用于污水處理的陽離子高分子絮凝劑的合成

剛利超

在現(xiàn)代水處理工藝中，混凝技術占有非常重要的地位。陽離子絮凝劑是污水處理中使用效果最好、應用最廣泛的水處理劑之一。因此，開發(fā)新技術，新工藝，生產(chǎn)高效無毒，質(zhì)量高，效果好，成本低，批量化的陽離子有機高分子絮凝劑對于提高我國水處理能力具有十分重要的現(xiàn)實意義。DMC的均聚物與丙烯酰胺（AM）合成產(chǎn)生的共聚物聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（CPF）是一種多功能、高活性的陽離子高分子絮凝劑。本文主要研究的是DMC的均聚物PDMC的合成及最佳合成工藝的確定。

1 合成實驗儀器和藥品

實驗儀器：JJ-1電動攪拌器，電熱恒溫水浴鍋，四口瓶，冷凝管，DTG160電子天平，秒表，N2氣。

實驗藥品：甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），（工業(yè)級，質(zhì)量分數(shù)≥78%，）過硫酸鉀（K2S2O8）（分析純）亞硫酸氫鈉（NaHSO3）（分析純），實驗用水為蒸餾水。

2 合成實驗的裝置

實驗的主要內(nèi)容為陽離子絮凝劑的合成、合成絮凝劑的性質(zhì)評價及應用評價。其中合成裝置如下圖所示。合成過程是將原料按照配方配置好加入四口燒瓶中，分別裝好攪拌器、冷凝管、溫度計、氮氣通入管，并將四口燒瓶置于恒溫水浴中。

3 合成實驗的內(nèi)容

在藥品稱量完畢后遂將四口瓶的四個口用濾紙暫時封住。然后依次將事先用蒸餾水清洗干凈的攪拌器、溫度計、冷凝管和氮氣通入管裝在四口瓶的四個口上。攪拌器事先套入液封玻璃管并加水液封，裝入四口瓶固定，調(diào)整位置，打開攪拌開關，確保攪拌過程不會與四口瓶壁、瓶底以及溫度計、氮氣通入管彼此不干擾。

反應裝置安裝完整并穩(wěn)固之后，打開冷凝管，將冷凝水流速控制在微小流動的范圍內(nèi)，這個范圍足以對反應的四口瓶進行冷凝，同時又節(jié)約了水源。同時打開氮氣瓶，觀察氮氣量的大小，將氣泡控制在每秒一到兩個的范圍內(nèi)。然后在水浴鍋內(nèi)加入自來水，水量控制在液面高度沒過四口瓶瓶身接近瓶頸的范圍內(nèi)，因為水浴鍋的加熱裝置位于鍋底，所以液面高度控制在這個范圍內(nèi)有利于水浴溫度均勻的擴散到四口瓶內(nèi)。加水完畢后打開溫度控制開關，按預先設定的合成方案調(diào)整溫度值。

待通入氮氣并加熱10分鐘后，將預先稱好的引發(fā)劑通過氮氣通入的膠管打入四口瓶內(nèi)，加入順序為先氧化劑后還原劑。這個過程要密切注意整個體系的溫度變化情況，隨時記錄預設溫度，水浴溫度和溫度計顯示溫度，留待以后對比分析。

通常要記錄大約十分鐘的溫度變化情況。待溫度變化穩(wěn)定之后，開始計時，通常這個時候也同時停止通入氮氣。然后將冷凝管用濾紙封口，留縫，以保證裝置的密封。

開始計時后，每隔一個小時測一次粘度值。待到開始計時四個小時之后，終止反應，將合成產(chǎn)品裝入事先清洗干凈的塑料瓶中備用。然后拆散反映裝置并清洗干凈。

根據(jù)合成產(chǎn)品的特性表征，可以得到PDMC的最佳配方如下：最適反應溫度為53℃-57℃；最佳引發(fā)劑用量為整個體系的1.54%（wt）；最適質(zhì)量濃度為30%-33%（wt）。由于本次實驗主要完成的就是DMC的均聚以及其性能表征，而DAC得均聚只是一種參照，所以并未將DAC的均聚產(chǎn)物及應用性能做詳細的剖析，但從合成的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品的性能表征可以看出DAC的均聚條件相對DMC較容易。

