二甲基二烯丙基氯化铵共聚物合成条件对其絮凝特性的影响

刘 灏 ，黄家榜 ，孔殿超 ，张 静

（1.合肥东方美捷分子材料技术有限公司，安徽 合肥 230001；2.污水净化与生态修复材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088）

絮凝剂可有效去除废水中的悬浮物、胶体及部分溶解性有机物质，是目前废水处理工程中常用的处理药剂。絮凝剂按化学成分可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。常用的无机絮凝剂包括铁制剂系列（硫酸铁、三氯化铁等）和铝制剂系列（如明矾、硫酸铝等）[1]。铁盐和铝盐作为水处理絮凝剂使用时，具有反应速度快、价格低廉等优点，但其絮凝效果易受废水水质特征（如pH、Cl-1及S2-浓度等因素）影响，且存在投药量大、污泥产量多、后处理成本高等问题。与无机絮凝剂相比，有机絮凝剂具有适用范围广、投药量少、产生污泥量少、后处理简单等优势[2-3]。

二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）与丙烯酰胺（AM）共聚物PDA是一种强阳离子型高分子聚合物[4]，作为絮凝剂用于水处理时,不仅可发挥“电中和”作用，还有“吸附架桥”作用，其水溶性好、电荷密度高，絮凝效果好[5]。不同投料比、反应时间、反应温度及引发剂用量下的PDA共聚产物的性质差异较大，其絮凝除浊作用亦不相同。本文从此角度出发，探究了PDA的合成条件与产物絮凝除浊性能的关系，以期获得具有最优絮凝效果的共聚产物。研究表明，无机絮凝剂和有机絮凝剂复配使用，可取长补短，起到降本增效的作用，因此本文亦对PDA共聚产物与无机絮凝剂联合使用时的絮凝除浊性能进行了考查。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

XZ-0101浊度测试仪（上海海恒机电仪表）；恒温磁力搅拌器（雷磁）；HH-S2数显恒温水浴锅（合肥三元化玻有限公司）；500 mL三口圆底烧瓶；温度计。

二甲基二烯丙基氯化铵（60%水溶液，国药集团化学试剂有限公司）；丙烯酰胺（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；聚二甲基二烯丙基氯化铵（实验室合成）；过硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；链终止剂B；高岭土。

1.2 PDA共聚物的合成

将200 mL DMDAAC溶液置于三口烧瓶中，氮气保护下加入一定量过硫酸钠溶液，搅拌5min后缓慢滴加AM水溶液，控制温度反应一定时间后加入链终止剂B终止反应，5min后加入200mL蒸馏水冷却至室温，得到试验产物PDA。

1.3 除浊试验

称取计量的高岭土，用蒸馏水配成剩余浊度约为50～55NTU的模拟废水，测定加入絮凝剂前后的水样剩余浊度，按下式计算除浊率：

2 结果与讨论

2.1 合成条件对PDA絮凝除浊性能的影响

本文在考查反应温度、反应物比例、反应时间对合成产物除浊效果的影响时，控制引发剂过硫酸钠用量为0.06%，以对浊度为50～55NTU的高岭土溶液的除浊率为参照指标，添加0.3g/L用量PDA进行除浊效果考查；采用单因素控制法对共聚物PDA的合成条件进行优化，最后考查了引发剂用量对絮凝除浊性能的影响，得到最优合成条件下的PDA共聚物。

2.1.1 DMDAAC和AM反应比例对PDA除浊性能的影响

设定反应时间为3h，反应温度为55℃，改变DMDAAC和AM的反应物摩尔比进行PDA的合成，反应产物的除浊性能见图1。观察可知，当DMDAAC和AM反应比例不断增加时，PDA的除浊效率呈现先增大后减小的趋势。当DMDAAC和AM反应摩尔比为15∶1时，其对高岭土模拟废水的除浊率达到最大（55.7%）。由图分析可知，当单体浓度过高时，随着聚合反应的进行,体系粘度升高,反应热不易散出，体系温度急剧上升,容易发生爆聚[6-7]，得到的高分子量产物趋近于胶体，水溶性差，除浊效果减弱。综上可知，DMDAAC和AM的最佳反应摩尔比为15∶1。

