分散法制备阳离子聚丙烯酰胺（CPF）及应用

论文摘要

随着我国对水污染治理力度加大,聚丙烯酰胺类药剂消耗量迅速增长。阳离子絮凝剂以其优良的处理效果而被广泛应用。本论文探讨了以AM（丙烯酰胺）与DAC（丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵）为单体通过分散法聚合制备得到新型阳离子高分子絮凝剂（CPF）,重点研究最佳工艺条件、体系稳定性影响因素、动力学、聚合物表征及其应用。以过硫酸铵（APS）为引发剂,适当温度下分批滴加单体,实验探讨了分散聚合反应温度、引发剂、单体、分散剂聚乙二醇20000（PEG20000）、乳化剂及电解质用量、两种单体之比n（AM）:n（DAC）对聚合物特性粘度（[η]）的影响。在w（APS）=0.19%,反应5h,充氮气30min,聚合温度60℃,w（AM） =20%,w（DAC）=0.5%,w（PEG20000）:w（H2O）=0.35（质量比）的最优条件下得到最佳特性粘度。以Na2SO3-（NH4）2S2O8为引发剂,研究温度及引发剂用量对聚合物特性粘度影响。讨论反应条件电解质、单体加入方式、引发剂种类、螯合剂种类对体系稳定性影响。用溴化法测定聚合体系反应转化率,研究以APS引发体系,聚合温度、分散剂、单体、引发剂用量及分散剂种类对反应速率影响,以Na2SO3-（NH4）2S2O8为引发体系,聚合温度及引发剂Na2SO3-（NH4）2S2O8用量对反应速率的影响,实验研究得到反应动力学方程为:在APS引发体系中Rp∝[M]1.27[E]0.31[I]0.73,活化能E=131.7kJ/mol;在氧化还原引发体系中Rp∝[APS]1.61[Na2SO3]0.82,活化能E=68.5kJ/mol,探讨分散聚合机理。用红外吸收光谱（IR）证实聚合物产物结构。通过激光光散射仪（LLS）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电镜（SEM）测定考察分散剂分子量及用量、电解质和单体用量对聚合过程中聚合物粒径的影响。X射线衍射分析（XRD）则表明分散聚合所得共聚物比反相乳液聚合、溶液聚合和反相微乳聚合离子分布更均匀。热重分析（TG）表明分散聚合制备出的产品较水溶液制备出的产品热稳定性更好,共聚率更高。沉降实验评价絮凝规律。通过测定透光率和沉淀速率来考察pH值、阳离子絮凝剂浓度、阳离子度及絮凝剂分子量等对絮凝效果影响。实验结果表明乳液聚合物5min内迅速溶解,所生成的絮团粗大且不易破碎,对污泥的COD去除率达到95%左右。最后初步探讨吸附热力学机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 絮凝剂的发展历史
• 1.2 影响絮凝效果的因素及絮凝机理
• 1.2.1 絮凝处理影响因素
• 1.2.2 絮凝机理
• 1.3 阳离子絮凝剂聚合方法
• 1.4 分散聚合研究基础
• 1.4.1 分散聚合机理
• 1.4.2 分散聚合体系组成
• 1.4.2.1 单体
• 1.4.2.2 分散介质
• 1.4.2.3 分散剂
• 1.4.2.4 引发剂
• 1.4.2.5 分散聚合体系的其它组成
• 1.4.3 分散聚合体系动力学研究
• 1.5 聚丙烯酰胺类产品应用进展
• 1.5.1 水处理药剂
• 1.5.2 采油助剂
• 1.5.3 造纸助剂
• 1.5.4 采矿、洗煤
• 1.5.5 印染、纺织
• 1.6 课题的意义和研究内容
• 1.6.1 课题的意义
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验药品及仪器
• 2.2 实验
• 2.2.1 阳离子聚丙烯酰胺的聚合反应
• 2.2.1.1 阳离子聚丙烯酰胺制备的实验装置图
