[01580684]一种纳米改性聚丙烯酰胺絮凝剂的方法

① 课题来源与背景 随着我国水污染的日益严重以及环保要求的不断提高,水处理絮凝剂的市场需求大幅增加。而我国聚丙烯酰胺产量低、质量差,仍然依赖于成本更高的进口产品,因此开发优质、环保、低廉的新型水处理絮凝剂迫在眉睫。水处理絮凝剂主要包括无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂两大类,与无机絮凝剂相比,有机高分子絮凝剂用量少,絮凝速度快,受共存盐类、污水pH值影响小等优点,聚丙烯酰胺絮凝剂便是一种重要的有机高分子絮凝剂。传统方法不足之处：1)尽管是在室温下引发,但灯管功率高、放热大,随着光照时间增加会造成温度升高,最高达到55℃～65℃,则需要采用冷凝降温措施,复杂的装置不易实现工业化生产;2)冷凝管的设置会在紫外灯与反应瓶之间增加两层玻璃阻隔,会造成紫外光一定程度的衰减,影响聚合效果;3)光照温度升高后会使聚合产生交联反应,导致产物溶解性能差;4)需要调节pH,增加了成本;5)聚合反应主要由丙烯酰胺与阳离子或阴离子单体共聚,因电荷量大、分子链长使得电中和和架桥能力强,但吸附能力一般,也会影响产物的絮凝性能。 ② 技术原理及性能指标 一种纳米改性聚丙烯酰胺絮凝剂的合成方法采用如下技术方案来实现：1).将壳聚糖通过磁力搅拌溶于质量分数为1%～5%的乙酸溶液中,达到完全溶解的状态后,逐滴加入三聚磷酸钠溶液,继续磁力搅拌30min（壳聚糖：三聚磷酸钠质量比= 3～6 : 1）,后于超声装置中超声5min,得到纳米壳聚糖乳液;2).在步骤1)得到的乳液中加入丙烯酰胺单体（丙烯酰胺：壳聚糖质量比= 5～10 : 1）和占混合物（包含壳聚糖、丙烯酰胺、水的混合液）总质量分数为0.2%～1%的光引发剂,搅拌使其完全溶解,后通入纯度为99.999%的氮气15～30min驱除氧气,在8℃～32℃的室温条件下通过紫外光引发聚合反应2～3h后得到乳白色胶状物;3).将步骤（2）得到的乳白色胶状物置于体积比为2:1的无水乙醇和丙酮的混合溶液中浸泡3～5h后,用蒸馏水反复冲洗,于105℃～200℃下干燥24h以上至恒重,研磨、过筛得到白色粉末状样品,即为纳米改性聚丙烯酰胺絮凝剂。所述步骤1)与步骤2)中聚合反应单体为纳米壳聚糖与丙烯酰胺,且纳米壳聚糖是壳聚糖与三聚磷酸钠反应得到的,且纳米壳聚糖的粒径为10～500nm。引入纳米壳聚糖,由于其较大的比表面积和分子链上胺基等带电基团,能够通过较强的吸附和电中和原理把水中的污染物质吸附到分子链上来,特别是增强对低浓度污染物的吸附,只有通过吸附足够的污染物才能通过架桥作用使得絮体增大而产生重力沉降,进而达到提高水处理的效果。所述步骤2)中,聚合反应采用的紫外光由功率为10～100W的低压汞灯产生,且产生的紫外光波长范围在185～400nm,主波长为253.7nm,光强为20～300 μW/cm2。该波段的紫外光相比高压紫外光而言具有更强的能量,达到471.0kJ/mol,更能加快单体中化学键的断裂,促进聚合反应自由基的产生,实现纳米壳聚糖与丙烯酰胺共聚。所述步骤2)中,聚合反应所使用的光引发剂为2-羟基-4’’-（2-羟乙氧基）-2-甲基苯丙酮,其中的活性羟基可以使它很容易与不饱和单体发生聚合反应,促进纳米壳聚糖与丙烯酰胺共聚。 ③ 技术的创造性与先进性 1)能在室温下引发聚合,反应过程中温度也不会明显升高。例如在室温30℃情况下,经检测反应过程中温度增加缓慢,最大达到39℃～40℃;如果室温更低,反应过程中温度达到的最高温度也会降低。因此不需要对温度进行冷凝控制,简化了操作步骤,且条件温和、易于控制,更适用于工业化生产。2)避免了由大功率高压紫外灯照射所产生的交联反应,改善了聚合产物的溶解性能,溶解时间在1h～2h范围内;且在产率最大达到97.9%的同时也增加了接枝率,提高了絮凝剂的实用性。3)纳米壳聚糖比表面积大,吸附性强,通过改性改善了聚丙烯酰胺絮凝剂的吸附性能,使得改性后的絮凝剂兼具吸附和架桥的能力;且壳聚糖分子结构中具有阴、阳双重离子基团,可运用于带有不同电荷污水的处理。4)本发明所提供合成方法所选用的丙烯酰胺、壳聚糖单体均为易于获得的市售材料,价格低廉,且小功率低压紫外灯节省能耗,不需要调整pH,整体生产成本低。 ④ 技术的成熟程度,适用范围和安全性 本技术已经在实验室多次重复均能合成出预定性能的絮凝剂,该絮凝剂适用于市政给水处理、污水处理、工业废水处理等领域。由于本技术采用的是低压紫外光引发聚合的方式,所以较高压紫外光放热量少,且所有材料可生物降解,低功率紫外光也环保无害,不会产生二次污染,具备更安全的优势。 ⑤ 应用情况及存在的问题 本技术暂时在实验室开发及中试阶段,尚未开展实际工程应用,下阶段存在的问题主要集中于寻找合适的絮凝剂生产厂商批量生产,以满足试点使用。