阳离子聚丙烯酰胺序列结构对污泥调理性能影响研究

发布时间：2020-06-15 09:54

【摘要】：阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）是我国目前使用量最大的污泥调理剂，随着污水排放量日益增多和处理深度的加大，污泥的处理量快速增长，与此同时，对CPAM需求量也急剧上升。我国的CPAM制备技术仍有待进步提升，但传统的聚合方法一般仅通过提高CPAM的分子量来提升其调理性能，较少关注CPAM的序列结构对污泥调理性能的影响，也尚未见以优化CPAM的序列结构来提升污泥调理性能的研究。论文首先研究了阳离子度对CPAM序列结构的影响规律，在此基础上分析了不同序列结构CPAM对污泥调理性能的影响，分析得到具有较好污泥调理性能CPAM所需具备的序列结构特征，在此基础上论文进行了紫外光引发模板聚合CPAM的研究，主要内容和结论如下： ①研究了紫外光引发水溶液聚合条件下丙烯酰胺（AM）和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DAC）的竞聚率,并计算分析不同阳离子度CPAM的序列分布特征。发现随着阳离子度的增加，AM链段长度减小，而阳离子单元则分布更为集中。通过红外光谱、差热-热重、核磁共振氢谱(1H NMR)和核磁共振碳谱(13C NMR)等证实了共聚物的组成，其中通过1H NMR图谱证实聚合产物确实由AM和DAC发生共聚得到，论文首次提出可通过1H NMR图谱来分析P(AM-DAC)阳离子单元的序列分布特征。 ②比较不同阳离子度CPAM的投加量对调理后污泥的上清液浊度、泥饼含水率、污泥比阻的影响，发现阳离子单元的集中程度与最优投加量呈反相关关系，指出序列结构的不同应是产生调理性能差别的根本原因，同时指出阳离子度低且阳离子单元分布较为集中的CPAM应具有更好的污泥脱水性能。 ③以AM和DAC为聚合反应单体，以低分子聚丙烯酸钠(PAAS)为阳离子单体的模板，采用紫外光引发方式模板聚合了CPAM。分析测定了不同模板单元与阳离子单体之比（以T:D表示）时AM和DAC的竞聚率，发现添加模板以后AM的反应活性有所下降，而DAC的反应活性得以提升，当T:D=1.0时AM的竞聚率最低且DAC的竞聚率最高,该聚合物的阳离子单元分布最为集中。通过红外光谱、差热-热重分析、1H NMR、13C NMR等表征方式进一步认识该类聚合物的结构性质。其中，1H NMR图谱证明AM和DAC确实发生了共聚反应，通过模板聚合得到的CPAM的阳离子单元分布更为集中。 ④为提高模板聚合物的架桥性能，以聚合物的极限粘度为优化指标，通过单因素实验与多因素正交实验，对制备条件进行了优化，结果表明：在T:D=1.0时，单体总质量分数为30%，DAC质量分数25%，引发剂浓度0.065%，反应体系pH=4.5，尿素浓度0.3%，紫外光照射时间60min的实验条件下，制备得到的模板聚合物极限粘度最高，可达到11.42dL/g；各因素对模板聚合物的极限粘度的影响顺序依次为：DAC质量分数、pH、引发剂浓度、尿素浓度、紫外光照射时间。 ⑤将模板聚合物与不加模板所得到的产品进行了对比研究分析了不同絮凝剂的脱水性能和机理。发现在T:D=0.5条件下所得CPAM的污泥脱水性能最好，因为这类絮凝剂在污泥调理过程中的电中和作用和架桥作用均比较突出。对比分离模板和未分离模板产品的污泥脱水性能后发现，前者要优于后者，产生这一现象的机理是模板的存在影响了模板聚合物的电中和性能。由于实验室自制的CPAM的污泥脱水性能优于市售CPAM，且使用成本更低，因此该类絮凝剂具有良好的市场应用前景。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703
【图文】：

示意图,嵌段结构,序列分布,絮凝

率就越高[25]。因此，目前很多的 CPAM 合成研究均是以提高聚为优化目标[40, 108-111]。但是，CPAM 的相对分子量越高并不代表，Saveyn 等研究指出尽管分子量较高的 CPAM 在很小的投加量小的上清液，但是所产生的泥饼比较松散，可压缩性比较低，较低[37]。子度指的是阳离子单元数目占整个阳离子聚丙烯酰胺的单元总数法的不同，一般使用摩尔比，也可以用质量比。它是影响 CPA要指标。首先，阳离子度与 CPAM 电中和性能密切相关，一般中和性能越好。其次，阳离子度也影响 CPAM 在水溶液当中的子链上的阳离子电荷之间会产生一定的斥力，该斥力的大小链在水溶液中的伸展程度[112]。因此，有学者提出阳离子度可决定颗粒表面上的形态，进而决定其主要的絮凝机理[113]。这一理论的证实，他们发现不同阳离子度的 CPAM 表现出不同的絮凝机理阳离子单体价格较高，仅通过提高阳离子度来提升 CPAM 的絮

合成反应,玻璃瓶,聚合产物

2.2.2 P(AM-DAC)的合成C1, C4 和 C7 均由 AM 和 DAC 在紫外光引发下得到的。将一定量 AM 和 DAC用超纯水溶解在透明磨口玻璃瓶中，而后添加尿素并溶解，使用稀 HCl 和 NaOH调节反应体系 pH 值，通氮气驱氧 15min 以后迅速加入引发剂，然后再通氮气 15min后将反应容器密封后置于图 2. 1 所示的反应装置中,开启紫外灯同时开启冷却循环水进行合成反应，在反应 60min 以后玻璃瓶中的液体转换为透明的胶体状固体，此后将玻璃瓶置于常温条件下 2h 进行熟化即可得到聚合产物。将所得到的聚合产物剪碎经丙酮提纯、无水乙醇清洗后放置于真空干燥箱内，在温度 60℃的条件下烘干，干磨、粉碎后即获得 C1、C4 和 C7 的粉末状产品。C1、C4 和 C7 可能的化学反应方程式如下：

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