高分子絮凝剂的研究发展

高分子絮凝剂的研究发展
摘要：高分子絮凝剂广泛应用于多个领域，高分子絮凝剂又分为无机高分子絮凝剂：聚合铝类、聚合铁类、活性硅酸类；有机高分子絮凝剂：天然高分子和合成高分子及其应用举例和发展前景。

关键字：絮凝剂；高分子絮凝剂；类别；应用；发展前景；
Polymer flocculants research and development
Abstract；Polymer flocculants are widely used in many fields，Polymer floccu lant is divided intoInorganic polymer flocculants：PACl class、Polyferric class、Activity of silicic acid class；Organic polymer flocculant：Natural polymer an d synthetic polymer and application examples and Prospects
Key words：coagulants；Polymer flocculant；Categories；Apply；Prospects；
絮凝剂理论基础是;“聚并”理论，絮凝剂主要是带有正电（负)性的基团中和一些水中带有负(正）电性难于分离的一些粒子或者叫颗粒，降低其电势，使其处于不稳定状态，并利用其聚合性质使得这些颗粒，集中，并通过物理或者化学方法分离出来。

一般为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各污水处理领域。

絮凝剂按照其化学成分总体可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。

其中无机絮凝剂又包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂;有机絮凝剂又包括合成有机高分子絮凝剂、天然有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。

1、无机高分子絮凝剂
1.1无机絮凝剂分类
无机絮凝剂按其分子量的大小可分为低分子絮凝剂和高分子絮凝剂两大类。

现常用的无机高分子絮凝剂有聚合铝类絮凝剂、聚合铁类絮凝剂和活性硅酸类絮凝剂以及复合絮凝剂四大类。

(1)聚合铝类絮凝剂（如聚合氯化铝，硫酸铝等）
聚合铝水解产生高价离子,形成各种类型的羟基多核络合物。

它们通过羰基式桥联作用,处于亚稳定状态。

而ＯＨ-与Ａｌ3+的比值 (一般称盐基度或碱基度)对絮凝效果影响很大。

通常盐基度越高,絮凝效果越强,但过高则本身易生成难溶的氢氧化铝
沉淀,导致絮凝效果降低。

研究表明,盐基度在75%-85%时最佳,此时絮凝体产生快,颗粒大而重,沉淀性能好。

聚合铝具有投药量少、沉降速度快、颗粒密实、除浊、除色效果明显等特点。

在工业水处理中得到广泛的应用。

值得注意的是铝,尤其是活性铝,毒性较大,同时聚合铝制备方法不完善,致使较多水解铝的微细颗粒存在于溶液中,这在一定程度上限制了聚合铝的使用。

通过改善混凝反应条件,延长慢速混凝时间,能有效降低水中铝的含量。

(2)聚合铁类絮凝剂（如聚合硫酸铁等）
聚合铁是另一新型无机絮凝剂,絮凝机理与聚合铝类似。

其主要类型有聚硫酸铁、聚氯化铁、聚氯化硫酸铁等等。

聚氯化硫酸铁除具有铝盐类无机高分子絮凝剂特点外,还具有价格低、ｐＨ值适用范围宽等特点。

但是总体来说,聚合铁需要较低的盐基度,一般须将ＯＨ-/Ｆｅ3+比值控制在8%～15%。

超出此范围,铁水解反应突变,从高价聚合态羟基络离子转化成低价聚合态胶凝产物。

且聚合铁产品稳定性差,聚合几个小时至一周内即转向沉淀,絮凝效果降低,故其用量远不及聚合铝。

(3)活性硅酸类絮凝剂
活性硅酸也是一种重要的无机高分子絮凝剂,它来源广、价格低廉、无毒、且絮凝、助凝效果好,尤其对于低温低浊水的混凝处理这一净水处理中的难题有着显著的特性,在国内外引起足够重视。

但由于易自行缩聚析出凝胶而失活只能现用现配;另外,在生产中很难精确控制其聚合度,难以达到最佳絮凝效果,限制了其应用。

所以应用效果较好的多为改性产品,诸如改性活化硅酸、聚硅酸硫酸铝(ＰＳＡＡ),ＰＳＡＭ等等。

究其机理,大都是在活性硅酸中加入一定量高价金属离子,使其组分带正电荷,控制其聚合度、电荷密度,保证其同时具有电中和作用和吸附架桥作用,从而克服活性硅酸自身弱点,大大提高絮凝效果。

