AM-DMC-DMAA共聚物絮凝剂的双水相法制备及应用

摘要

聚丙烯酰胺工业是二十世纪五十年代开始发展的，1952年美国氰氨公司首先进行了聚丙烯酰胺工业生产的开发研究，两年后投入大规模生产。1962年后，我国多家研究院（如吉林化学工业公司研究院）所研制的聚丙烯酰胺相继投入生产，产品主要是阳离子型聚丙烯酰胺、亚胺基聚丙烯酰胺、非离子型聚丙烯酰胺。研究开发的热点主要集中在合成高分子量聚丙烯酰胺。
　　聚丙烯酰胺是一种重要的水溶性高分子，它的水溶性好，分子量、离子种类和程度可调节，广泛应用于絮凝、增稠、减阻、凝胶、粘结、阻垢等领域，聚丙烯酰胺一般采用均相水溶液聚合方法制备，其优点是工艺简单，但随着反应的进行，聚合体系粘度急剧升高至不能流动，导致搅拌困难，反应热难以排除，反相悬浮、反相乳液及沉淀聚合一定程度上可缓解聚合体系粘度问题，但因需使用大量有机溶剂而受到限制。水溶液聚合法克服了聚丙烯酰胺在传统聚合过程中的反应体系粘度大，反应的热很难传递，产物也较难溶解的问题，具有了对环境的污染小，溶解的速度快，反应体系的粘度降低等优点，其产品以及制备的技术都对相关研究有很重要的意义，所以我们对此进行了一定程度的研究。
　　聚合物水相体系由两种不相溶的聚合物水溶液组成，其在生物活性物质和蛋白质分离方面应用已近半个世纪，法国学者将聚氧化乙烯、聚2-乙烯基氯化吡啶和氧化乙烯-2-乙烯基氯化吡啶共聚物这三种水活性聚合物溶液进行混合时，得到一种稳定的、低粘度的分散体系。借鉴这些思想的提出，将一种水溶性单体溶解在另一种水溶性聚合物的水溶液中，本实验在常规的反应体系中加入了另外一种单体N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，以及加入了无机盐，以便于合成了更加稳定的，絮凝效果更加好的聚合产物。
　　阳离子高分子絮凝剂是一种线性的水溶性的高分子的聚合物，在生活与工业的污水处理等的方面都得以广泛的应用。现在我国的生产聚丙烯酰胺(PAM)的厂家多数部分生产的是阴离子型的聚丙烯酰胺的粉末状的，而生产阳离子型的聚丙烯酰胺的数量则是很少的，而绝大部分的产量都是在100t/a以下。很多年来，我国的国产的PAM在质量、数量以及种类等上都远远不能满足我国国内的生产所需。所以年进口量约四万吨。目前，在美国，乳液型的高分子絮凝剂在市场上的需求量已经达到了75％左右，在日本，高分子乳液型的絮凝剂的市场需求量也已经占到了10％左右。可见，乳液型的高分子絮凝剂的明显的性能等方面的优势已经得到了人们的公认。所以我们可以预测以后的乳液型高分子的每年的需求量肯定会越来的越多。阳离子絮凝剂不但可以通过电荷的中和可以使胶体颗粒絮凝，而且还可以通过链状的高分子聚合物在静电引力、氢键力以及范德华力等的作用下通过活性的基团与胶体颗粒的细微的悬浮物之间发生桥连吸附的过程，从而使得胶体颗粒絮凝，而且还可以和带负电荷的溶解物进行反应，生成了不溶性的盐。阳离子絮凝剂对无机物与有机物都有非常好的絮凝和净化的效果，而且使用的pH值得范围也比较宽，毒性也很小，用量也很少，这些也都是絮凝剂研发的特点。本实验，我们将研究阳离子聚丙烯酰胺的絮凝剂的制备的方法，并且讨论了在各种不同的因素的影响下，其絮凝性能与特性粘度所发生的变化。
　　本实验采用双水相法制备，以丙烯酰胺（AM），N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为共聚单体，氧化还原引发剂制备了分子量大，性能稳定的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)乳液。研究了引发剂的加入量、单体的配比及浓度、反应的温度、反应的时间、分散剂，无机盐的用量等对制备的聚合产物的特性粘度的影响，对合成产物进行了性能检测与结构表征，并研究了其对油田污泥和造纸污水的絮凝效果。
　　(1)结果表明合成的优化条件是:单体总浓度33％，AM、DMC与DMAA的质量配比为2～4∶0.8～1.2∶0.15～0.25，氧化还原剂含量为单体的0.2％～0.5％（氧化剂∶还原剂=1），分散剂与单体的总质量比为0.8，无机盐占单体的0.5％～2％，温度45℃，反应4～6h。实验表明合成的产物对油田污泥也具有很好的絮凝效果。
　　(2)通过FTIR和紫外分光光度计，乌氏粘度计等测定了合成的聚合物的结构中存在AM，DMAA以及DMC的结构单元;通过对共聚单体转换率的计算，实验测得单体转化率为94.9％;通过对聚合物特性粘度的测试，实验测得共聚物的相对分子质量达到463万左右;通过对阳离子度的测定，实验测得聚合物的阳离子度3.5mmol/g;通过使用紫外分光光度计，实验表明，聚合产物在一定的浓度时，其絮凝效果良好。
　　(3)通过对聚合过程中无机盐的加入种类及用量对聚合产物稳定性的影响的测试，结果表明，我们需要进一步提高聚合物的耐盐性能。
　　(4)通过对聚合产物粘弹行的测试，实验表明所制备的产物有较好的粘弹性。
　　(5)通过对油田淤泥的絮凝实验，结果表明，在AM、DMC与DMAA的质量配比为2～4∶0.8～1.2∶0.15～0.25，氧化还原剂含量为单体的0.2％～0.5％（氧化剂∶还原剂=1），分散剂与单体的总质量比为0.8，无机盐占单体的0.5％～2％，温度45℃，反应4～6h，合成的产物对油田污泥具有很好的絮凝效果。
　　(6)通过对造纸污泥的絮凝实验，结果表明，在温度为45℃，反应时间为4～6h，AM、DMC与DMAA的质量配比为2～4∶0.8～1.2∶0.15～0.25聚合产物对造纸污水的处理有最佳的浓度。

