聚丙烯酰胺類絮凝劑是水處理和污泥脫水中最常用的藥劑,因大部分污水具有帶負(fù)電荷的膠體屬性,更適合用陽離子型絮凝劑處理,使得陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)在實踐中應(yīng)用更為廣泛。隨著全球人口增長和經(jīng)濟發(fā)展,逐年增加的給水和排水量處理對陽離子聚丙烯酰胺的需求量也逐年增加,因此提高陽離子聚丙烯酰胺的絮凝性能對給排水行業(yè)發(fā)展具有重要的意義。陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)制備方法有陽離子改性法、單體共聚合法等多種方法,但這些方法均存一個共同缺點,即制得的聚合物分子中陽離子單元隨機分布,電荷過于分散,導(dǎo)致其在絮凝時不能為帶負(fù)電膠粒提供強有力的吸附點,不能充分發(fā)揮陽離子單元的電中和作用優(yōu)勢。紫外光引發(fā)聚合法因具有引發(fā)劑用量少、毒性低、節(jié)能等優(yōu)點而被提倡推廣,但該法除了存在上述共性問題外,其聚合機理還未被研究透徹。模板聚合法是一種可控制聚合反應(yīng)規(guī)律,改善聚合產(chǎn)物分子序列分布的方法法。鑒于現(xiàn)行陽離子聚丙烯稀酰胺存在的問題,以及模板聚合和紫外光引發(fā)聚合法具備的功能和優(yōu)勢,論文嘗試使用紫外光引發(fā)模板聚合法制備陽離子聚丙烯酰胺,利用模板對陽離子單體的“組裝”功能來控制聚合反應(yīng)規(guī)律,改善陽離子聚丙烯酰胺的分子序列分布以便于其分子內(nèi)陽離子單元功能的發(fā)揮,最終達(dá)到提高陽離子聚丙烯酰胺絮凝性能的目的。目前關(guān)于模板聚合和紫外光引發(fā)聚合制備聚合物的研究較多,但使用二者相結(jié)合的方法制備陽離子聚丙烯酰胺的研究還少見報道。論文首先研究了影響陽離子聚丙烯酰胺絮凝性能的主要因素及影響規(guī)律,然后以丙烯酰胺(AM)、二烯丙基三甲基氯化銨(DMD)為聚合單體,以低分子量的聚丙烯酸鈉(PAAS)為模板,使用紫外光引發(fā)模板聚合法嘗試制備模板聚合物(TPDA)。通過單因素及響應(yīng)面試驗方法優(yōu)化了TPDA的聚合條件,利用Yezrielev-Brokhina-Roskin(Y-B-R)模型計算TPDA的單體競聚率,利用統(tǒng)計學(xué)原理分析了TPDA的微分組成方程、分子序列分布,通過紅外光譜、核磁共振氫譜、掃描電鏡(SEM)和差熱-熱重分析等表征手段研究了TPDA的化學(xué)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和表面形貌,最后使用TPDA進(jìn)行絮凝處理煤礦廢水和污泥調(diào)理,以考察TPDA的絮凝性能。為了更清楚揭示添加模板對聚合物分子結(jié)構(gòu)、理化屬性、絮凝性能等方面的影響,整個過程中以普通聚合物CPDA(不添加模板情況下使用紫外光引發(fā)聚合制得的聚合物)的相應(yīng)試驗和研究作為對照。論文研究最終可得出如下結(jié)論:(1)陽離子聚丙酰胺絮凝性能影響因素研究結(jié)果表明陽離子聚丙酰胺的陽離子度、特性粘度及用量,廢水pH值、絮凝攪拌時間以及絮體沉降時間等因素對陽離子聚丙酰胺的絮凝效率均存在影響,各因素只有處在適宜值才能取得最佳的絮凝效果。陽離子聚丙烯酰胺的特性粘度和陽離子度是影響其絮凝性能的重要因素,在試驗范圍內(nèi)陽離子聚丙烯酰胺的特性粘度和陽離子度越高,其絮凝性能越好。(2)聚合物合成的單因素及響應(yīng)面優(yōu)化試驗研究結(jié)果表明當(dāng)聚合條件為聚合溶液中單體質(zhì)量濃度為27.2%,聚合單體摩爾配比(n(DMD)/n(AM))為3:7,模板單元與陽離子單體摩爾比(n(T)/n(DMD)為1.0,光引發(fā)劑(V-50)濃度為0.47‰,pH值為7.2,紫外光照射時間為80分鐘時,可獲得最大特性粘度為11.06d L/g的模板聚合物(TPDA),其中對模板聚合物特性粘度存在顯著影響的因素有聚合溶液中的單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH值、光引發(fā)劑濃度,影響的大小順序為單體質(zhì)量濃度pH光引發(fā)劑濃度。(3)聚合物分子序列分布研究結(jié)果表明添加模板提高了DMD反應(yīng)活性和單體競聚率,增長了聚合物分子中DMD鏈段平均長度,同時削弱了AM的反應(yīng)活性和單體競聚率,使TPDA分子中形成陽離子單體相對集中,電荷密度更高的嵌段結(jié)構(gòu)。當(dāng)n(T)/n(DMD)=1.0時模板的作用最明顯,此時得到的聚合物中DMD單體的競聚率(r)及AM單體的競聚率(r)分別為0.93和3.84,聚合產(chǎn)物的組成曲線最接近于理想共聚曲線,聚合物分子中DMD鏈段和AM鏈段的平均長度分別為1.93和4.84。根據(jù)聚合物的單體競聚率及微分組成方程研究結(jié)果推測,本試驗中模板聚合反應(yīng)類型屬于Ⅰ型zip反應(yīng),模板對陽離子單體的靜電“組裝”作用是形成陽離子嵌段結(jié)構(gòu)的重要原因。(4)聚合物的紅外光譜(FT-IR)、氫核磁共振(1H NMR)表征結(jié)果表明TPDA是確實由AM和DMD單體聚合而成,添加模板改變了聚合物的分子化學(xué)結(jié)構(gòu),使模板聚合物分子內(nèi)形成陽離子單體連續(xù)分布的微嵌段結(jié)構(gòu);掃描電鏡(SEM)及分形維數(shù)研究證明,TPDA比CPDA具有更大的比表面積和分形維數(shù),因而具有更強的吸附能力;差熱-熱重(DTA-TGA)研究結(jié)果證明TPDA在受熱溫度200°C以上才會出現(xiàn)明顯的熱分解,具有良好的熱穩(wěn)定性。(5)TPDA、CPDA及CCPAM(商業(yè)絮凝劑)的絮凝對比試驗結(jié)果表明,TPDA分子內(nèi)的陽離子嵌段結(jié)構(gòu)提高了TPDA的絮凝性能,尤其是電中和作用能力。通過TPDA絮凝處理煤礦廢水的單因素及響應(yīng)面優(yōu)化試驗得出TPDA的投加量、pH值和攪拌時間對廢水中懸浮物去除率存在顯著影響,影響的大小順序為TPDA投加量廢水pH值絮凝攪拌時間;根據(jù)響應(yīng)面建立的模型分析得出當(dāng)絮凝條件為TPDA的投加量為6.1mg/L,廢水pH值為6.4,攪拌時間為6.40分鐘時,TPDA可使煤礦廢水中懸浮物SS濃度降至最低值16.3mg/L,TPDA絮凝時對廢水pH值要求較為寬松,且產(chǎn)生的絮體具有尺寸大,密實、沉降速率快等特點,這便于工程應(yīng)用。通過污泥調(diào)理的單因素試驗得出當(dāng)TPDA投加量為45.0 mg·L-1時,污泥pH為7.0時,TPDA可使污泥含水率降至最低值72.5%。(6)通過效益對比分析得出自制的TPDA絮凝劑的絮凝性能和處理成本均優(yōu)于商業(yè)絮凝劑CCPAM,因此紫外光引發(fā)模板聚合法對促進(jìn)有機絮凝劑的改性制備以及水處理行業(yè)發(fā)展具有重要意義。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

