赤泥沉降用新型氧肟酸絮凝剂的合成与应用

梁高杰，陈文汨，范尚



赤泥沉降用新型氧肟酸絮凝剂的合成与应用

梁高杰，陈文汨，范尚

(中南大学冶金与环境学院，湖南长沙，410083)

以自制的非离子型聚丙烯酰胺水溶胶为原料，盐酸羟胺和氢氧化钠为改性试剂，采用先羟肟化再水解的两段控温工艺制备新型氧肟酸絮凝剂。通过对合成产物进行氯化铁吸附显色、进口铝土矿溶出赤泥沉降及红外光谱测试，得到最佳制备工艺条件：初始聚丙烯酰胺水溶胶质量分数为8%，改性剂羟胺碱水溶液pH=13.5，无需补碱，羟胺与酰胺基的物质的量比为1:1，在60 ℃时羟肟化3 h，在85 ℃时水解2 h，在此条件下合成的氧肟酸聚合物具有一定的水解度和羟肟化度，氯化铁吸附显色等级为3；与常用工业絮凝剂相比，自制氧肟酸型絮凝剂能明显改善进口铝土矿溶出赤泥沉降性能，沉降速度达11.5 m/h，上清液吸光度仅为0.639。

氧肟酸；聚丙烯酰胺；改性；絮凝剂；赤泥沉降

近年来，随着我国优质铝土矿资源持续减少，国内氧化铝厂使用进口铝土矿越来越多，但进口铝土矿中含有较多的针铁矿，在应用低温拜耳法或后加矿增浓溶出工艺时会出现赤泥难以分离、沉降槽易跑浑的现象。目前，我国氧化铝工业常用的阴离子聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸(盐)类絮凝剂等均不能很好地改善赤泥沉降效果。而国外常用的氧肟酸型絮凝剂对赤泥颗粒具有迅速强烈的螯合作用，可以提高含针铁矿较多的赤泥沉降速度，强化分离过程和效果，提高了沉降槽的产能和粗液质量，是目前最高效的赤泥分离用絮凝剂[1−4]。氧肟酸型絮凝剂不同于聚丙烯酰胺和聚丙烯酸(盐)类絮凝剂，而是一种新型功能高分子聚合体，其分子结构中除羧基—COO−和酰胺基—CONH2之外还含有独特的氧肟酸—CONHOH官能团[5−6]。氧肟酸基团中氮原子上具有孤对电子，易与有能量相近的空轨道的离子配位成键，对过渡金属元素特别是铁具有很强的亲和力，能够通过表面络合吸附(螯合)形成稳定的五元环配位化合错误！未指定书签。错误！未指定书签。物[7−8]。AEM的研究表明，氧肟酸型聚合物的表面吸附能力与丙烯酸类聚合物相比更强，具有更快的吸附速率[9]。目前，氧肟酸型絮凝剂主要在聚丙烯酰胺、聚丙烯酸(酯)类高分子基础上进行分子改性获得[10]。国外关于氧肟酸型聚合物的研究开始较早，如：SPITZER等[11]将含氧肟酸基团的聚合物作为絮凝剂进行应用，随后在氧化铝赤泥沉降中得到快速发展和广泛应用；PAU等[12]提出将低相对分子质量聚丙烯酰胺“先低温再高温”进行羟肟化改性，得到羟肟化度高、性能好的改性产物；SPARAPANY等[13]在pH为1~6、温度为70~150 ℃条件下用羟胺与聚丙烯酸反应得到含有氧肟酸基团的改性产物。我国李海普等[14]以甲醇为分散剂、聚丙烯酸钠为原料，先与硫酸二甲酯进行非均相酯化反应，再与盐酸羟胺进行非均相羟肟化反应，得到氧肟酸型改性产品；卢红梅等[15]对淀粉及聚丙烯酰胺进行了羟肟化改性，考察各工艺条件对改性反应的影响，采用自制改性絮凝剂进行赤泥沉降研究；陈锋等[16]采用微乳液聚合法，以丙烯酰胺、苯乙烯和硫酸羟胺为原料合成一种带有苯环结构的氧肟酸絮凝剂，赤泥沉降中具有良好的效果。黄亚军等[17]将盐酸羟胺与质量分数为0.5%的聚丙烯酰胺溶液混合，得到改性氧肟酸絮凝剂，并应用于烧结法熟料溶出赤泥沉降中。国内氧肟酸型絮凝剂的合成研究大多采用有机溶剂，对聚合物进行复杂的非均相改性反应，而且会用到一些毒性较强的酯化试剂；或对低浓度的聚合物水溶液进行改性，流程长，步骤复杂，难以工业化应用。本文以自制的非离子型聚丙烯酰胺水溶胶为原料，采用两段控温法直接进行羟肟化和水解改性，既克服了聚合物水溶液黏度过大、溶解不均匀的缺点，又促进了改性反应的顺利进行，获得了同时含有氧肟酸基、羧酸基和酰胺基官能团的聚合物絮凝剂。通过实验考察改性试剂用量、反应条件的控制等因素对产物性能的影响，探索羟肟化和水解反应过程的原理，制备具有优异赤泥沉降性能且适宜工业化生产的新型絮凝剂。

