新型改性聚丙烯酰胺的合成及對汙泥調理效果的研究：

新型改性聚丙烯酰胺的合成及對汙泥調理效果的研究，傳統汙水處理技術在解決水汙染的同時，還產 生了大量的剩餘汙泥。為了防止剩餘汙泥汙染環 境，必須對剩餘汙泥進行妥善的處置。目前對剩餘 汙泥的處置有多種方式，如填埋、焚燒和堆肥等，但 無論采用何種方式處置汙泥，都必須對汙泥進行脫 水處理，以減小它的體積，便於儲存和運輸。汙泥脫 水己成為汙泥處理工藝中至關重要的一個環節，決 定了汙泥處理的成本[1]。

汙泥脫水主要是將汙泥中的吸附水和毛細水分 離出來，常用自然蒸發法和機械脫水法兩類。在汙 泥采用機械脫水前，一般先添加化學絮凝劑進行調 理，改善汙泥的脫水特性，以提高脫水效率。化學絮

縮、架橋和網捕等作用，使體係中的微粒脫穩、絮凝 而有助於沉降和過濾脫水。汙水處理中的汙泥為親 水性負電生物粒子，由於其粒徑較小且相對密度接 近於1因此在水中的分散性較強，汙泥的膠狀網 絡結構使其可壓縮性較大，脫水性能較差[M]。向 汙泥中投加有機或無機混凝劑，可提高其脫水性能; 其中，有機混凝劑能極大地提高汙泥過濾速度，但不能降低汙泥的可壓縮性；無機混凝劑對過濾速度的 提高作用不大，但可作為骨架使汙泥絮體在脫水時 保持多孔阻止絮體的崩潰，降低泥餅的可壓縮 性[4]。如何把無機和有機絮凝劑優點相融合，研製 新型高效絮凝劑，已成為該領域眾多學者目前研究 的重點。本實驗以丙烯酰胺為有機單體，引入Fe A lT金屬離子進行原位聚合，製備出新型改性聚丙 烯酰胺，不僅無機離子分散均一，整體材料結構均 勻，而且在適當條件下，兩者能以化學鍵形式鍵合保 持材料各性能的穩定[5]。在對汙泥脫水性能的研 究中，表現出良好的效果，同時節約了成本，一定程 度上緩解了汙泥處理代價高昂的壓力。

1實驗部分

1.1主要儀器和藥品

儀器：Z89-1型電動攪拌器、電熱恒溫水浴鍋、 KLWBC-1型汙泥比阻測定裝置、真空幹燥箱、美國 伯樂公司FTS-40型紅外光譜儀、烘箱、電子天平、

氮氣。

藥品:丙烯酰胺（AM )，化學純；過硫酸鉀，分析 純;亞硫酸氫鈉，分析純;氨水（25% ~ 28% );氫氧 化鈉;硫酸;還原性鐵粉;氯化鋁，引發劑。

1.2改性聚丙烯酰胺的合成 1 2 1聚丙烯酰胺合成方法

稱取一定量AM倒入四口燒瓶中，並加入85 mL的水，開動攪拌器，新型改性聚丙烯酰胺的合成及對汙泥調理效果的研究，使AM單體充分解，通入高壓 N2 10mh，以除去溶解氧。在通入〜過程中，向 AM水溶液滴入氨水（30°C )，加熱升溫，在50~ 60 °C時加入適量還原性鐵粉，20%氯化鋁溶液，以及引 發劑K2S2Os，同時用H2SO4或NJOH水溶液調節體 係的jH值。通N2完畢，恒定反應體係的溫度（不 超過70 °C )，反應4 h，停止加熱，攪拌，冷卻（為降 低粘度和流變性能，可進行低頻超聲處理）。在真 空幹箱中於一定溫度條件下熟化8 h即得淡黃色透 明均相膠體改性PAM，研磨成粉待用。

1 2 2最佳合成條件

在改性聚丙烯酰胺的合成過程中，單體質量濃 度、Fe/Af+物質量的配比、反應溫度、引發劑用量以 及反應時間無疑是確定改性聚丙烯酰胺最終絮凝效 時間設置在4~ 6 h，采用正交表實驗的方法來確定 最佳合成條件，正交實驗的安排見表正交實驗的 結果見表2〇

表1正交實驗安排

Table 1 Design of orthogonal experiment

因素

水平A： AM單體

濃度（％ )B: Fe/Af+ C:反應溫度D引發劑

質量配比 （°C ) 用量（％ )E:反應 時間（h)