4 合成條件的確定

合成PDMC的主要影像因素為反應溫度、單體濃度、引發(fā)劑用量。本實驗在確定最佳合成工藝參數(shù)時采用兩個指標進行比較，即絮凝劑的陽離子度和絮凝劑的絮凝效果對比。

4.1 反應溫度的確定

通過對比不同溫度下產(chǎn)品的陽離子度、粘度和絮凝效果可以得到如下結(jié)論：陽離子度隨溫度的升高而增大，這同粘度隨溫度的變化趨勢一致。在57℃條件下出現(xiàn)了波動（Y-09-10），這可能是由于合成實驗進行到一定程度時，第一批藥品已經(jīng)用盡，所以不得不使用第二批藥品進行合成。由于時間和條件的限制，沒有對這個問題進行論證。對于絮凝效果的比較而言，53℃-57℃時，ABS和濁度都有最大的去除率，而COD最大去除率出現(xiàn)在57℃的條件下。因為用恒溫水浴鍋合成產(chǎn)品的過程中，難免要產(chǎn)生上下兩度的溫差，所以我們可以將最適反應溫度定為53℃-57℃。

4.2 單體濃度確定

通過對比不同單體濃度下產(chǎn)品的陽離子度和絮凝效果可以得到如下結(jié)論：陽離子度隨溫度的升高而增大，粘度與之變化相同。隨著單體濃度的增加，共聚物絮凝效果先是呈上升趨勢然后下降。這主要是由于單體濃度的改變對聚合物的平均聚合度產(chǎn)生影響，隨單體濃度的增加，共聚物相對分子質(zhì)量先增加后減少。單體濃度過低時，單體之間接觸和碰撞的幾率小，不利于分子鏈的增長，且反應速率慢，時間長，聚合不完全。單體濃度的升高有利于反應的進行，這主要是由于單體濃度增加后，單體分子與活性鏈碰撞機會增加致使聚合反應速率加快，共聚物相對分子質(zhì)量出現(xiàn)極大值。當單體濃度繼續(xù)增高時，聚合放出的熱量不能及時移走，聚合體系內(nèi)溫度升高，引發(fā)速度加快，甚至出現(xiàn)交聯(lián)，使聚合物相對分子質(zhì)量降低。單體含量越高，這種現(xiàn)象越明顯。因此，實驗最佳單體濃度確定為30%-33%（wt）。

4.3 引發(fā)劑用量的確定

在不同的引發(fā)劑用量條件下進行合成實驗，然后對合成產(chǎn)物的陽離子度及其對高濁度水的絮凝效果進行對比，從而確定最好的反應溫度，實驗結(jié)果如圖2所示：

通過對比不同引發(fā)劑用量下產(chǎn)品的陽離子度和絮凝效果可以得到如下結(jié)論：陽離子度隨發(fā)劑用量的升高而增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，粘度隨引發(fā)劑用量的變化趨勢與之相同。隨著引發(fā)劑用量的增加，共聚物絮凝效果呈上升趨勢然后下降。實驗結(jié)果表明，當引發(fā)劑用量很少時，單體轉(zhuǎn)化率不高，絮凝效果不好；當引發(fā)劑增至適當濃度.，聚合反應完全，絮凝效果好；而引發(fā)劑濃度再升高時，體系中自由基濃度增加，使得溫升速率過大，反應熱增加，致使分子鏈斷裂，影響絮凝效果。實驗結(jié)果符合自由基聚合反應規(guī)律。因此實驗確定的合成反應引發(fā)劑最佳用量為1.54%。

參考文獻

[1]湯鴻霄等.我國無機高分子絮凝劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與規(guī)劃[J].工業(yè)水處理2000，20（11）：1～6