1 实验

1.1 反应机理

利用水溶液聚合法得到聚丙烯酰胺水溶胶，加入盐酸羟胺与氢氧化钠的混合溶液，在合适温度下进行改性反应。主要反应机理[18]如下。

1) 丙烯酰胺聚合：

通过水溶液自由基聚合制备相对分子质量高、溶解性能好的聚丙烯酰胺水溶胶，直接进行分子改性，避免聚合物分子链的破坏，保持了分子基团反应活性。

2) 羟胺生成：

氢氧化钠和盐酸羟胺反应生成羟胺，其在水中的溶解度较大，因此，可以实现高浓度羟胺条件下对聚合物进行改性。同时，过量的氢氧化钠为羟肟化反应提供碱催化环境，还可以起到水解剂的作用。

3) 羟肟化反应：

(3)

控制合适的温度，在高浓度碱催化条件下，羟胺与部分酰胺基进行亲核加成−消除反应。

4) 水解反应：

(4)

聚合物中一部分酰胺基与氢氧化钠发生水解反应，得到适度水解的阴离子聚丙烯酰胺，最终获得同时含有酰胺基、羧酸基、氧肟酸官能团的聚合物。

1.2 仪器与试剂

仪器为：WQF-510A红外光谱仪(北分瑞利分析仪器有限公司制造)；TU-1950紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司制造)；DZF型真空干燥箱(北京科伟永兴仪器有限公司制造)；HH电热恒温水浴锅(江苏金坛市中大仪器厂制造)；FC104分析天平(上海天平仪器厂制造)。

试剂为：丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、盐酸羟胺(国药集团化学试剂有限公司生产)；氢氧化钠(天津市恒兴化学试剂有限公司生产)；乙醇、氯化铁(湖南汇宏试剂有限公司生产)；高纯氮气(99.999%，长沙高科气体有限公司生产)。

1.3 聚合物制备及改性

1) 将丙烯酰胺水溶液在偶氮类引发剂和无氧条件下通过水溶液均聚制备一定浓度的聚丙烯酰胺水溶胶。

2) 将盐酸羟胺和去离子水按一定比例配成质量分数为40%的盐酸羟胺溶液，用质量分数为20%的氢氧化钠溶液调节pH，然后按一定的水解度继续加入适量氢氧化钠溶液，即得到羟胺碱溶液。

3) 取适量羟胺碱溶液加入装有聚丙烯酰胺水溶胶的反应釜中，分段调整水浴温度，继续搅拌反应一定时间，即得氧肟酸型阴离子聚丙烯酰胺聚合物；加入乙醇，析出并洗涤固体，烘干后分析。

