聚丙烯酸钠絮凝剂文献综述

文献综述

前言

絮凝沉淀法是国内外普遍用来提高水质和处理污水的一种既经济又简便的方法之一。高分子絮凝剂以其良好的絮凝效果、脱色能力和操作简捷等优点在水处理过程中起着不可替代的作用。聚丙烯酸钠即为该法中使用较多的絮凝剂。

聚丙烯酸钠为丙烯酸的一种主要下游产品，近年来在国内外的研究受到重视，生产也不断增加。聚丙烯酸钠产品包括水溶性产品和水不溶性产品。水溶性聚丙烯酸钠产品广泛应用于食品、纺织造纸、化工等领域。水不溶性聚丙烯酸钠产品具高吸水性，主要用于农林园艺、生理卫生等领域。聚丙烯酸钠的分子量从几百至几千万以上，不同分子量的聚丙烯酸钠各有各的用途。超低分子量的用途还未完全开发;低分子量主要起分散作用;中等分子量显示有增稠性;高分子量的则主要做增稠剂和絮凝剂;超高分子量的在水中溶胀，生成水凝胶，主要用作吸水剂。

本文根据目前国内外学者对聚丙烯酸钠合成工段工艺设计的研究成果，借鉴他们的成功经验，在此基础上，查阅了大量资料，并吸取其它聚丙烯酸钠生产厂家的经验，力求使各工艺条件达到理想操作状态，使整个生产过程达到最优化，为聚丙烯酸钠装置的工艺设计提供参考。

一、简介

1、絮凝剂

絮凝剂主要是带有正电性或负电性的基团中和水中带有负电性或正电性难于分离的粒子或者颗粒，使其电势降低，并促使其处于稳定状态，利用聚合性质使得这些颗粒变得相对集中，使其能够通过物理或者化学方法分离出来。一般为了达到这种目的而使用的药剂，称之为絮凝剂。絮凝剂主要应用于给水和污水处理领域[1]。

絮凝剂的品种繁多，从无机到有机，从低分子到高分子，从单一型到复合型，总的发展趋势是向廉价实用、无毒高效的方向发展。

2、有机高分子絮凝剂

有机絮凝剂的优点是比较经济、用法简单；但用量大、絮凝效果低，而且存在着腐蚀性强、成本高等缺点。有机高分子絮凝剂是20世纪60年代后期才发展起来的一类新型废水处理剂。与传统絮凝剂相比，它能成倍的提高效能，且价格较低，因而有逐步成为主流药剂的趋势。加上产品质量稳定，有机聚合类絮凝剂的生产已占絮凝剂总产量30%～60%[1]。其中使用最多的是聚丙烯酸钠及其系列产物。

3、聚丙烯酸钠

高分子聚丙烯酸钠（PAANa）是近年来国内外开发的丙烯酸类精细化工产品之一。分子量在100万到1000万之间，结构为聚阴离子型电解质。通过聚阴离子间的架桥使悬浮粒子相互凝聚成团，可加速悬浮粒子的沉降。高分子量聚丙烯酸钠用途十分广泛，主要用于电解盐水精制、农药防漂散剂、墙体材料粘结剂及絮凝剂等，且对动植物蛋白的絮凝有特效作用[2]。

二、聚丙烯酸钠的性质

1、物理性质

常温下密度为1.32g/mL，在相对分子质量较小的为液体，大的可为固体。固体时为无臭无味白色粉末或颗粒，遇水膨胀，吸湿性极强，易溶于氢氧化钠水溶液，缓慢溶于水并形成极粘稠的透明液体（加热处理、中性盐类、有机酸类对其粘性影响很小，碱性时则粘性增大），不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂[2]。