1101: 1650. 064

2151. 5: 1700. 075

3202： 1750. 086

表2正交實驗結果分析

Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment

影響因子

實驗項ABCDE最佳含 水率（％ )比阻

測定

11111184 38. 27E11

21222283 97. 33E11

31333385 31. 09E12

42123383 23. 32E11

52231281 12. 61E11

62312180 11. 05E11

73132282 22. 34E11

83211183 74. 45E11

93323383 63. 21E11

為了確定最佳合成條件，實驗使用調理前後汙 泥的含水率和比阻作為調理劑效果的衡量指標。實 驗所用汙泥取自新鄉市小尚莊汙水處理廠的剩餘汙 泥，經測定，其基本性質如下:含水率約為94. 3%， 有機質含量為0.94%，汙泥比阻為1.24 x 1〇13m/ kg>

實驗在室溫下進行，實驗時，汙泥樣品置於100 mL燒杯中，新型改性聚丙烯酰胺的合成及對汙泥調理效果的研究，改性PAM分別以200 250、300、350、400 和450mg/L加入待測汙泥中，用攪拌器先快速攪拌 2m n然後慢速攪拌1 m i，靜置20m in後測定汙泥 比阻和含水率。根據實驗樣品的汙泥比阻和含水率 確定該種改性PAM的最佳投放量，最後根據不同條 件下合成的改性PAM在最佳投放量下對汙泥的調 理效果來確定改性PAM的最佳合成條件。

果的主要因素，為了尋找改性聚丙烯酰胺最佳合成取1~2以8改性？細，於壓片機上在29.4皿？3

條件，實驗將單體質量濃度控製在10% ~ 20%，Fe/壓力下，壓1 mi，製成直徑為13 mm、厚度為1 mm A lT物質量的配比設置在1: 1~ 2: 1，反應溫度設置的透明薄片。將此片裝於固體樣品架上，樣品架插 在65~爪，引發劑用量在眶~ 0_ ■，反應入陽，型紅外光譜儀的樣品池處.從4關〜650

1.3改性PAM的結構分析

1進行波數掃描，得到吸收光譜，據此可對物質 進行定性、定量分析。

1.4影響PAM汙泥調理效果的其他因素

實驗考察了水溫、攪拌速度對PAM汙泥調理效 果的影響。實驗所用的絮凝劑為實驗12部分篩選 出的調理效果最佳的絮凝劑，絮凝劑投加量為350 mg/L。在考察溫度對PAM汙泥調理效果的影響 時，實驗溫度可取15> 20、25和30°C,考察攪拌 速度對PAM汙泥調理效果的影響時，控製在快速 50 r/m iq f曼速 15 r/m h~ 快速 90 r/m in 慢速 25 r/m

2結果與分析

2. 1最佳合成條件的確定

PAM絮凝劑對同一批汙泥脫水性能的改善效果有 所不同，對汙泥的調理效果以及對汙泥比阻的影響 也有所差別。在實驗項6條件下合成的產品對汙泥 具有更好的脫水處理效果，在相同投加量條件下，降 低汙泥含水率數值最大，泥水分離效果良好，絮體密 實（見圖3),同時對汙泥比阻改善效果最佳，可使汙 泥比阻降低至1. 05 x 1011 m/kg

 

未絮凝絮凝後

 

在對聚丙烯酰胺的改性合成中，考察了單體質圖3改性聚丙烯酰胺絮凝劑對汙泥形態的影響

量濃度、Fe/A 物質量的配比、反應溫度、引發劑用Fig 3 E fect ofm odfcl polyaciylan He

量以及反應時間的影響。根據影響因素及各因素的〇n the Shape 〇f

水平，選用正交表安排實驗（表1),正交實驗結果 見表2=

 

通過對各因素的分析，以及對應實驗項的效果 比對，確定了最佳反應條件為A2B3GD2E,，新型改性聚丙烯酰胺的合成及對汙泥調理效果的研究，即單體 質量濃度為15%,金屬離子Fe/Af為2: 1反應溫 度為65°C,反應時間為4 h同時反應洱值為8在 此條件下合成的改性PAM具有最佳的脫水效率，含 水率可達80. 1%,同時大幅降低汙泥比阻，使得汙 泥脫水處理性能更加優異。