1.4 分析及表征

1.4.1 氯化铁吸附测试

由于含有氧肟酸基团的絮凝剂在水溶液中能与Fe3+螯合生成独特的深棕色絮状物，而—CONH2和 —COO−则没有这种现象，因此，可以用絮凝剂溶液与氯化铁溶液的显色程度来反映其中氧肟酸基团是否存在。

取一定量絮凝剂溶液加入到适量质量分数为1.0%的氯化铁溶液中，轻微振荡后观察絮团情况。根据絮团数量和颜色划分等级，如表1所示。

表1 FeCl3显色反应等级标准

1.4.2 红外光谱分析

采用傅里叶变换红外光谱仪对试样进行KBr固态压片法测试分析，表征其分子结构。

1.4.3 赤泥沉降效果测试

1) 降速度的测定。取一定量聚合物样品，用去离子水溶解，得到有效质量浓度约为2 g/L的絮凝剂溶液。将配制好的进口铝土矿拜耳法溶出赤泥稀释浆液(Na2O质量浓度为170 g/L，Al2O3质量浓度为172 g/L，固含为80 g/L)加热至沸，加入一定量絮凝剂溶液，迅速混匀后倒入带刻度的沉降管中，记录赤泥层下降一定距离所需时间，计算其沉降速度。

2) 清效果测定。赤泥浆液沉降10 min后，取上清液，用分光光度计在440 nm波长下测其吸光度，以表征其澄清度。吸光度越大，表示溶液透光率低，溶液澄清度差，浮游物质量分数高。

2 结果与讨论

2.1 合成方法的选择

首先通过水溶液均聚制备非离子型聚丙烯酰胺水溶胶，取样进行红外光谱分析，见图1。

图1 合成聚丙烯酰胺红外光谱图

从图1可见：强峰(3 188，1 670和1 604 cm−1处)分别归属于官能团—CONH2中的υs(NH2)，υs(C=O)和δs(NH2)，中等强度峰(1 450和1 415 cm−1处)分别归属于官能团—CONH2中的δ(CH2)和δ(C—N—H)，强度较弱的峰(1 319 cm−1处)归属于官能团—CONH2中的υ(C—N)，这表明该聚合物为非离子型聚丙烯酰胺目标产物[18]。对于非离子型聚丙烯酰胺，要使其具有异羟肟酸基和羧酸基官能团，必须进行水解和羟肟化改性。羟肟化反应和水解反应都会放出氨气，当通氮气时，可以将反应产物带出体系，利于反应进行，同时羟胺在无氧条件下更加稳定，避免了不必要的分解。但高温下的水溶液反应由于蒸发使得聚合物越来越黏稠，不利于体系稳定，通气量过快会加剧这种情况，因此，应控制通气速度在合理范围内，并采取冷凝措施，使蒸发水及时返回反应体系。

根据水解反应和羟肟化反应的顺序不同，将改性方法分为2种：一是先将非离子型聚丙烯酰胺水解为阴离子聚丙烯酰胺，然后羟肟化；二是控制合适条件，先促使羟肟化反应的进行，然后进行水解反应。

2.1.1 先水解后羟肟化

在水溶液均聚得到非离子型聚丙烯酰胺水溶胶的基础上加入氢氧化钠溶液，控制合适的水解温度，反应2 h后取出少量样品进行红外光谱检测，如图2(a)所示；继续加入一定量的羟胺溶液，调整水浴温度，隔一段时间后取样进行FeCl3显色检测，结果如表2所示。取羟肟化6 h后样品进行红外光谱检测，如图2(b)所示。