2、化学性质

化学性质比较稳定，强热至300度不分解。因系电解质，易受酸及金属离子的影响。遇足量二价以上金属离子（如铝、铅、铁、钙、镁、锌）形成其不溶性

盐，引起分子交联而凝胶化沉淀。但是二价金属离子量少时仍为溶液。pH=4.0以下时可能产生沉淀[2]。

三、聚丙烯酸钠的生产方法及其选择

1、聚丙烯酸钠的生产方法

①、聚合法

使丙烯酸和氢氧化钠溶液反应生成丙烯酸钠单体，后将丙烯酸单体在过硫酸盐、还原剂引发下聚合成聚丙烯酸钠[3]。

②、中和法

先将丙烯酸在氧化还原剂作用下聚合反应生成聚丙烯酸，后将聚丙烯酸与氢氧化钠中和生成聚丙烯酸钠[4]。

③、皂化法

先由丙烯酸与甲醇反应生成丙烯酸甲酯，将丙烯酸甲酯聚合后的悬浮液或乳胶在氢氧化钠水溶液中加热，制得聚丙烯酸钠[5]。

④、水解法

先有丙烯酰胺聚合生成聚丙烯酰胺，然后在碱性条件下将聚丙烯酰胺水解生成聚丙烯酸钠[6]。

2、合成工艺的选择

目前一般使用聚合工艺路线，中和后的丙烯酸钠聚合速率平稳，工业反应容易控制。

具体的聚合方法方法有本体聚合、水溶液聚合、反相悬浮聚合、反相乳液聚合、辐射聚合等。本体聚合、水溶液聚合是高分子化学中常用的聚合方法。

水溶液聚合法是以水为溶剂，将经碱部分中和后的丙烯酸，加入有关助剂、引发剂，然后在一定的温度下进行聚合、干燥粉碎而制得的方法。该法以水为溶剂，生产过程不产生污染;对主设备要求低，投资省;操作简单，生产效率高;缺点是反应速度快，温度不易控制;但后处理需增加干燥、粉碎、筛分工序，有过细粉末产生。

其中反相悬浮聚合法是将反应物分散在油溶性介质中，单体水溶液作为水相液滴或粒子，水溶性引发剂溶解于水相中引发聚合的方法。从20世纪90年代开始，研究者将反相悬浮聚合工艺应用于丙烯酸钠聚合，此举既解决了原来反应中黏度过高及搅拌传热困难等难题，又加快了聚合反应的反应速度以及产物的相对分子质量，且在温和的反应条件下可直接制成粉状或粒状产物。对于反相悬浮聚合而

言，有效的悬浮分散剂包括亲水性高岭土、硅烷化的硅酸或者矿物填料等，其他的悬浮分散剂有山梨糖醇油酸酯和带有-COOH、-SO3H和-NH2等亲水性取代基的可溶性聚合物，也可以采用一些含有亲油亲水基的嵌段共聚物[7]。

反相乳液聚合法是将反应物分散在油性介质中，通过乳化剂的作用，在剧烈搅拌下分散成乳液状并进行聚合的方法。该方法与一般的乳液聚合的不同之处在于：单体是亲水性或水溶性的，水相中的单体分散在油性介质中，为“油包水”型聚合系统。采用乳化剂的亲水亲油平衡值（HLB）为3～8。目前反相乳液聚合法具有广阔的发展前景，引起了国内外高分子学者的高度重视[8]。

辐射聚合，以丙烯酸钠为主要原料,用NaOH中和后用Co释放出的γ射线辐射聚合,经交联后得到聚丙烯酸钠。其特点是制造过程中未添加任何助剂,因此得到的产品纯度高,适于制作生理卫生和医药用品。近年来虽然有对高吸水性树脂的辐射聚合研究，但工业化尚有困难[9]。

综上分析，本设计拟采用水溶液聚合的方法生产聚丙烯酸钠。

3、合成工艺流程图

四、聚丙烯酸钠的应用

目前聚丙烯酸钠被广泛的应用于化工、造纸、纺织、铸造、轻工、石油开采、水处理、食品、医药、农业等领域[10]。