2. 2最佳投放量的確定及分析

對調理前、後汙泥的沉降性能和過濾性能進行 定性和定量分析（沉降性能以沉降時絮體的大小、 密實度為評價指標;過濾性能以調理前、後汙泥的含 水率、汙泥比阻為評價指標）161,確定處理效果最優 的投加藥量。

取5份汙泥樣品分別置於100 mL燒杯，將改性 PAM絮凝劑以不同劑量依次添加到各燒杯中進行 調理，用攪拌器先快速攪拌2 miq然後慢速攪拌1 m iq靜置20m in後，觀察泥水分離情況以及絮體大 小和形狀，用布氏漏鬥進行抽濾，測定相應的含水率 和汙泥比阻。結果如表3所示。

在圖1和圖2中，各實驗項條件下合成的改性

© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, https://wwwxnki.net

表3最佳投放量分析

Table 3 Analysis of the bestdose of flocculant

投加量（mg/L)

200250300350400原汙泥

絮體顆粒小中等大大大塊細小

含水率（％.)83 482. 380. 180 180 294 3

比阻（mWkg)3. 21E11 2. 34E111 15E111 92E113 17E111. 24E13

絮凝是一個複雜的化學動力學過程，攪拌速度性汙泥中投加改性歷會使汙泥絮體表麵的胞外 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, https://www.cnki.net

由表3可知，隨著投加量的增加，絮凝體逐漸增 大，顆粒凝聚現象明顯。含水率和汙泥比阻先增加 後有所下降，產生上述現象的原因是加入改性PAM 後，帶電的膠體進行吸附電中和，並通過架橋作用形 成大而結實的絮體，提高了汙泥脫水性能，但隨著投 加量的增加，較多的有機絮凝劑可能會在膠體顆粒 表麵形成覆蓋，使膠體分子重新脫穩而分散。實驗 發現，當投加量在300mg/L時，汙泥脫水效果最佳，新型改性聚丙烯酰胺的合成及對汙泥調理效果的研究， 對汙泥比阻的改善性能明顯。

2. 3汙泥脫水影響因素實驗 2 3 1溫度對汙泥比阻的影響

實驗考察了不同溫度條件下，改性PAM絮凝劑 對汙泥脫水性能的影響。研宄發現，隨季節變化，不 同溫度條件下汙泥的結構有所不同，汙泥比阻隨溫 度的變化如圖4所示。

 

F ig 4 Changes of specific resistance of sludgew iti temperature

研宄中發現，隨著溫度的升高，改性PAM絮凝 劑對汙泥比阻具有更好的處理效果，汙泥比阻逐漸 下降，過濾速度明顯加快，汙泥菌膠團結構更容易分 散破壞，釋放包含其中的水分為自由水而更容易脫 去，溫度升高有利於汙泥顆粒團聚，粒徑增大，增加 相互碰撞、粘結幾率，最終沉澱。

最佳投放量實驗在夏季室溫條件下進行，一般 在24~ 27 °C,在相應投加量下汙泥脫水性能改善效 果最佳，可見夏季汙泥處理相對較易。實驗測定了 不同季節溫度條件下，汙泥脫水所需絮凝劑改性 PAM最佳投放量，夏季溫度條件好，最佳投放量為 300mg/U春秋兩季按5%增加投藥量，冬季按10% 增加投藥量，也可取得良好絮凝效果。

2 3 2撹拌速度對汙泥脫水的影響

對絮凝效果有較大的影響。如果攪拌不充分，則絮 凝劑和汙泥不能進行充分混合，從而影響絮凝效果； 如果攪拌太過強烈，又會把已經形成的絮體打碎，也 對絮凝過程不利。當攪拌速度為快速90 r/miV漫 速25 r/min時，測定結果顯示，汙泥比阻值較小，隨 著攪拌速度的加快，比阻略有增加，但增幅不明顯， 而當攪拌速度為快速50 r/m in慢速15 r/m in時，測 定汙泥比阻值較高，脫水性能較差，說明攪拌速度過 低，不利於絮凝劑的溶解和絮凝作用的發揮。

3改性PAM的IR圖譜分析

將在優化條件下合成的聚合物采用溴化鉀壓片 法製樣，在FTS-40型紅外光譜儀上對傳統PAM和 新型改性PAM的結構進行分析（圖5和圖6)。圖5 中3 350 cm 1為胺基一NH2的伸縮振動吸收峰； 2 943