1—水解后；2—羟肟化后。

表2 水解并羟肟化后样品显色结果

由图2(a)可知：与非离子型聚丙烯酰胺红外光谱图相比，水解后聚合物在1 568 cm−1处出现—COO−基团的特征峰，表明水解正常进行，得到含一定水解度的阴离子聚丙烯酰胺。而图2(b)中只是1 568 cm−1附近的特征峰加强，表明后续的羟肟化并没有明显改变聚合物结构，只是加强了水解度。由表2可知：反应4 h时产物FeCl3显色等级为0，几乎不含氧肟酸官能团；反应达到6 h时聚合物仍然只有微弱羟肟化度，达不到合成氧肟酸型絮凝剂的目的。这是因为：一方面，高温水解后的聚丙酰胺黏度变大，不利于后续改性；另一方面，水解生成的—COO−基团与羟胺反应的活性降低，不利于聚合物分子的羟肟化[19]。用工业品阴离子聚丙烯酰胺作原料进行羟肟化改性时会遇到以下问题：1) 溶解性差，特别是聚合物浓度提高时，溶液黏度极大，溶解很不均匀；2) 聚合物降解较明显；3) 改性比较困难，羟肟化程度低。因此，采用先水解后羟肟化的方法不合理。

2.1.2 先羟肟化再水解

由于羟胺与—CONH2反应活性相比于—COO−的反应活性更强，因此，先将非离子型聚丙烯酰胺羟肟化，再水解。初步实验方法为：通过水溶液聚合得到聚丙烯酰胺水溶胶后，加入羟胺碱溶液，调整温度，反应一段时间后，再加入一定量氢氧化钠溶液；调整温度，继续反应一段时间，取出产物样品，进行后续处理和测试。按此方案改性前后样品的FeCl3显色情况及对进口铝土矿增浓溶出赤泥的分离沉降效果如表3和图3所示。

表3 先羟肟化再水解改性前后聚合物性能对比

(a) 改性前；(b) 改性后Ⅰ；(c) 改性后Ⅱ

从表3和图3可以看出：改性聚合物FeCl3显色等级较高，表明其中含有氧肟酸官能团；改性聚合物有良好的赤泥沉降性能，且随着羟肟化程度升高，沉降性能提高。

改性产物的红外光谱分析结果如图4所示。

红外光谱图中，1 670 cm−1处的峰为酰胺基中C=O的特征吸收峰，1 568 cm−1处—COO−的特征吸收峰较强，说明合成产物为具有较大水解度的阴离子聚丙烯酰胺；1 045 cm−1处有1个较明显的吸收峰，为—NHO—的特征吸收峰，表明产物有一定的羟肟化度。由此可知：聚丙烯酰胺水溶胶经过羟肟化及水解改性后含有酰胺基、羧酸根及氧肟酸基团，为目标产物氧肟酸型阴离子聚丙烯酰胺。

同时，由于水溶胶的溶解及肟化反应需要一定时间，控制第1段反应时间为3 h；后续高温水解时间一般为1~3 h，时间过长会导致体系黏度增大，因此，控制第2段反应时间为2 h。

图4 自制氧肟酸型聚合物红外光谱图

2.2 盐酸羟胺用量

羟胺与酰胺基的物质的量比为0.5~1.5，考察盐酸羟胺用量对改性的影响。改性聚合物对进口铝土矿增浓溶出赤泥的分离沉降结果如图5所示。

1—沉降速度；2—上清液澄清度。

由图5可知：随羟胺用量增加，改性后样品的赤泥沉降性能呈现急剧提高后趋于平稳的变化态势；在羟肟化反应中，羟肟化试剂的用量直接影响反应进行的程度，一方面，由于要促进平衡反应向产物氧肟酸方向移动，以提高羟肟化度；另一方面，也是为了补充羟胺在水溶液中因歧化反应造成的消耗。因此，盐酸羟胺的用量一般都是过量的。但对于赤泥沉降用絮凝剂来说，并不要求酰胺基完全转化为氧肟酸官能团，而且考虑到盐酸羟胺的成本，应降低其用量，控制合适的羟肟化度和水解度。羟胺与酰胺的物质的量比为1:1较合适。

