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《重庆大学》 2015年
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紫外光引发疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺及其絮凝性能研究

廖熠  
【摘要】:阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是一种使用广泛的有机高分子絮凝剂,而对CPAM进行疏水改性而形成的疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺(HACPAM)因为疏水缔合作用的增强,能强化高分子和污水中胶体颗粒的相互作用,并提高絮体的相转变能力,具有更好的絮凝性能。此外,在合成聚合物的各种引发方式中,紫外光引发具有能耗低、时间短、操作简单等优势,但目前用紫外光引发聚合HACPAM的研究还相对较少。论文立足于新型紫外光引发聚合体系,旨在制备出一种聚合时间短、溶解性好、新型、高效的HACPAM絮凝剂,并力求揭示絮凝剂结构与性能的关系,以便为其制备与工程化应用提供理论指导。因此,论文采用一种表面活性单体——丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵(AODBAC)与AM在紫外光引发下共聚生成疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺P(AM-AODBAC)(PAA)。为了更好地揭示聚合物分子结构与其缔合结构、絮凝性能的关系,论文选用了与AODBAC结构相似但少一个苄基的常用阳离子单体——丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)在相同的合成条件下和AM共聚,得到的产物P(AM-DAC)(PAD)用作同PAA做对比。论文从单体AODBAC、DAC的分子结构出发,对比分析了两种共聚物在分子链微结构、特性粘度、溶解时间、表面形貌、热稳定性、疏水缔合性等方面的差异,并进一步比较了两种共聚物在污泥脱水和含油废水处理中的絮凝性能,然后把PAA同市售产品进行对比以考察其应用前景。目前,还尚未见用紫外光引发AODBAC和AM共聚合的报道,也未见把相同条件下合成的共聚物PAA和PAD在以上诸方面进行对比的报道。论文的主要内容和结论如下:①测定了紫外光引发下AM/AODBAC、AM/DAC两种共聚体系的单体竞聚率,并以此为依据计算分析两种共聚物组成曲线及序列长度分布的差异。实验结果表明,由于两种共聚物的单体竞聚率不同,阳离子单体DAC在共聚物PAD中倾向于形成无序共聚结构,而阳离子单体AODBAC在共聚物PAA中倾向于形成微嵌段结构;在相同的阳离子单体配比时,共聚物PAA比PAD具有更高的阳离子度和更多的阳离子单元长链段,而且随阳离子单体投料比的增加,两者阳离子单元长链段的差异越来越大。②为优化聚合物PAA的吸附架桥性能和溶解性能,以聚合物的特性粘度和溶解时间为优化指标,通过单因素实验考察了引发剂浓度、单体总质量分数、增溶剂尿素浓度、络合剂EDTA浓度、反应体系p H、紫外光照时间、单体摩尔比nAODBAC:nAM等合成条件对产物PAA特性粘度和溶解时间的影响,优化得到较适宜的合成条件。并进一步通过正交实验就单体投料比nAODBAC:nAM,单体总质量分数,尿素浓度和引发剂浓度几个因素对PAA聚合反应的影响进行了显著性分析。此外,在相同的条件下合成了一系列PAD共聚物,对比了PAA和PAD在特性粘度和溶解时间上的差异。③利用红外光谱(FTIR)、核磁氢谱(1H NMR)、扫描电子显微镜(SEM)和差热-热重分析(DSC-TGA)对共聚物PAA和PAD的官能团结构、表面形貌和热力学稳定性进行了对比分析,结果表明:PAA和PAD的化学结构相似但差一个苄基;两者的分子链具有不同的微结构,在常温下都具有良好的热稳定性;PAA比PAD具有更多的微孔结构,分形维数更大,这有利于其在水处理过程中的絮凝效果。此外,以自由基聚合理论为基础,从反应前阳离子单体在溶液中的聚集、链引发、链增长、链终止及链转移几个过程,分析了紫外光引发聚合PAA和PAD的反应机理。④采用粘度法考察了PAA、PAD两系列共聚物的溶液性质,并比较了两者的差异。实验结果表明:PAA在水溶液中具有较强的增粘效果,而且随着AODBAC含量和聚合物特性粘度的增加,PAA共聚物溶液的表观粘度增大,而其临界缔合浓度C*减小;由于疏水苄基的引入,在相同实验条件下,PAA比PAD表现出更高的疏水缔合性和耐盐性。⑤将自制的PAA絮凝剂用于污泥脱水实验,考察了阳离子单体配比、投加量、特性粘度、污泥p H值对PAA污泥脱水性能的影响。并对比了自制PAA和PAD在不同投加量和不同p H条件下的污泥脱水性能,结合Zeta电位的测试结果可知,电中和、吸附架桥和疏水缔合作用三者协同工作,强化了PAA的污泥脱水性能。最后把PAA和三种市售阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂进行了对比,可知自制PAA的污泥脱水性能和使用成本均优于市售同类产品,这说明自制PAA絮凝剂用于污泥脱水具有广阔的应用前景。⑥将自制PAA应用于模拟含油废水处理实验,考察了絮凝剂投加量、特性粘度、AODBAC投料比对PAA除油性能的影响;在此基础上,进一步考察PAA和无机絮凝剂聚合氯化铝(PAC)复配处理含油废水的效果,考察了PAA投加量、PAC投加量对除油效果的影响。同时研究了PAA单独使用、PAA和PAC复配使用两种情况下,PAA相对于其它几种有机高分子絮凝剂的除油效果的差异。结果表明:PAA特有的分子结构使其在絮凝过程中能同时发挥电中和、吸附架桥和疏水缔合作用,强化其絮凝性能,所以在本实验条件下,PAA不管是单独使用还是和PAC配合使用,都比其它几种有机高分子絮凝剂具有更好的除油效果;PAA与PAC配合使用,能发挥较好的协同作用,在保证除油效果的情况下减少PAA的用量,降低成本;两者复配与单独投加PAC相比,絮体的大小和密实度大幅度提升,上浮速度加快,污泥量减少。以上说明自制PAA絮凝剂是一种高效的有机高分子絮凝剂,用于含油废水处理具有良好的应用前景。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X703

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