摘要：聚丙烯酰胺（PAM）在不同領域均有廣泛的應用，一直是人們研究的要點。為此，綜述了PAM在不同行業(yè)的應用，主要包括石油工業(yè)、水處理、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)、印染工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農業(yè)、建筑工業(yè)、礦冶工業(yè)、食品加工業(yè)、日化工業(yè)，為PAM的擴大應用提供參考和依據。
聚丙烯酰胺是一類重要的水溶性高分子聚合物，源于分子結構上的特性，聚丙烯酰胺具有特殊的物理化學性質，易通過接枝或交聯(lián)得到支鏈或網狀結構的多種改性物，廣泛應用于國民經濟各個行業(yè)，享有“百業(yè)助劑”之稱。隨著我國工業(yè)化迅速發(fā)展，聚丙烯酰胺應用范圍不斷擴大，需求量也不斷增加，有關聚丙烯酰胺應用的一些特例在相關文獻中均有不同程度的涉及，但將其進行系統(tǒng)歸納和研究目前還很少見。本文綜述了聚丙烯酰胺在各個行業(yè)應用的較新進展，對聚丙烯酰胺的擴大應用和工業(yè)化快速發(fā)展具有重要意義。
1、聚丙烯酰胺的特性
聚丙烯酰胺（Polyacryamide，簡稱PAM），是丙烯酰胺（acrylamide，簡稱AM）及其衍生的均聚物和共聚物的統(tǒng)稱，工業(yè)上凡含有50%以上AM單體的聚合物都泛稱聚丙烯酰胺。由于結構單元中含有酰胺基，易形成氫鍵，具有良好的水溶性和很高的化學活性，可發(fā)生酰胺的各種典型反應，通過這些反應可以獲得多種功能性的衍生物，其分子量有很寬的調節(jié)范圍。PAM化學結構式如圖1。
PAM是1893年由Moureu等人用丙烯酰氯與氨在低溫下制得的，1954年美國率先實現(xiàn)工業(yè)化生產，我國則從20世紀60年代初開始PAM的工業(yè)生產，1962年上海天原化工廠建成我國首套PAM生產裝置，生產水溶膠產品。到了70年代末，由于石油工業(yè)的需要，其產量才大幅度增長。PAM產品主要有三大劑型：水溶液膠體、粉狀和乳液，每種劑型中都有不同離子型產品，根據PAM大分子鏈上官能基在水溶液中的離解性質，可將其分為陰離子型（CPAM）、陽離子型（APAM）、非離子型（NPAM）及兩性離子型。
2、聚丙烯酰胺的應用
目前PAM在中國用量較大的領域是油田三次采油，其次是水處理和造紙，其消費結構為油田開采占81%，水處理占9%，造紙占5%，礦山占2%，其它占3%，世界上應用較廣的是水處理和造紙，還用于選礦、洗煤、冶金、紡織、制糖和土壤改良等領域。PAM的物理化學性質與應用之間的一般關系可參見表1，不同國家和地區(qū)PAM的消費量及消費結構比例可參見表2。
表1 PAM的物理化學性質與應用之間的一般關系
| PAM的 | 作用 | 結構 | 應用 | 工業(yè) |
| 吸附性 | 分散 | 酰 氨 | 分散助劑 | 造紙、紡織 |
| 基 | 表面涂布 | 醫(yī)藥 | ||
| 黏附（結） | 酰 氨 | 增加紙張干 | 造紙 | |
| 離子 | 鉆井泥漿 | 地質、石油 | ||
| 基團 | 建材黏結 | 建筑 | ||
| 酰 氨 | 水土保持 | 農業(yè) | ||
| 絮凝 | 線型 | 固體回收 | 采礦、選礦 | |
| 酰 氨 | 污水治理 | 環(huán)保 | ||
| 離子 | 水的凈化 | 公用事業(yè)、養(yǎng)殖 | ||
| 基團 | 助留和助濾 | 造紙、選礦 | ||
| 高黏性 | 流變控制 | 線型 | 減阻 | 消防、化工、艦 |
| 離子 | 增稠 | 三次采油 | ||
| 交聯(lián)性 | 凝膠 | 交聯(lián) | 增稠、調剖 | 三次采油 |
| 離子 | 增加紙張濕 | 造紙 | ||
| 基團 | 固定土壤 | 農業(yè)、造林、改 | ||
