從高分子的分子結(jié)構(gòu)談PAM聚丙烯酰胺的絮凝作用

           絮凝可以說是是水處理過程中最重要的物理化學(xué)操作過程之一，這一過程簡單的說就是脫穩(wěn)和使小顆粒物凝結(jié)成大顆粒物的過程。目前，化學(xué)絮凝的依賴程度逐漸減少了，這取決于各種化學(xué)試劑的昂貴特性。而絮凝的過程可通過化學(xué)和電學(xué)途徑即電絮凝過程獲取。絮凝過程直接影響國內(nèi)廢水處理工程，是處理廢水過程中的舉足輕重的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。絮凝效果的好壞往往決定了后續(xù)流程的運(yùn)行狀況、最終出水水質(zhì)和費(fèi)用，選擇何種絮凝劑，對(duì)于提高出水水質(zhì)、降低制水成本有著重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

   聚丙烯酰胺產(chǎn)生絮凝作用是基于它的兩種特點(diǎn)：長鏈(線)狀的分子結(jié)構(gòu)和分子中含有大量活性基團(tuán)。聚丙烯酰胺是直鏈狀聚合物，因每個(gè)分子是由十萬個(gè)以上的單體聚合構(gòu)成，分子鏈相當(dāng)長。它如果完全伸直，其長度要比一般的分子(如蔗糖)或離子(如ca2+)長數(shù)萬倍以上。由于它的分子長而細(xì)，會(huì)彎曲或卷曲成不規(guī)則的曲線形狀。這個(gè)長分子鏈向外側(cè)伸出許多化學(xué)活性基團(tuán)：酰胺基－conh2及羧基－cooˉ。酰胺基是非離子性基團(tuán)，但亦善于形成副價(jià)鍵而與其它物質(zhì)的活性基團(tuán)吸附并連結(jié)起來。單純的聚丙烯酰胺可以用在一般的水處理中，使水中的懸浮物絮凝。羧基是負(fù)電性基團(tuán)，它是使糖汁中微粒絮凝的關(guān)鍵因素。因?yàn)樘侵形⒘５男跄饕ㄟ^鈣離子的架橋作用產(chǎn)生。bennett的研究證明，糖汁中的懸浮微粒及大多數(shù)膠體物質(zhì)帶有負(fù)電荷，它們的表面上經(jīng)常吸附糖汁中的鈣離子。由于ca2+有兩單位正電荷，而微粒或膠體表面上的每一個(gè)帶電點(diǎn)通常只有一個(gè)負(fù)電荷(即一價(jià)酸根如－cooˉ)，故這些被吸附的鈣離子還剩余一單位的正電荷，能再和其它負(fù)電基團(tuán)相結(jié)合。這樣，鈣離子就在兩者之間起架橋作用而將它們連接起來。磷酸鈣與微粒或膠體的連結(jié)是通過這種作用，絮凝劑與微粒的連結(jié)也主要通過這種作用，即通過絮凝劑的羧基－cooˉ與鈣作用而與各種鈣鹽沉淀物及各種帶負(fù)電的微粒互相連結(jié)。在溶液中存有磷酸和磷酸鈣時(shí)，也能通過磷酸鈣和磷酸根架橋與其他微粒表面的鈣離子連結(jié)。許多聚丙烯酰胺分子與許多鈣鹽沉淀和磷酸鈣沉淀微粒的互相連結(jié)就形成粗大的絮凝團(tuán)。它的尺寸可達(dá)到數(shù)毫米或以上。據(jù)bennett研究，蔗汁加聚丙烯酰胺后形成的絮凝團(tuán)約包含有105～107個(gè)原來的微粒。

   由于聚丙烯酰胺分子長而細(xì)并有許多化學(xué)活性基團(tuán)，它們能和沉淀微粒產(chǎn)生很多連接而形成較大的絮凝物，這些絮凝物的結(jié)構(gòu)就象棉絮那樣，松散、無定形，互相連結(jié)但不很穩(wěn)固，內(nèi)部有很多空間和很多微細(xì)的網(wǎng)絡(luò)，包藏著大量液體，因而絮凝物的比重頗接近它所存在的液體本身。絮凝物中還網(wǎng)絡(luò)了各種各樣的微粒，這就將各種不同成分、不同性質(zhì)、不同大小的微粒集合在一起。因此，良好的絮凝劑處理能將溶液中原有的微粒完全網(wǎng)絡(luò)除去，使溶液顯得特別清亮透明和有光澤。由于絮凝物的尺寸較大，它的沉降和過濾都比較快。

   絮凝劑與微粒的作用就是通過化學(xué)吸附和物理網(wǎng)絡(luò)這兩種形式產(chǎn)生的。根據(jù)上述機(jī)理可知，分子量較高、分子較長的聚丙烯酰胺，能吸附較多的微粒，形成網(wǎng)絡(luò)的能力較強(qiáng)，故絮凝效能較好。同理，聚丙烯酰胺分子中羧基的比例適當(dāng)也很重要，因糖汁中的微粒多數(shù)帶負(fù)電，聚丙烯酰胺需要有適量的羧基通過鈣離子架橋與它作用。但如果羧基含量太多，聚丙烯酰胺分子本身負(fù)電過強(qiáng)，本身分子之間的相斥力過大，也不利于絮凝作用。

   除了碳酸法以外，糖液(蔗汁和糖漿)加聚丙烯酰胺都是在加入磷酸和石灰乳中和以后。它們反應(yīng)生成的磷酸鈣沉淀是絮狀物，能夠捕集液相中的各種懸浮微粒形成稍大的顆粒。這稱為第一次絮凝。在此基礎(chǔ)上加聚丙烯酰胺形成更大的絮凝物，稱為第二次絮凝。良好的一次絮凝可以顯著提高加聚丙烯酰胺的二次絮凝的效果，并減少所需的聚丙烯酰胺的數(shù)量；因?yàn)橐淮涡跄呀?jīng)將各種微細(xì)的粒子初步凝聚，大大減少了粒子的總數(shù)，從而減少了聚丙烯酰胺的負(fù)擔(dān)。搞好一次絮凝是加聚丙烯酰胺獲得最佳效果的基礎(chǔ)。

   目前大批研發(fā)人員進(jìn)行了對(duì)聚丙烯酰胺在電解過程中作用機(jī)理的深入研究，針對(duì)不同的廢水選擇恰當(dāng)?shù)奶幚砉に嚕ㄟ^改進(jìn)電源技術(shù)，研究新型電極材料及電解槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高電凝聚氣浮技術(shù)的處理效率和降低能耗是當(dāng)前的發(fā)展方向。