(4)复合絮凝剂
近年来,复合絮凝剂的研制成为热点。

复合絮凝剂按化学成分分为无机复合型、有机复合型、有机无机复合型三大类。

无机复合絮凝剂成分较多,主要原料有铝盐、铁盐和硅酸盐。

国外先后研制开发出聚合铝铁、铝硅、硅铝、硅铁以及聚合铝/铁与活性致混物质等复合絮凝剂。

复合无机高分子絮凝剂虽然可能增强絮凝聚集效果、提高稳定性、延长胶凝期，但正电荷均有明显降低。

因此，在制备中要兼顾铁盐的水解作用以及水解产物的电中和能力，控制好各自的最佳聚合条件，以研制出分子量大、荷电量多、适应性强的优良产品。

同时要根据水质处理要求确定配方和工艺，且今后的研究重点还应放在产品的稳定性上。

此外，还应借助现代分析仪器对聚硅酸复合盐混凝剂的结性构进行表征，分析聚硅酸复合混凝剂的形态结构与混凝性能的关系，进一步探讨其混凝机理。

【1】
1.2无机高分子絮凝剂(IPF)的发展趋势
无机高分子絮凝剂的种类很多 ,在原料选择、制备方法和使用范
围方面有较大发展。

今后无机高分子絮凝剂的研发及应用应朝以下几个方向发展。

(1)对絮凝机理、动力学、絮凝剂的理化性质等的研究。

(2)优化生产条件 ,降低生产成本,探索研制新技术、新工艺。

(3)拓展絮凝剂的应用范围。

(4)全面推广,需要加大宣传力度。

(5)根据各类水质情况选择不同的无机高分子絮凝剂。

【2】
2、有机高分子絮凝剂
有机无机复合絮凝剂以品种多样和性能多元化占主导地位。

作用机理主要与协同作用相关。

无机高分子成分吸附杂质和悬浮微粒,使形成颗粒并逐渐增大;而有机高分子成分通过自身的桥联作用,利用吸附在有机高分子上的活性基团产生网捕作用,网捕其它杂质颗粒一同下沉。

同时,无机盐的存在使污染物表面电荷中和,促进有机高分子的絮凝作用,大大提高絮凝效果。

我国无机高分子絮凝剂的生产和应用已取得长足进展,最具有代表性的聚合氯化铝和聚合硫酸铁的研究,已居世界前列。

有机高分子絮凝剂出现于20世纪50年代，它们应用前途广阔，发展非常迅速。

已用于给水净化，水/油体系破乳，含油废水处理，废水再资源化及污泥脱水等方面；还可用作油田开发过程的泥浆处理剂，选择性堵水剂，注水增稠剂，纺织印染过程的柔软剂，静电防止剂及通用的杀菌、消毒剂等。

2.1 有机高分子絮凝剂种类和性质
有机高分子絮凝剂有天然高分子和合成高分子两大类。

从化学结构上可以分为以下3种类型：
(1)聚胺型-低分子量阳离子型电解质；
(2)季铵型-分子量变化范围大，并具有较高的阳离子性；
(3)丙烯酰胺的共聚物-分子量较高，可以几十万到几百万、几千万，均以乳状或粉状的剂型出售，使用上较不方便，但絮凝性能好。

根据含有不同的官能团离解后粒子的带电情况可以分为阳离子型、阴离子型、非离子型3大类。

有机高分子絮凝剂大分子中可以带-COO-、-NH-、-SO3、-OH等亲水基团，具有链状、环状等多种结构。

因其活性基团多，分子量高，具有用量少，浮渣产量少，絮凝能力强，絮体容易分离，除油及除悬浮物效果好等特点，在处理炼油废水，其它工业废水，高悬浮物废水及固液分离中阳离子型絮凝剂有着广泛的用途。

特别是丙烯酰胺系列有机高分子絮凝剂以其分子量高，絮凝架桥能力强而显示出在水处理中的优越性。

2.2 非离子型有机高分子絮凝剂
非离子型有机高分子絮凝剂主要是聚丙烯酰胺。

它由丙烯酰胺聚合而得。

2.3 阴离子型有机高分子絮凝剂
(1)阴离子型有机高分子絮凝剂主要有聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钙以及
聚丙烯酰胺的加碱水解物等聚合物。

(2)丙烯酰胺和苯乙烯磺酸盐、木质磺酸盐、丙烯酸、甲基丙烯酸等共聚物。

阴离子型人工合成类有机高分子絮凝剂阴离子型有机高分子絮凝剂研制开发较早 ,技术比较成熟,但由于受应用范围的限制 ,有关阴离子型有机高分子絮凝剂新产品的研究报道较少。

常见的有聚丙烯酸钠、丙烯酰胺与丙烯酸钠共聚物、聚苯乙烯磺酸钠等。

【3】
2.4 阳离子型有机高分子絮凝剂
2.4.1 季铵化的聚丙烯酰胺
季铵化的聚丙烯酰胺阳离子均是将-NH2经过羟甲基化和季铵化而得，可以分为聚丙烯酰胺阳离子化和阳离子化丙烯酰胺聚合。