2.3 碱用量和pH的影响

用氢氧化钠溶液调整羟胺溶液的初始pH，控制羟胺用量与酰胺的物质的量比为1:1，于60 ℃下反应 3 h，于85 ℃下反应2 h，考察pH及后加碱对改性过程的影响。其对进口铝土矿增浓溶出赤泥的分离沉降效果如表4所示。

表4 pH及碱用量对改性产物性能的影响

由表4可知：当初始羟胺碱溶液pH为8~12时，无论第2段是否有补加碱，FeCl3显色等级都较弱，赤泥沉降效果差，表明产物几乎不含有氧肟酸基团，低碱度条件下羟肟化很难进行；当pH＞12时，羟肟化及水解程度逐渐提高，FeCl3显色及赤泥沉降表明改性聚合物含有一定量的氧肟酸基团，但碱度过高时会导致改性产物性能有一定程度下降，这是因为溶液中高离子强度使得高分子链发生降解。同时，实验结果也表明：在总碱用量相同时，在羟肟化时加入加碱比水解时补加碱要有效得多。这是因为：一方面，羟胺在水溶液pH为5~9时最不稳定，降低了羟胺的利用率；另一方面，在碱催化作用下，促进了酰胺负离子的生成，进而利于羟胺的亲核加成−消除反应，加快了羟肟化反应进程[20]。因此，控制羟胺碱溶液初始pH为13.5，无需补碱。

2.4 聚丙烯酰胺浓度的影响

控制溶液pH为13.5，物质的量比1:1，通过补加水来调整体系聚丙烯酰胺浓度，于60 ℃时反应3 h，于85 ℃时反应2 h，测定改性聚合物对进口铝土矿增浓溶出赤泥的分离沉降效果，结果如表5所示。

表5 聚丙烯酰胺质量分数对改性过程及产物性能的影响

由表5可知：当聚丙烯酰胺质量分数大于10%时，在改性过程中由于反应釜内体系黏度过大，聚合物溶解不均匀等导致改性效果较差，改性产物的赤泥沉降性能很差；当质量分数为8%和6%时，聚丙烯酰胺水溶胶去羟胺碱溶液混合均匀，反应良好，改性产物的赤泥沉降速度均超过7 m/h，上清液澄清。考虑到产品有效固含的因素，控制聚丙烯酰胺质量分数为8%。

2.5 反应温度的影响

控制溶液pH为13.5，物质的量比为1:1，聚合物质量分数为8%等条件不变，通过调整温度来控制羟肟化和水解过程，改性聚合物对进口铝土矿增浓溶出赤泥沉降结果如表6所示。

表6 温度对改性产物的影响

由表6可知：在50 ℃时羟肟化程度低，温度升高有助于羟肟化进行，但在70 ℃时会导致羟胺分解速度加快，利用率大大降低，羟肟化与水解不均衡，因此，控制羟肟化温度为60 ℃左右。低温时水解较慢，而后续高温在促进水解的同时，也有助于氨气的释放和残留盐酸羟胺分解，消除危害，但温度过高，会加剧絮凝剂分子降解，因此，水解温度为85 ℃较合适。

2.6 与常见工业絮凝剂在进口铝土矿溶出赤泥沉降中的效果比较

用上述方法合成的氧肟酸型絮凝剂，与工业常用的絮凝剂Nalco9779(聚丙烯酸铵)、埃森KM800(氧肟酸)、氰特HX600(氧肟酸)、A661(聚丙烯酸钠)进行赤泥沉降实验对比。控制各絮凝剂用量为250 g/t干赤泥，考察不同类型絮凝剂对进口铝土矿低温拜耳法溶出赤泥浆液分离沉降的影响，结果如表7所示。