• 2.2.1.2 聚合方法
• 2.2.2 聚合物的洗涤与纯化
• 2.2.3 稳定性测定
• 2.2.4 絮凝性能评价
• 2.2.4.1 透光率测定
• 2.2.4.2 COD 测定
• 2.2.4.3 沉降速度
• 2.2.4.4 沉降体积
• 2.2.4.5 pH 测定
• 2.2.4.6 吸附热力学实验
• 2.2.5 聚合物的性能测定
• 2.2.5.1 固含量的测定
• 2.2.5.2 粘度的测定
• 2.2.5.3 阳离子化度的测定
• 2.2.5.4 单体转化率的测定
• 2.2.6 聚合物结构表征
• 2.2.6.1 IR 结构分析
• 2.2.6.2 XRD 分析
• 2.2.6.3 TG-DSC 热重分析
• 2.2.6.4 粒径分析
• 2.2.6.5 粒径分布分析
• 第三章 分散聚合法制备阳离子聚丙烯酰胺
• 3.1 分散法制备CPF 乳液的性能特征
• 3.2 分散聚合体系确定
• 3.2.1 引发剂种类
• 3.2.2 分散剂种类
• 3.3 以APS 为引发剂的聚合产物性能研究
• 3.3.1 引发剂浓度
• 3.3.2 聚合温度
• 3.3.3 单体AM 浓度
• 3.3.4 n（AM）:n（DAC）
• 3.3.5 分散剂浓度
• 3.3.6 乳化剂用量
• 3.3.7 电解质浓度
• 3.3.8 螯合剂EDTA 浓度
• 2SO₃-（NH₄）₂S₂O₈ 为引发剂的聚合产物性能研究'>3.4 以NA₂SO₃-（NH₄）₂S₂O₈为引发剂的聚合产物性能研究
• 3.4.1 聚合温度
• 2SO₃ 浓度'>3.4.2 Na₂SO₃浓度
• 3.4.3 APS 浓度
• 3.5 聚合物乳液稳定性影响
• 3.5.1 电解质对乳液稳定性影响
• 3.5.2 单体对乳液稳定性影响
• 3.5.3 引发剂种类对乳液稳定性影响
• 3.5.4 螯合剂种类对乳液稳定性影响
• 3.6 小结
• 第四章 AM/DAC 的分散聚合动力学研究
• 4.1 APS 引发体系聚合速率及转化率
• 4.1.1 APS 用量对转化率的影响
• 4.1.2 聚合温度对转化率的影响
• 4.1.3 单体用量对转化率的影响
• 4.1.4 分散剂用量对转化率的影响
• 4.1.5 分散剂种类对转化率影响
• 4.1.6 转化率对特性粘度的影响
• 2SO₃ 复合引发剂体系聚合速率及转化率'>4.2 APS/NA₂SO₃复合引发剂体系聚合速率及转化率
• 4.2.1 聚合温度对转化率影响
• 4.2.2 复合体系APS 浓度对转化率影响
• 2SO₃ 浓度对转化率影响'>4.2.3 复合体系Na₂SO₃浓度对转化率影响
• 4.3 分散聚合机理探讨
• 4.4 小结
• 第五章 表征
• 5.1 P（AM/DAC）的IR 分析
• 5.2 XRD 分析
• 5.3 TG 分析
• 5.4 粒径分析
• 5.4.1 分散稳定剂分子量对粒径的影响
• 5.4.2 分散稳定剂用量对产品粒径影响
• 2SO₄ 浓度对对产品粒径影响'>5.4.3 （NH4）₂SO₄浓度对对产品粒径影响
• 5.4.4 单体浓度对对产品粒径影响
• 5.5 小结
• 第六章 絮凝性能评价与絮凝机理研究
• 6.1 絮凝性能评价
• 6.1.1 含水率
• 6.1.2 搅拌速度对絮凝作用的影响
• 6.1.3 沉降分析
• 6.1.4 pH 值对絮凝性能的影响
• 6.1.5 絮凝剂浓度与絮凝性能的关系
• 6.1.6 P（AM-DAC）阳离子基团含量对絮凝性能的影响
• 6.1.7 P（AM-DAC）分子量对絮凝性能的影响
• 6.1.8 絮凝性能与悬浮物浓度的关系
• 6.2 絮凝机理吸附热力学研究
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文