在這個狀態(tài)下污染物膠粒間斥朗運動作用下將會發(fā)生撞擊而集結(jié)成小的絮作用下集結(jié)變大而沉降，最終達(dá)到去除廢水和離子型有機絮凝劑均具有較強的電中和絮絮體密度大等特點。因大部分污水具有帶負(fù)發(fā)揮其電中和功能進(jìn)行處理，其電中和作用1.1 陽離子絮凝劑對膠體顆粒的電中和作用示意圖g.1.1 The absorption and charge neutralization effectof cationic coagulant and colloid

膠體電位趨近于零，在這個狀態(tài)下污染物膠粒間斥粒在布朗運動作用下將會發(fā)生撞擊而集結(jié)成小的絮進(jìn)一步作用下集結(jié)變大而沉降，最終達(dá)到去除廢水絮凝劑和離子型有機絮凝劑均具有較強的電中和絮形成的絮體密度大等特點。因大部分污水具有帶負(fù)絮凝劑發(fā)揮其電中和功能進(jìn)行處理，其電中和作用凝劑大絮凝劑溶同種電圖 1.1 陽離子絮凝劑對膠體顆粒的電中和作用示意圖Fig.1.1 The absorption and charge neutralization effectof cationic coagulant and colloid

圖 1.4 模板聚合反應(yīng)（a）zip 機制（b）pick-up 機制[89]Fig.1.4 Template polymerization mechanism of (a) zip type and (b) pick-up type1.5.2 模板聚合在有機絮凝劑制備中的應(yīng)用鑒于模板聚合可以控制聚合反應(yīng)規(guī)律，改變聚合產(chǎn)物分子內(nèi)單體序列分布的功能，近年來曾有學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于有機絮凝劑合成制備，以改善有機絮凝劑分子內(nèi)單體單元的序列分布，從而達(dá)到提高其絮凝性能目的。例如關(guān)慶慶等以低分子量的陰離子聚合物聚丙烯酸鈉為模板，以丙烯酰胺（AM）和丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC）為聚合反應(yīng)單體，制備出新型 CPAM，通過表征發(fā)現(xiàn)陰離子模板明顯提高 DAC 單體的的競聚率，使得陽離子絮凝劑分子內(nèi) DAC 鏈段數(shù)量和長度均增加，然后通過絮凝應(yīng)用試驗發(fā)現(xiàn)，這種特殊結(jié)構(gòu)可以提高 CPAM 絮凝性能，尤其是電中和作用，從而使得其污泥效率明顯提升[8]。張玉璽等以陽離子聚合物聚烯丙基氯化銨（PAAC）為模板，以丙烯酸（AA）和丙烯酰胺（AM）作為聚合單體，采用水溶液聚合法成功制備出模板共聚物 P(AM-AA)，并研究了模板屬性（如模板添加量、分子量）對聚合反應(yīng)的動力學(xué)特征、聚合物的序列分布、溶液
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2878278