图1 DMDAAC与AM反应比例对PDA除浊性能的影响

2.1.2 反应时间对PDA除浊率的影响

控制DMDAAC和AM反应摩尔比为15∶1，反应温度为55℃，改变反应时间，考查反应时间对PDA絮凝除浊效果的影响，如图2所示。随着反应时间的增加，共聚物的除浊率呈现先增大后减小趋势，当反应时间达到4h时产物的除浊率达到最高（70.7%），继续延长反应时间，共聚物PDA的除浊率降低。

2.1.3 反应温度对PDA除浊率的影响

控制DMDAAC和AM的反应摩尔比为15∶1，反应时间为4h，考查反应温度对PDA的絮凝除浊效果影响（见图3）。图3表明，当反应温度低于30℃时，体系反应进行缓慢，所得产物分子量极低，对模拟废水无除浊效果；当反应温度大于30℃时，所得的PDA对模拟废水有除浊作用，且除浊率随反应温度的升高呈先增大后减小趋势。反应温度为50℃时，PDA对模拟废水的除浊率达到最大（75.9%），继续提升反应温度，PDA的除浊率显著下降。试验表明，此条件下共聚反应体系易发生爆聚，使产物凝胶化，水溶性下降，进而导致除浊率急剧降低。

图3 反应温度对PDA除浊性能的影响

2.1.4 引发剂过硫酸钠的用量对产品性能的影响

控制DMDAAC和AM的反应摩尔比为15∶1，反应时间为4h，反应温度为50℃，改变引发剂过硫酸钠的用量，探究引发剂用量对反应引发效果（引发时间和产物性状）的影响（见表1）。试验表明，引发剂低于0.05%时，反应引发较慢或未进行，当引发剂用量大于0.06%时，反应引发较快，当引发剂用量大于0.08%时，反应容易引发爆聚，形成凝胶。

表1 过硫酸钠用量对反应引发效果的影响

根据表1产物性状特征，选取引发剂用量为0.05%～0.08%四组共聚产物进行絮凝除浊实验（见图4）。对比可知，过硫酸钠用量在0.07%时具有最优的除浊效果，除浊率可达77.5%。

图4 过硫酸钠用量对PDA除浊性能的影响

综上所述，当DMDAAC与AM的摩尔比为15∶1时，反应温度为50℃，反应时间为4h时，合成得到的PDA具有最佳的除浊效果，0.3g/L投药量对模拟废水的除浊率达到77.5%。

2.2 PDA与PDMDAAC的除浊性能比较

室温下分别向模拟废水中添加等量的PDA或PDMDAAC，考查这两种絮凝剂的投药量对除浊效果的影响（见图5）。试验表明，PDA投加量为0.4g/L时对模拟废水的除浊效果最佳，除浊率达80.5%；PDMDAAC添加量为0.5g/L时，达到最大除浊率（63.5%）。继续加大絮凝剂投药量时，除浊率呈下降趋势，原因是部分絮凝剂未充分溶解，悬浮于处理后的废水中呈胶体状态，增加了剩余浊度。试验结果表明，与PDMDAAC相比较，PDA的絮凝除浊效果更好，且用量更低。

图5 PDA与PDMDAAC除浊性能对比图

2.3 PDA、硫酸铝联合使用对模拟废水除浊效果

图6 PDA与硫酸铝联合使用对除浊性能的影响

使用无机絮凝剂硫酸铝与PDA联合作用对高岭土模拟废水进行絮凝除浊实验，设定PDA用量为0.4g/L，改变硫酸铝的用量，考查硫酸铝与PDA协同作用下对模拟废水除浊效果，见图6。分析可知，随着硫酸铝用量的增加，除浊率呈先上升后下降的趋势，当硫酸铝用量为3 g/L时，除浊率达到最大值（85.6%），当硫酸铝用量继续增加时，除浊效果反而逐步降低。与单独使用PDA相比，PDA与无机絮凝剂硫酸铝联合使用时，硫酸铝可以提升PDA的絮凝除浊效果。

3 结论

（1）具有最佳絮凝除浊效果的PDA的合成条件是DMDAAC与AM反应摩尔比为15∶1，引发剂过硫酸钠用量0.07%，反应温度为50℃，反应时间为4h。

（2）对高岭土模拟废水进行絮凝除浊试验，PDA的絮凝除浊最佳用量为0.4g/L，与PDMDAAC相比，PDA具有用量少、絮凝除浊效果更佳的特点。

（3）PDA和硫酸铝联合使用时，硫酸铝可有效增强PDA的絮凝除浊性能。

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