抗交联剂对聚丙烯酰胺分子量和絮凝性能的影响

丁怡然

(昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500)

抗交联剂对聚丙烯酰胺分子量和絮凝性能的影响

丁怡然

(昆明理工大学环境科学与工程学院，云南昆明650500)

采用K2S2O8/NaHSO3引发丙烯酰胺溶液聚合，探讨了抗交联剂甲酸钠对聚丙烯酰胺(PAM)的粘均分子量及絮凝性能的影响。研究结果表明:以K2S2O8/NaHSO3为引发剂，反应温度20℃，引发剂用量为0.5‰，丙烯酰胺单体浓度40%，抗交联剂用量为5ppm时，可获得最高粘均分子量达1.9×107的聚丙烯酰胺。絮凝实验结果表明:当抗交联剂用量为15ppm时，所合成的PAM的絮凝效果最好，上层液体的透光度可达95%以上。

聚丙烯酰胺;抗交联剂;分子量;絮凝性能

随着社会经济的发展，水资源作为人类生存和发展必不可少的资源，其污染和治理问题不容忽视。在诸多处理水污染的方法中，絮凝沉降法以其简单易行、分离效率高、价格便宜等优点，成为了水处理工业中对不易沉降的颗粒进行分离的一种重要的方法［8］。在水处理过程中，絮凝剂能有效除去水中80%～90%的悬浮物和65%～95%的胶体物质，有效降低水体COD;同时，通过絮凝剂净化能将水中90%以上的微生物和病毒转入污泥中，降低了下一步进行消毒杀菌的难度［11］。

聚丙烯酰胺是一类重要的水溶性高分子聚合物，是有机高分子絮凝剂中用量最大的一种，其产量占合成有机高分子絮凝剂的80%以上。合成聚丙烯酰胺(PAM)时，希望能够得到尽量长而伸展的分子链，但是在实验中，由于聚合过程中发生的一定程度上的交联，而不能得到理想的线性分子链。因此，通过加入抗交联剂来减少交联现象的发生。

本论文采用引发剂为K2S2O8/NaHSO3的氧化还原体系、水溶液法合成PAM。研究在合成过程中，改变抗交联剂甲酸钠的用量，对PAM粘均分子量的影响，以及改变抗交联剂甲酸钠的用量，对聚丙烯酰胺PAM絮凝性能的影响。

1实验部分

1.1主要原料与试剂

丙烯酰胺:化学纯;亚硫酸钠、过硫酸钾、甲酸钠:分析纯;高岭土:化学纯。

1.2合成方法

采用水溶液聚合法合成非离子型聚丙烯酰胺。在烧杯中加入一定量的丙烯酰胺和蒸馏水，于20℃恒温下边搅拌边溶解，当丙烯酰胺全部溶解时，通入氮气以除去反应体系中的溶解氧，15min后，停止通氮气。加入引发剂K2S2O8/NaHSO3和抗交联剂甲酸钠，继续搅拌至粘度迅速增大时，停止搅拌，在室温下静置48h后得到胶状聚丙烯酰胺。

1.3聚丙烯酰胺分子量测定方法

按GB 12005.1－89《聚丙烯酰胺特性黏数测定方法》中稀释法，用乌氏粘度计测定聚丙烯酰胺样品的粘度，依照GB/T12005.10－92计算分子量。得到的分子量为粘均分子量。

1.4絮凝实验方法

采用的絮凝方法为SY/T 5796－93《絮凝剂评定方法》，选用高岭土体系进行絮凝效果评价。用1L蒸馏水溶解60g高岭土，高速搅拌20min后密封保存24h。称取一定量聚丙烯酰胺样品放于具塞试管中，加入20ml蒸馏水溶解2h。将高岭土溶液pH值调整在一定范围内，在单个烧杯中称取200g调整过pH的高岭土溶液，以35r/min速度搅拌，同时加入配制好的聚丙烯酰胺溶液，2min后停止搅拌，静置20min，取上层清液测定吸光度。2h后取上层清液中间层测定吸光度，同时测量沉降层高度。

2结果与讨论

2.1合成工艺条件选择

2.1.1单体浓度和引发剂用量对PAM分子量的影响

对PAM溶液自由基聚合反应，单体浓度和引发剂用量是影响其分子量最重要的因素。不同的单体浓度和引发剂用量，得到PAM的分子量也不同。

在本文研究的体系中，不同单体浓度和引发剂用量下PAM的分子量变化如图1。由图1可知，当单体浓度为30%时，PAM的粘均分子量最大可以达到5.57×106，当单体浓度为40%时，PAM的粘均分子量最大可以达到1.492×107，当单体浓度为50%时，PAM的粘均分子量最大可以达到9.38×106，可见，单体浓度对PAM粘均分子量上限的影响很大。此外，由图1还可以看出当单体浓度为40%，引发剂用量为0.5‰时，合成的PAM粘均分子量最高。因此，对本文研究体系而言，最优合成条件为单体浓度40%，引发剂用量0.5‰。