目录

摘要

符号说明

1 文献综述

1．1 聚丙烯酰胺的分类

1．2 制备阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)的主要聚合方法的介绍

1．2．1 反相悬浮聚合

1．2．2 均相水溶液聚合

1．2．3 反相乳液聚合

1．2．4 沉淀聚合

1．2．5 其他的聚合方法

1．3 双水相乳液的简绍

1．3．1 双水相乳液的含义

1．3．2 双水相乳液的研究进展

1．3．3 双水相乳液聚合的机理

1．4 双水相乳液体系的分相

1．4．1 双水相乳液的相图

1．4．2 主要影响相分离的因素

1．4．3 各物质的疏水图

1．5 阳离子聚丙烯酰胺的简介

1．5．1 简介

1．5．2 主要技术指标

1．5．3 阳离子聚丙烯酰胺的固态外形

1．5．4 安全、防护、包装及储存

1．5．5 阳离子聚丙烯酰胺的乳液外形

1．5．6 阳离子聚丙烯酰胺乳液的微观检测

1．6 论文的立项背景以及研究思路

1．6．1 课题的立项背景

1．6．2 课题的研究思路

2 实验部分

2．1 药品

2．2 仪器

2．3 实验装置图

2．4 自由基聚合的原理

2．5 试验方法

2．5．1 聚合反应

2．5．2 共聚单体转化率的计算

2．5．3 产物特性粘度的测定

2．5．4 产物相对分子质量的计算

2．5．5 产物阳离子度的测定

2．5．6 产物透光率的测定

2．5．7 聚合产品红外光谱的分析

3 结果与讨论

3．1 影响体系粘度的因素

3．1．1 阳离子单体的选择

3．1．2 不同引发体系对聚合物的单体转化率的影响

3．1．3 pH值的影响

3．1．4 无机盐的用量对共聚物特性粘度的影响

3．1．5 引发剂的用量对共聚物特性粘度的影响

3．1．6 分散剂的种类及用量对共聚物特性粘度的影响

3．1．7 反应体系的温度对共聚物特性粘度的影响

3．1．8 单体配比对共聚物特性粘度的影响

3．1．9 体系的反应时间对共聚物特性粘度的影响

3．2 影响体系稳定性及外观的因素

3．2．1 PAM的质量分数(占溶液的)对体系的影响

3．2．2 DMC的质量分数对体系的影响

3．2．3 无机盐的种类对体系的影响

3．2．4 无机盐的质量分数(占单体的)对体系的影响

3．2．5 还原剂与氧化剂的质量分数比对体系的影响

3．2．6 聚合体系的温度对体系的影响

3．2．7 单体DMAA的质量分数对体系的影响

3．3 聚合产物对油田污泥的处理效果

3．3．1 CPAM的浓度对絮凝效果的影响

3．3．2 不同的絮凝剂对油田污泥的处理效果

3．3．3 CPAM的浓度对造纸污水絮凝效果的影响

4 结论

5 本课题的创新点

5．1 后续研究

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

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