| 表面涂層 | 建筑 | |||
| 高吸水性 | 交聯(lián) | 保水、保液 | 農業(yè)植保 | |
| 酰 氨 | 保溫尿布 | 醫(yī)用輔材 | ||
| 生物惰性和生物 | 酰 氨 | 體內植入填 | 醫(yī)藥 |
表2 不同國家和地區(qū)丙烯酰胺聚合物的消費量及消費結構比例
| 國家和地區(qū) | 應用領域 | 1997年 | 2000年 | 2005年 | 2000-2005年平均年增長率/% | |||
| 消費量/萬噸 | 消費比例/% | 消費量/萬噸 | 消費比例/% | 消費量/萬噸 | 消費比例/% | |||
| 美國 | 水處理 | 7.2 | 60 | 8.0 | 59.6 | 9.3 | 59.4 | 3.0 |
| 造紙 | 3.0 | 25 | 3.5 | 26.1 | 4.3 | 27.5 | 4.0 | |
| 選礦 | 1.3 | 10.8 | 1.4 | 10.4 | 1.47 | 9.4 | 1.0 | |
| 其他 | 0.5 | 4.2 | 0.53 | 3.9 | 0.58 | 3.7 | 2.0 | |
| 合計 | 12.0 | 100 | 13.43 | 100 | 15.65 | 100 | 3.0 | |
| 西歐 | 水處理 | 4.6 | 53.5 | 5.0 | 53.2 | 5.7 | 53.3 | 2.6 |
| 工業(yè) | 2.8 | 3.0 | 3.4 | 2.5 | ||||
| 城市 | 1.8 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | ||||
| 造紙 | 3.3 | 38.4 | 3.6 | 38.3 | 4.2 | 39.2 | 3.0 | |
| 選礦 | 0.5 | 5.8 | 0.5 | 5.3 | 0.5 | 4.7 | 0 | |
| 采油及其他 | 0.2 | 2.3 | 0.3 | 3.2 | 0.3 | 2.8 | 0 | |
| 合計 | 8.6 | 100 | 9.4 | 100 | 10.7 | 100 | 2.6 | |
| 日本 | 水處理 | 30 | 34.1 | 3.1 | 34.8 | 3.4 | 35.1 | 1.8 |
| 造紙 | 5.3 | 60.2 | 53 | 59.6 | 58 | 59.8 | 1.8 | |
| 其他 | 0.5 | 5.7 | 5 | 5.6 | 5 | 5.1 | 0 | |
| 合計 | 8.8 | 100 | 89 | 100 | 97 | 100 | 1.9 | |
| 中國 | 水處理 | 0.7 | 7.8 | 2.5 | 15.4 | 16 | ||
| 造紙 | 0.4 | 4.4 | 1.8 | 11 | 11.1 | |||
| 油田 | 7.4 | 82.2 | 11.0 | 68 | 5.6 | |||
| 其他 | 0.5 | 5.6 | 0.9 | 5.6 | 8.2 | |||
| 合計 | 9.0 | 100 | 16.2 | 100 | 8.2 | |||
2.1 石油工業(yè)
2.1.1 提高采收率
在提高石油采收率的三次采油諸方法中，聚合物驅油技術占有重要的地位，而在所應用的聚合物中，PAM占據有優(yōu)勢，由于它的相對分子質量高和良好的水溶性，可使驅替液的流度明顯降低，從而增加波及系數(shù)，提高原油采收率。聚合物的主要貢獻是提高波及效率而提高最終收采率。其主要作用表現(xiàn)在：
（1）高分子使水相粘度增高，有些聚合物流經孔隙介質后尚可降低水相的相對滲透率；
（2）降低水油流度比，水油流度比的降低可減少指進現(xiàn)象；
（3）水相粘度增高和水相的相對滲透率下降使以后注入的流體可轉入未波及的條帶，從而提高波及系數(shù)。