表7 不同类型絮凝剂的沉降实验结果

注：Nalco9779和A661均混浊，无明显分界面。

由表7可知：含有氧肟酸基团的自制絮凝剂、KM-800和HX-600对赤泥的沉降效果明显优于聚丙烯酸铵类Nalco 9779和聚丙烯酸钠类A661絮凝剂，特别是在上清液澄清度方面差异较大。这是因为进口矿通过低温拜耳法溶出时，铝土矿中针铁矿不能有效转化，造成溶出后赤泥中仍然含有较多的针铁矿，溶剂化能力强，可吸附较多的Al(OH)4−，Na+及结合水，严重降低了赤泥沉降性能，导致分离困难，浮游物含量增加。常规使用的聚丙烯酰胺和聚丙烯酸类高分子絮凝剂如A661和A9779等都不能很好地提高赤泥沉降效果，而KM-800等氧肟酸类絮凝剂中的—CONHOH(Na)官能团对铁有很强的吸附能力，能够与赤泥分错误！未指定书签。子强烈吸附，形成稳定牢固的赤泥絮团，有效地捕捉细小颗粒，从而明显提高上清液澄清度。同时，由于吸附没有诱导时间，故可以提高赤泥沉降速度。对比3种氧肟酸型絮凝剂沉降结果可知，自制絮凝剂沉降速度接近甚至超过国外同类产品的沉降速度，而且澄清度更高。

3 结论

1) 采用两段控温法直接对聚丙烯酰胺水溶胶进行羟肟化和水解改性，确定了合适的制备工艺：聚丙烯酰胺质量分数为8%，羟胺与酰胺的物质的量比为1:1，羟胺碱溶液pH=13.5，无需补碱，于60 ℃羟肟化3 h，于85 ℃水解2 h。

2) 所合成的氧肟酸型聚合物，FeCl3显色等级为3，对进口铝土矿增浓溶出赤泥有较好的沉降效果，沉降速度为7.41 m/h，上清液吸光度为0.205，浮游物含量低。改性聚合物分子结构中含有酰胺基、羧酸根及氧肟酸基团，为目标产物。

3) 与工业常用絮凝剂相比，自制氧肟酸絮凝剂在进口铝土矿低温拜耳法溶出赤泥中沉降性能优异，沉降速度达11.5 m/h，上清液吸光度仅为0.639，澄清度最高。

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(编辑 陈灿华)

Preparation of new hydroxamic acid flocculant and application for red mud settlement

LIANG Gaojie, CHEN Wenmi, FAN Shang

(School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China)

Using polyacrylamide hydrogel as the starting material, hydroxylamine hydrochloride and sodium hydroxide as modified reagent for hydrolyzing and oximation respectively, a new hydroxamic acid flocculant was prepared by the method of two-stage temperature control technology. Evaluated by the ferric chloride adsorption coloration, FT-IR and red mud flocculation performance of the product, optimum conditions were obtained. The results show that polyacrylamide concentration is 8%, pH of hydroxylamine alkali solution is 13.5, and no alkali is supplied.The molar ratio of hydroxylamine amide and hydroxamation is 1:1, at 60 ℃ for 3 h hydrolyzing and at 85 ℃ for 2 h, strong ferric chloride adsorption coloration and FT-IR were studied. Some hydroxamic and carboxylate functional groups were achieved in the polymer. The results show that compared with the performance of some commercial flocculants in the alumina industry, hydroxamic acid flocculant exhibits significant improvement of performance in the red mud flocculation, the settlement rate is 11.5 m/h, and the clarity of supernatant(absorbance) is 0.639.

hydroxamic acid; polyacrylamide; modified; flocculant; red mud settling

10.11817/j.issn.1672−7207.2017.02.004

TF841.1

A

1672−7207(2017)02−0295−07

2016−02−12；

2016−04−21

广东省教育部产学研重大项目(2009B090200053)(Project(2009B090200053) supported by the Education Department of Guangdong Province)

梁高杰，博士研究生，从事氧化铝生产工艺及絮凝剂合成研究；E-mail:csulgj@163.com