2.1.2引发温度对PAM分子量的影响

对PAM水溶液聚合反应而言，温度是影响聚合反应发生剧烈程度的重要因素。温度过低，聚合反应不发生，无法聚合形成PAM产品，而温度过高聚合反应发生过于剧烈，不易形成长而伸展的分子链，导致聚合形成PAM的分子量过低。单体浓度为40%，引发剂用量0.5‰，抗交联剂用量5ppm的条件下，分子量随温度变化的趋势如图2所示。由图2可以看出，温度为20℃时得到的PAM粘均分子量最高，可以达到1.91×107。随着温度的增加，分子量呈现下降的趋势。而当引发温度为15℃时，聚合反应没有发生，没有得到需要的胶冻状PAM产品。因此，对本文合成体系而言，最佳引发温度为20℃。

2.2抗交联剂用量对PAM分子量的影响

在PAM聚合过程中加入抗交联剂是为了减少反应过程中交联现象的发生，得到长而伸展的分子链，提高PAM的粘均分子量。然而抗交联剂的加入量同样存在最佳用量的问题。图3为本文研究的体系中，抗交联剂甲酸钠用量与分子量间的关系。从图3中可以看出，当甲酸钠加入量为5ppm时，所得到PAM的粘均分子量最高，可达1.91×107。随着甲酸钠加入量的增加，所得PAM的粘均分子量均维持在1×107。此外，由图3还可以看出，与不加甲酸钠合成的PAM的粘均分子量相比，加入甲酸钠的PAM样品粘均分子量基本偏高。

2.3抗交联剂对絮凝效果的影响

2.3.1絮凝剂最佳用量

对于不同的体系，不同的絮凝剂投入量得到的絮凝沉降效果也会不同。为了找到适合用于高岭土体系沉降的最佳絮凝剂用量，选取甲酸钠用量为60ppm的样品投加到200g高岭土溶液中，进行絮凝剂最佳用量实验，高岭土体系溶液调节初始pH值为3.73。图4为絮凝剂用量与加入絮凝剂后高岭土溶液上层清液20min和2h后透光率之间的关系。从图4中可以看出，随着絮凝剂用量增加，上层清液的透光率呈现出先增加后降低的趋势。当絮凝剂加入量为7mg时，与其他加入量相比，絮凝体系上层清液20min和2h时候透光率高，溶液澄清度较好。图5为絮凝剂用量与2h后高岭土溶液沉降层高度的关系，沉降层越高，说明加入絮凝剂后絮凝沉降下的悬浮颗粒越多，絮凝效果越好。从图5可以看出，随着絮凝剂用量增加，沉降层高度先增加后降低。当加入量为24mg时，沉降层高度达到最大，其次为4、7、12mg。综合上层清液透光率和沉降层两个衡量絮凝效果优劣的指标来看，絮凝剂最佳用量应为7mg，即3.5mg/100g(高岭土溶液)。

2.3.2抗交联剂用量对絮凝效果影响

确定了絮凝实验的最佳用量之后，测定不同抗交联剂用量样品的絮凝效果。分别称取7mg、抗交联剂浓度为0、5、10、15、20、30、40、60ppm的8个PAM样品投加到200g高岭土溶液中，高岭土溶液体系初始pH值调节为3.8。实验结果如图6和图7。

从图6可以看出，甲酸钠用量为0、5、10、15、20、30ppm的样品投加到高岭土溶液体系中，沉降后溶液上层清液透光率在95%以上，溶液透光性好。从图7可以看出，甲酸钠用量为15ppm的样品投加到高岭土溶液体系2h后得到的沉降层高度最高。其次为甲酸钠用量为60ppm、0ppm和10ppm的样品。综合两个指标来看，最适用于高岭土溶液体系沉降的样品为甲酸钠加入量为15ppm的聚丙烯酰胺。

3结论

(1)本文采用溶液自由基聚合法，制备超高分子量聚丙烯酰胺絮凝剂，在引发温度20℃、引发剂用量0.5‰、丙烯酰胺单体浓度40%、抗交联剂用量5ppm的合成条件下，所合成聚丙烯酰胺的粘均分子量最高可达1.9×107万。

(2)对高岭土溶液体系的絮凝实验发现，当抗交联剂用量为15ppm时，所合成的聚丙烯酰胺的絮凝效果最好，并且当聚丙烯酰胺用量为3.5mg/100g(高岭土溶液)时，上层液体的透光度可达95%以上，絮凝效果良好。

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The Influence of Anti－Crosslinking on Molecular Weight of Polyacrylamide and Its Flocculation Performance

DING Yi－ran
(College of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500 China)

The polyacrylamide in this paper has been synthesized using potassium peroxydisulfate/sodium hydrogensulfite via free radical solution polymerization．We discuss about the influence of anti－crosslinking on molecular weight of polyacrylamide and its performance of flocculation．The results show that the molecular weight can be 1.9×107when K2S2O8/NaHSO3is used as initiator，with the initiate reaction temperature at 20℃，initiator dosage of 0.5‰，monomer concentration of 40%and anti－crosslinking dosage of 5ppm．The flocculation experiment shows that when the dosage of anti－crosslinking is 15ppm，the synthesized PAM reaches the best performance of flocculation，and the transparence of the upper layer of the liquid could be more than 95%．

polyacrylamide;anti－crosslinking;molecular weight;performance of flocculation

X13

A

1673－9655(2012)05－0001－04

2012－03－25

丁怡然(1989－)，女，昆明人，硕士研究生，从事水污染治理与防治研究。