PAM在提高采收率上取得了巨大成功，特別是大慶油田已進入大規(guī)模工業(yè)應用階段，在水驅采收率42%的基礎上，實施PAM驅后采收率又提高了12%，使最終采收率達到了55%，噸聚合物增油量達到了120t-150t，周守為研究表明，PAM驅油在海上油田目前生產條件下實施也是可行的。
2.1.2 用作鉆井液調整劑
PAM可作為鉆井液調整劑，如增稠劑、穩(wěn)定劑和沉降絮凝劑。其作用是調節(jié)鉆井液的流變性，攜帶巖屑，潤滑鉆頭，減少流體損失，控制失水等。用PAM調制的鉆井泥漿比重低，固含量少，減輕對油氣層的壓力和堵塞，容易發(fā)現(xiàn)油氣層，并有利于鉆進，鉆進速度比鈣處理泥漿高19%，機械鉆速高45%左右，此外，還可大大減少卡鉆事故，減輕設備磨損，并能防止發(fā)生井漏和坍塌。
2.1.3 用作堵水調剖劑
在油田生產過程中，由于地層的非均質性，常產生水浸問題，需要進行堵水，其實質是改變水在地層中的滲流狀態(tài)，以達到減少油田產水、保持地層能量、提高油田最終采收率的目的。PAM類化學堵水劑具有對油和水的滲透能力的選擇性，對油的滲透性降低較高可超過10%，而對水的滲透性減少可超過90%。選擇性堵水這一特點是其他堵水劑所沒有的。PAM在使用時可不交聯(lián)使用，也可與鋁鹽、鉻鹽、鋯鹽等交聯(lián)生成凝膠使用，還可添加某些樹脂以形成互容聚合物網絡，使之具有更高的耐溫性，在國內外許多油田已經見到明顯效果。
盛平亞研發(fā)的調剖堵水劑是由PAM共聚物與多價金屬硫酸鹽、多價金屬離子多羥基絡合物等構成，可用于注水調剖、采油井堵水，具有良好的封堵效果和穩(wěn)定疏松砂巖、控制粘土膨脹的作用，先后在勝利油田孤東和樁西采油廠推廣應用。
鄭健研制了基于海水的以改性高分子PAM為主劑，Cr3+有機鉻合物為交聯(lián)劑，金屬離子絡合劑為穩(wěn)定劑的HST-1型調剖劑，該調剖劑在海水環(huán)境中具有成膠時間可控，膠體強度可調，封堵率高等特點。
2.1.4 用作壓裂液添加劑
壓裂工藝是油田開發(fā)致密層的重要增產措施，其作用是開通巖石的通道，讓油流過。由PAM交聯(lián)而成的壓裂液，由于具有高粘度、低摩阻、良好的懸砂能力、濾失性小、粘度穩(wěn)定性好、殘渣少、貨源廣以及配制方便和成本低的優(yōu)勢而被廣泛應用。
2.2 水處理
PAM及其衍生物的分子鏈上含有大量的的酰胺基，具有良好的水溶性、優(yōu)良的絮凝性能和吸附性能，可與許多物質親和、吸附形成氫鍵，在水處理中，作為絮凝劑，可用于城市污水、生活污水、工業(yè)廢水等的處理以及各種地下水和工業(yè)懸浮液固液分離工程中。
PAM是目前世界上應用較廣、效能較高的高分子有機合成絮凝劑、沉降劑及助濾劑，它的絮凝效果遠遠優(yōu)于無機絮凝劑，品種多，規(guī)格全，用量小，成本低，效率高，生成的泥渣少，后處理容易。PAM在水處理中用作絮凝劑。
2.2.1 減少絮凝劑用量。
在達到同等水質的前提下PAM作為助凝劑與其它絮凝劑配合使用，可大大降低絮凝劑的使用量。在原水處理中，用PAM代替無機絮凝劑，即使不改造沉降池，凈水能力也可提高20%以上。
劉翠云對試驗得到的兩性PAM與聚氯化鋁復配（質量比為2：1）成的復合絮凝劑在煉油廠進行了工業(yè)應用試驗結果表明，復合絮凝劑絮凝效果較好，懸浮物、油、氮和COD的平均去除率分別達到82%，77%，83%和37%。
2.2.2 改善水質。
在原水處理中與活性炭等配合使用，用于生活水中懸浮顆粒的凝聚、澄清，在污水處理中用作污泥脫水，在工業(yè)水處理中用作一種重要的配方藥劑。PAM作為助凝劑在凈化站的應用，有效解決了夏天雨水期低溫低濁水難于處理的問題，提高凈化站水處理工藝的抗沖擊能力，濁度去除率提高23%以上，色度去除率提高10%，降低礬耗25%-50%。在保證出水水質的前提下，節(jié)約制水成本。應用助凝劑聚丙烯酰胺能超產水量5%-10%。