(1)由聚丙烯酰胺季铵化
聚丙烯酰胺(PAM)先与甲醛水溶液反应，酰胺基部分羟甲基化，其次与仲胺反应进行烷胺基化，然后与盐酸或胺基化试剂反应使叔胺季铵化。

(2)由季铵化的丙烯酰胺聚合
在碱性条件下，先由丙烯酰胺与甲醛水溶液反应，然后与二甲胺反应，冷却后加盐酸季铵化。

产物经蒸发浓缩、过滤，得季铵化丙烯酰胺单体。

2.4.2 聚丙烯酰胺的阳离子衍生物
这类产品多是由丙烯酰胺与阳离子单体共聚合得到的。

阳离子絮凝剂不仅可以通过电荷中和、架桥机理使微粒脱稳、絮凝 ,而且还可以与带负电荷的溶解物进行反应 ,生成不溶物 ,从而有利于沉降和过滤脱水 ,p H 值使用范围宽,用量少 ,毒性也小。

近年来 ,我国对此类絮凝剂的研究主要集中在聚丙烯酰胺接枝共聚物、烷基烯丙基卤化铵、环氧氯丙烷与胺的反应产物三大类上 ,已经取得了显著进展。

【4】
2.5 两性聚丙烯酰胺聚合物
以部分水解聚丙烯酰胺加入适量甲醛和二甲胺，通过曼尼兹反应合成出具有羧基和胺甲基的两性型聚丙烯酰胺絮凝剂。

两性型人工合成类有机高分子絮凝剂两性型有机絮凝剂兼有阴、阳离子基团的特点,在不同介质条件下 ,其离子类型可能不同,适于处理带不同电荷的体系。

同时,其适应范围广 ,酸性、碱性介质中均可使用 ,抗盐性也较好。

两性高分子絮凝剂的品种很多,其阴离子基团一般为羧基、硫酸基、磷酸基 ,阳离子基团一般为季铵盐基、喹啉鎓离子基、吡啶鎓离子基。

其中聚丙烯酰胺类两性高分子絮凝剂是最重要的产品【5】
2.6 丙烯酰胺接枝共聚物
因为淀粉价廉来源丰富，其本身也是高分子化合物，它具有亲水的刚性链，以这种刚性链为骨架，接上柔性的聚丙烯酰胺支链，这种刚柔相济的网状大分子除了保持原聚丙烯酰胺的功能之外，还具有某些更为优异的性能。

3、天然高分子和合成高分子
由于大多数有机高分子絮凝剂本身或其水解、降解产物有毒，且合成用丙烯酰胺单体有毒，能麻醉人的中枢神经，应用领域受到一定限制，迫使絮凝剂向廉价实用、无毒高效的方向发展。

中国潍坊瑞丰实业公司生产的“腾达”多功能絮凝剂是二十一世纪高科技环保型理想产品，是替代聚丙烯酰胺的优质产品，是无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂的改良换代产品。

3.1 产品概况
该絮凝剂是由聚丙烯酰胺加入天然高分子材料改性成的透明胶状液体，是具阴离子、阳离子、非离子特性的新型有机液态絮凝剂。

其特点有
（1）使用后能有效降低COD、BOD、SS；
（2）在污泥减量中用量少，可迅速提高泥饼干度，杀灭有害微生物、培养有益微生物；
（3）与固体絮凝剂相比，溶解速度快且溶解均匀、利用率高、无二次污染；
（4）工艺简单、使用方便，成本低（比固体干粉节约25%以上）。

3.2 使用机理
该产品主要通过静电吸附，电中和脱稳，双电层压缩、架桥、网捕等多种作用形式将污染物微粒聚集成密集的大颗粒，在重力作用下沉降，使污染物絮体从水中析出，从而达到污水处理的目的。

3.3 使用方法
该产品主要用于城市生活污水处理，造纸、油田、洗煤、印染废水以及相应的污泥处理。

使用时按照1:20的比例将其兑水稀释成5%的工作液；一定量浓缩液可处理8000—10000倍体积污水。

最佳用量应参照被处理污水实际流程。

3.4 产品规格
该产品在最佳实验条件下，沉降时间26min，脱水率72.6%，最佳加入量(m,L.L-1)1.2，吨污泥单耗成本比PAM（日本产）下降25.8%。

外观：粘稠液体；PH值：6—12；固含量（%）：≥40；黏度（mpas,2s.Cbzooktie14#转子60zPm）：4000—10000
为了中国的绿色环保工程,絮凝剂的研究与利用应该朝着高分子化、多功能化的方向发展。

尤其是天然高分子改性絮凝剂和微生物絮凝剂以其来源广泛,开发廉价、高效、无毒又能够完全生物降解、不产生二次污染的优点,不仅能够提高我国的污水处理能力,还能有效地消减污水的排放总量,对控制水环境污染具有重要的现实意义和使用价值,是未来高分子絮凝剂的发展方向。

【参考文献】
【1】张景香等：聚硅酸铁盐复合高分子絮凝剂的研究进展
与性能研究[J]. 精细化工，2002，19(8)：450-452.
【2】许国威《无机高分子絮凝剂技术简述》[J] 科技资讯，1672-3791（2009）04（c）-0005-01
【3】【4】【5】马永生,乔万昌《有机高分子絮凝剂的研究进展》[J] 论文与综述 2009-03-01 35-38。