行陽(yáng)離子聚丙烯稀酰胺存在的問(wèn)題，以及模板聚合和紫外光引發(fā)聚合法具備的功能和優(yōu)勢(shì)，論文嘗試使用紫外光引發(fā)模

3、板聚合法制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，利用模板對(duì)陽(yáng)離子單體的“組裝”功能來(lái)控制聚合反應(yīng)規(guī)律，改善陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的分子序列分布以便于其分子內(nèi)陽(yáng)離子單元功能的發(fā)揮，最終達(dá)到提高陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝性能的目的。目前關(guān)于模板聚合和紫外光引發(fā)聚合制備聚合物的研究較多，但使用二者相結(jié)合的方法制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的研究還少見(jiàn)報(bào)道。
　　論文首先研究了影響陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝性能的主要因素及影響規(guī)律，然后以丙烯酰胺（AM）、二烯丙基三甲基氯化銨（DMD

4、）為聚合單體，以低分子量的聚丙烯酸鈉（PAAS）為模板，使用紫外光引發(fā)模板聚合法嘗試制備模板聚合物（TPDA）。通過(guò)單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)方法優(yōu)化了TPDA的聚合條件，利用Yezrielev-Brokhina-Roskin（Y-B-R）模型計(jì)算TPDA的單體競(jìng)聚率，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析了TPDA的微分組成方程、分子序列分布，通過(guò)紅外光譜、核磁共振氫譜、掃描電鏡（SEM）和差熱-熱重分析等表征手段研究了TPDA的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和表面形貌，最

5、后使用TPDA進(jìn)行絮凝處理煤礦廢水和污泥調(diào)理，以考察TPDA的絮凝性能。為了更清楚揭示添加模板對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)、理化屬性、絮凝性能等方面的影響，整個(gè)過(guò)程中以普通聚合物 CPDA(不添加模板情況下使用紫外光引發(fā)聚合制得的聚合物)的相應(yīng)試驗(yàn)和研究作為對(duì)照。論文研究最終可得出如下結(jié)論：
　?、訇?yáng)離子聚丙酰胺絮凝性能影響因素研究結(jié)果表明陽(yáng)離子聚丙酰胺的陽(yáng)離子度、特性粘度及用量，廢水pH值、絮凝攪拌時(shí)間以及絮體沉降時(shí)間等因素對(duì)陽(yáng)離子聚丙酰胺

6、的絮凝效率均存在影響，各因素只有處在適宜值才能取得最佳的絮凝效果。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的特性粘度和陽(yáng)離子度是影響其絮凝性能的重要因素，在試驗(yàn)范圍內(nèi)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的特性粘度和陽(yáng)離子度越高，其絮凝性能越好。
　?、诰酆衔锖铣傻膯我蛩丶绊憫?yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究結(jié)果表明當(dāng)聚合條件為聚合溶液中單體質(zhì)量濃度為27.2％，聚合單體摩爾配比（n（DMD）/ n（AM））為3：7，模板單元與陽(yáng)離子單體摩爾比（n（T）/n（DMD）為1.0，光引發(fā)劑(V-5

7、0)濃度為0.47‰，pH值為7.2，紫外光照射時(shí)間為80分鐘時(shí)，可獲得最大特性粘度為11.06 dL/g的模板聚合物（TPDA），其中對(duì)模板聚合物特性粘度存在顯著影響的因素有聚合溶液中的單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、光引發(fā)劑濃度，影響的大小順序?yàn)閱误w質(zhì)量濃度＞pH＞光引發(fā)劑濃度。
　　③聚合物分子序列分布研究結(jié)果表明添加模板提高了DMD反應(yīng)活性和單體競(jìng)聚率，增長(zhǎng)了聚合物分子中DMD鏈段平均長(zhǎng)度，同時(shí)削弱了AM的反應(yīng)活性和單體競(jìng)聚率，使T

8、PDA分子中形成陽(yáng)離子單體相對(duì)集中，電荷密度更高的嵌段結(jié)構(gòu)。當(dāng)n（T）/n（DMD）=1.0時(shí)模板的作用最明顯，此時(shí)得到的聚合物中DMD單體的競(jìng)聚率（r）及AM單體的競(jìng)聚率（r）分別為0.93和3.84，聚合產(chǎn)物的組成曲線最接近于理想共聚曲線，聚合物分子中 DMD鏈段和 AM鏈段的平均長(zhǎng)度分別為1.93和4.84。根據(jù)聚合物的單體競(jìng)聚率及微分組成方程研究結(jié)果推測(cè)，本試驗(yàn)中模板聚合反應(yīng)類型屬于Ⅰ型z ip反應(yīng)，模板對(duì)陽(yáng)離子單體的靜電“組裝

9、”作用是形成陽(yáng)離子嵌段結(jié)構(gòu)的重要原因。
　?、芫酆衔锏募t外光譜（FT-IR）、氫核磁共振（1H NMR）表征結(jié)果表明TPDA是確實(shí)由AM和DMD單體聚合而成，添加模板改變了聚合物的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)，使模板聚合物分子內(nèi)形成陽(yáng)離子單體連續(xù)分布的微嵌段結(jié)構(gòu)；掃描電鏡（SEM）及分形維數(shù)研究證明，TPDA比CPDA具有更大的比表面積和分形維數(shù)，因而具有更強(qiáng)的吸附能力；差熱-熱重(DTA-TGA)研究結(jié)果證明TPDA在受熱溫度200℃以上才會(huì)出

10、現(xiàn)明顯的熱分解，具有良好的熱穩(wěn)定性。
　　⑤ TPDA、CPDA及CCPAM（商業(yè)絮凝劑）的絮凝對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，TPDA分子內(nèi)的陽(yáng)離子嵌段結(jié)構(gòu)提高了 TPDA的絮凝性能，尤其是電中和作用能力。通過(guò)TPDA絮凝處理煤礦廢水的單因素及響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)得出TPDA的投加量、pH值和攪拌時(shí)間對(duì)廢水中懸浮物去除率存在顯著影響，影響的大小順序?yàn)?TPDA投加量>廢水 pH值>絮凝攪拌時(shí)間；根據(jù)響應(yīng)面建立的模型分析得出當(dāng)絮凝條件為T(mén)PDA的投加

11、量為6.1mg/L，廢水pH值為6.4，攪拌時(shí)間為6.40分鐘時(shí)，TPDA可使煤礦廢水中懸浮物SS濃度降至最低值16.3mg/L，TPDA絮凝時(shí)對(duì)廢水pH值要求較為寬松，且產(chǎn)生的絮體具有尺寸大，密實(shí)、沉降速率快等特點(diǎn)，這便于工程應(yīng)用。通過(guò)污泥調(diào)理的單因素試驗(yàn)得出當(dāng)TPDA投加量為45.0 mg·L1時(shí)，污泥pH為7.0時(shí)，TPDA可使污泥含水率降至最低值72.5%。
　?、尥ㄟ^(guò)效益對(duì)比分析得出自制的TPDA絮凝劑的絮凝性能和處理成