【摘要】：陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）是我國目前使用量最大的污泥調(diào)理劑，隨著污水排放量日益增多和處理深度的加大，污泥的處理量快速增長，與此同時，對CPAM需求量也急劇上升。我國的CPAM制備技術(shù)仍有待進(jìn)步提升，但傳統(tǒng)的聚合方法一般僅通過提高CPAM的分子量來提升其調(diào)理性能，較少關(guān)注CPAM的序列結(jié)構(gòu)對污泥調(diào)理性能的影響，也尚未見以優(yōu)化CPAM的序列結(jié)構(gòu)來提升污泥調(diào)理性能的研究。 論文首先研究了陽離子度對CPAM序列結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析了不同序列結(jié)構(gòu)CPAM對污泥調(diào)理性能的影響，分析得到具有較好污泥調(diào)理性能CPAM所需具備的序列結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上論文進(jìn)行了紫外光引發(fā)模板聚合CPAM的研究，主要內(nèi)容和結(jié)論如下： ①研究了紫外光引發(fā)水溶液聚合條件下丙烯酰胺（AM）和丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC）的競聚率,并計算分析不同陽離子度CPAM的序列分布特征。發(fā)現(xiàn)隨著陽離子度的增加，AM鏈段長度減小，而陽離子單元則分布更為集中。通過紅外光譜、差熱-熱重、核磁共振氫譜(1H NMR)和核磁共振碳譜(13C NMR)等證實(shí)了共聚物的組成，其中通過1H NMR圖譜證實(shí)聚合產(chǎn)物確實(shí)由AM和DAC發(fā)生共聚得到，論文首次提出可通過1H NMR圖譜來分析P(AM-DAC)陽離子單元的序列分布特征。 ②比較不同陽離子度CPAM的投加量對調(diào)理后污泥的上清液濁度、泥餅含水率、污泥比阻的影響，發(fā)現(xiàn)陽離子單元的集中程度與最優(yōu)投加量呈反相關(guān)關(guān)系，指出序列結(jié)構(gòu)的不同應(yīng)是產(chǎn)生調(diào)理性能差別的根本原因，同時指出陽離子度低且陽離子單元分布較為集中的CPAM應(yīng)具有更好的污泥脫水性能。 ③以AM和DAC為聚合反應(yīng)單體，以低分子聚丙烯酸鈉(PAAS)為陽離子單體的模板，采用紫外光引發(fā)方式模板聚合了CPAM。分析測定了不同模板單元與陽離子單體之比（以T:D表示）時AM和DAC的競聚率，發(fā)現(xiàn)添加模板以后AM的反應(yīng)活性有所下降，而DAC的反應(yīng)活性得以提升，當(dāng)T:D=1.0時AM的競聚率最低且DAC的競聚率最高,該聚合物的陽離子單元分布最為集中。通過紅外光譜、差熱-熱重分析、1H NMR、13C NMR等表征方式進(jìn)一步認(rèn)識該類聚合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。其中，1H NMR圖譜證明AM和DAC確實(shí)發(fā)生了共聚反應(yīng)，通過模板聚合得到的CPAM的陽離子單元分布更為集中。 ④為提高模板聚合物的架橋性能，以聚合物的極限粘度為優(yōu)化指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗與多因素正交實(shí)驗，對制備條件進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：在T:D=1.0時，單體總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，DAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，引發(fā)劑濃度0.065%，反應(yīng)體系pH=4.5，尿素濃度0.3%，紫外光照射時間60min的實(shí)驗條件下，制備得到的模板聚合物極限粘度最高，可達(dá)到11.42dL/g；各因素對模板聚合物的極限粘度的影響順序依次為：DAC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、引發(fā)劑濃度、尿素濃度、紫外光照射時間。 ⑤將模板聚合物與不加模板所得到的產(chǎn)品進(jìn)行了對比研究分析了不同絮凝劑的脫水性能和機(jī)理。發(fā)現(xiàn)在T:D=0.5條件下所得CPAM的污泥脫水性能最好，因為這類絮凝劑在污泥調(diào)理過程中的電中和作用和架橋作用均比較突出。對比分離模板和未分離模板產(chǎn)品的污泥脫水性能后發(fā)現(xiàn)，前者要優(yōu)于后者，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)理是模板的存在影響了模板聚合物的電中和性能。由于實(shí)驗室自制的CPAM的污泥脫水性能優(yōu)于市售CPAM，且使用成本更低，因此該類絮凝劑具有良好的市場應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：X703
【圖文】：

率就越高[25]。因此，目前很多的 CPAM 合成研究均是以提高聚為優(yōu)化目標(biāo)[40, 108-111]。但是，CPAM 的相對分子量越高并不代表，Saveyn 等研究指出盡管分子量較高的 CPAM 在很小的投加量小的上清液，但是所產(chǎn)生的泥餅比較松散，可壓縮性比較低，較低[37]。子度指的是陽離子單元數(shù)目占整個陽離子聚丙烯酰胺的單元總數(shù)法的不同，一般使用摩爾比，也可以用質(zhì)量比。它是影響 CPA要指標(biāo)。首先，陽離子度與 CPAM 電中和性能密切相關(guān)，一般中和性能越好。其次，陽離子度也影響 CPAM 在水溶液當(dāng)中的子鏈上的陽離子電荷之間會產(chǎn)生一定的斥力，該斥力的大小鏈在水溶液中的伸展程度[112]。因此，有學(xué)者提出陽離子度可決定顆粒表面上的形態(tài)，進(jìn)而決定其主要的絮凝機(jī)理[113]。這一理論的證實(shí)，他們發(fā)現(xiàn)不同陽離子度的 CPAM 表現(xiàn)出不同的絮凝機(jī)理陽離子單體價格較高，僅通過提高陽離子度來提升 CPAM 的絮

2.2.2 P(AM-DAC)的合成C1, C4 和 C7 均由 AM 和 DAC 在紫外光引發(fā)下得到的。將一定量 AM 和 DAC用超純水溶解在透明磨口玻璃瓶中，而后添加尿素并溶解，使用稀 HCl 和 NaOH調(diào)節(jié)反應(yīng)體系 pH 值，通氮?dú)怛?qū)氧 15min 以后迅速加入引發(fā)劑，然后再通氮?dú)?15min后將反應(yīng)容器密封后置于圖 2. 1 所示的反應(yīng)裝置中,開啟紫外燈同時開啟冷卻循環(huán)水進(jìn)行合成反應(yīng)，在反應(yīng) 60min 以后玻璃瓶中的液體轉(zhuǎn)換為透明的膠體狀固體，此后將玻璃瓶置于常溫條件下 2h 進(jìn)行熟化即可得到聚合產(chǎn)物。將所得到的聚合產(chǎn)物剪碎經(jīng)丙酮提純、無水乙醇清洗后放置于真空干燥箱內(nèi)，在溫度 60℃的條件下烘干，干磨、粉碎后即獲得 C1、C4 和 C7 的粉末狀產(chǎn)品。C1、C4 和 C7 可能的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

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本文編號：2714247