阳离子絮凝剂的制备及絮凝性能研究

阳离子絮凝剂的制备及絮凝性能研究

武世新1　李向伟2　杨红丽3

(1.延安职业技术学院,延安716000;2.中国石油集团钻井工程技术研究院机械研究所,荆州434000;

3.长江大学化学与环境工程学院,荆州434023)

摘　要　以二甲基二烯丙基氯化铵和丙烯酰胺为原料,通过水溶液聚合法合成了阳离子高分子絮凝剂PDA 。讨论了引发剂用量、单体加量、单体摩尔比、体系pH 值和反应温度等因素对聚合产物相对分子质量的影响,分析了聚合产物相对分子质量和投加量对絮凝效果的影响。并将产物与国内市售絮凝剂HPAM 和12358FS 的性能进行了对比。

关键词　阳离子絮凝剂　高分子聚合物　水处理　膨润土悬浊液　除浊率

收稿日期:2007211221。

作者简介:武世新,硕士,主要从事油田化学的教学与研究。

沉淀絮凝法仍然是目前处理各种废水的重要方法之一。聚二甲基二烯丙基氯化铵是一种阳离子型聚合电解质,作为絮凝剂用于水和废水处理时,既可发挥“电中和”作用,又可发挥“架桥”作

用,是一种理想的絮凝剂〔1～3〕。但二甲基二烯丙

基氯化铵的单体活性较低,在聚合反应中难以得到相对分子质量较高的聚合物,限制了其应用范

围。而丙烯酰胺(AM )单体具有较强的自聚和共聚能力,且单体成本较低,将二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC )与AM 共聚可以提高聚合物的相对分子质量,进而增强聚合物的吸附架桥功能,提高聚合物的性能。

本文报道了采用水溶液聚合法,对二甲基二烯丙基氯化铵和丙烯酰胺进行共聚反应的研究,讨论了影响反应的条件和因素,分析了聚合产物阳离子絮凝剂(PDA )的相对分子质量和投加量对絮凝效果的影响,并与其他市售高分子絮凝剂进行了对比,结果令人满意。1　实验部分1.1　试剂和仪器

丙烯酰胺(AM ),分析纯;二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC ),含量为65%;过硫酸铵、亚硫酸氢钠,均为分析纯;硫酸,氮气,一级钠膨润土。

数字控制恒温水浴箱,乌氏粘度计,6511型电动搅拌机,SRD 散射光浊度仪,MY 3000-6J 智能型混凝实验搅拌仪。

1.2　阳离子絮凝剂PDA 的合成方法

将带有搅拌器、温度计、加料漏斗、氮气进出口的250m L 四口烧瓶置于恒温水浴中,依次加入

一定量的DMDAAC 、AM 、去离子水及各种助剂,搅

拌,溶解,待混合均匀后用2m ol/L 的硫酸调节溶液pH ,通氮气驱氧30min ,然后加入引发剂,在一定温度下聚合反应6h 后即得粘稠的产物,将产物

提纯〔4〕

,置干燥器中待测。1.3　检测方法

(1)相对分子质量的测定。依G B 12005.1—89的方法,在(30±0.05)℃、浓度为1m ol/L 的NaCl 水溶液中用一点法测定聚合物的特性粘数,然后计算其相对分子质量。

(2)PDA 的絮凝性能评价。参照絮凝剂评价方法,进行烧杯试验评价。在100m L 烧杯中加入50m L 待处理水样(用一级钠膨润土配成浊度为100左右的污水),投加一定量(5mg/L )的絮凝剂,用搅拌器快速搅拌1～2min ,慢速搅拌2～5min ,然后倒入50m L 量筒中,静置沉淀一定时间后,取上清液用SRD 散射光浊度仪测定其浊度,并观察絮体大小及沉降快慢。用下式计算除浊率:

η=(1-处理后水样浊度待处理水样浊度)×100%

2　结果与讨论

2.1　反应条件对PDA 相对分子质量的影响

高分子絮凝剂的相对分子质量是影响其絮凝

效果的主要因素。本实验所用单体的聚合反应为自由基聚合反应,在进行高分子反应时,由于反应的复杂性及诱导期的影响,反应的工艺条件对聚

合物的相对分子质量有很大影响。以所得聚合物

的相对分子质量为考察指标进行单因素实验,研究反应条件对共聚产物PDA 相对分子质量的影响。2.1.1　引发剂用量的影响在多次实验的基础上,通过固定单体摩尔比和体系反应温度,改变引发剂用量(占单体总量的质量分数,下同)进行实验,考察引发剂用量对聚合物相对分子质量的影响,结果见图1

。

图1　引发剂用量对聚合物相对分子质量的影响由图1可以看出,随着引发剂用量的增加,聚

合物相对分子质量逐渐增大;当引发剂用量为11

7%时,聚合物相对分子质量达到最大;当引发剂用量超过117%时,聚合物相对分子质量呈减小趋势。这是由于当引发剂用量较低时,随着引发剂用量增加,反应活性中心增加,聚合反应完全,相对分子质量增大;但当引发剂用量超过117%时,反应速率增加过快,导致升温速率过大,反应热不易散开,致使分子链断裂,因而聚合物相对分子质量减小。2.1.2　单体加量的影响

固定其他条件不变,改变单体加量进行实验,考察单体加量对聚合物相对分子质量的影响,结果见图2。

图2　单体加量对聚合物相对分子质量的影响

由图2可知,在单体加量较低的时候,聚合物相对分子质量随着单体加量的增加而增大;但当单体加量大于15%时,聚合物相对分子质量随着单体加量的增加而减小。这是由于在单体浓度较大时,随着反应的进行,体系的粘度增加很快,产生的反应热多且不易迅速散发,从而使体系温度升高,出现自动加速效应,甚至发生暴聚,形成水溶性差的交联产物,

在聚合物相对分子质量较低时就停止反应,导致聚合物相对分子质量下降。2.1.3　单体摩尔比的影响固定其他条件不变,改变单体摩尔比进行实验,考察单体摩尔比对聚合物相对分子质量的影响,结果见图3。由图3可知,随着单体中DMDAAC (二甲基二烯丙基氯化铵)比例的增大,聚合物相对分子质量逐渐减小。这是由于在水溶液聚合中,AM 和DMDAAC 的竞聚率分别为r AM =

4.6,r DM =0.38〔5〕

,DMDAAC 聚合反应活性远远低

于AM 的反应活性;而且随着DMDAAC 单体比例的增大,其静电斥力和空间位阻效应增加,因而导致了聚合物相对分子质量降低。

图3　单体摩尔比对聚合物相对分子质量的影响2.1.4　反应温度的影响

升高温度可提高反应单体的活性,加快反应速度。但由反应动力学可知,反应温度升高,共聚产物的相对分子质量会降低。固定其他条件不变,改变反应温度进行实验,考察其对聚合物相对分子质量的影响,结果见图4。由图4可看出,反应温度相对较低和较高时,聚合物相对分子质量都较小。理论上,降低反应温度可提高聚合物相对分子质量,但由于诱导期延长,引发剂分解速率降低,聚合速率减慢,聚合周期延长,不利于生产控制,还有可能使反应不完全;而反应温度升高会

加速引发剂的分解,加快聚合反应速率,同时也促

进副反应的发生,降低了聚合物的相对分子质量。