2.2.3 提高絮體強度與沉降速率，減少無機絮凝劑的使用量，避免循環(huán)冷卻系統(tǒng)的腐蝕與結垢。
陳靜研究得出投加陽離子和陰離子型PAM均可使污泥比阻降低近2個數(shù)量級，明顯改善了污泥的脫水性能。
NPAM在酸性條件下絮凝效果優(yōu)于APAM，但在中性或堿性條件下不如CPAM，而絮凝強度比陰離子型高分子絮凝劑要強。
CPAM具有良好的粒子絮體性能，適于處理pH為中性到堿性的含無機雜質多的水體。
APAM主要是絮凝帶負電荷的膠體，具有除濁、脫色等功能，適用于有機膠體含量高的水體處理。
2.3 造紙工業(yè)
PAM在造紙工業(yè)中主要表現(xiàn)在兩個方面：一是提高填料、顏料等的存留率以降低原材料的流失和對環(huán)境的污染；二是提高紙張的強度（包括干強度和濕強度）。
PAM用作分散劑，可以改善紙頁的均勻度，降低紙料的打漿度，促進長纖維在抄紙時的分散，增加紙漿液的穩(wěn)定性及填料和顏料的粘結性；
用作增強劑，能有效地提高紙張的強度，提高紙張的抗撕性和多孔性，以改進視覺和印刷性能；
用作助留劑、濾水劑、沉降劑，能提高填料粒子和細小纖維的存留率，加速脫水速度，減少纖維在白水中的流失量，有利于提高過濾和沉淀等回收設備的效率，減少污染。
PAM的使用效果取決于平均分子量、離子性質、離子強度及其它共聚物的活性。研究證明在紙漿中加入0.25%-0.5%PAM，能使紙漿沉淀速度增加60倍，白水中固體含量下降60%，白土等的存留率為10-15%，白水懸浮物降至50mg/L以下。
闕興傳實驗發(fā)現(xiàn)添加PAM后，紙頁老化過程中物理指標下降趨勢變緩，當用量為0.3%，溫度為60℃，時間為1.5h時，增強效果較好。此外，PAM還應用于造紙的廢水處理和纖維回收。
陳夫山研究了改性PAM聚合氯化鋁體系在造紙廢水處理中的應用表明，改性PAM用量為0.75mg/kg，與之復配的聚合氯化鋁用量為100mg/kg時，COD去除率高達85%以上。
2.4 紡織、印染工業(yè)
在紡織工業(yè)中，PAM作為織物的上永劑和整埋劑，可以生成柔順、防皺、耐霉菌的保護層，利用它的吸濕性強的特點，較好的成膜性及漿膜的光滑度、高強低彈性，對纖維良好的親和性，與天然漿料和合成漿料良好的互溶性，能減少紡細紗時的斷線率，防止織物的靜電和阻燃。用作印染助劑時，PAM可使產品附著牢度大、鮮艷度高，還可作為漂白的非硅高分子穩(wěn)定劑及勻染劑紡織助劑等。此外，PAM還可用于紡織印染污水的凈化劑、脫色劑等。
萬濤研究表明，在pH=5的情況下，對于分散染料，當PAM用量為10mg/L，其脫色率達31%，當投加量增加到100mg/L，脫色效果達到較佳值92.2%；對于堿性品紅和酸性紅染料，當投加量為100mg/L時，對堿性品紅和酸性紅染料的脫色率分別為73.6%和84%。
2.5 醫(yī)藥工業(yè)
PAM及疏水締合衍生物由于分子鏈上同時帶有親水與憎水基團，使其水凝膠具有溫敏性，它在水中的溶脹性在某一臨界溫度隨溫度的微小變化發(fā)生激烈的突變，體積變化可達幾十到幾百倍，可以做成智能性凝膠，用于藥物的控制釋放和酶的包埋、蛋白質電泳、人工器官材料、接觸眼鏡片等。
PAM水凝膠早在1987年就開始應用于整形美容外科，大部分用于乳房增加和塑型，還可用于軟組織填充，比如薄唇變厚、大小腿外形塑造。另外，PAM可用作分離抗菌素的絮凝劑、用作藥片的賦型粘接劑以及藥物緩釋劑等。PAM共聚物混合到憎水的高分子生物培養(yǎng)基上的所得物具有類似肝磷脂的光滑表面和良好的生物兼容性，可用來抗血栓，廣泛用在起搏器、動脈嫁接、心臟真空管、人造心臟、導尿管、腎透析中。
2.6 農業(yè)
PAM作為土壤結構改良劑，可有效改善土壤結構，增加土壤表層顆粒間的凝聚力，增加土壤表面粗糙度，降低土壤容重，使土壤總孔隙率和毛管孔隙度上升，進而使土壤顆粒和孔隙結構保持穩(wěn)定，防止土壤結皮，增加土壤的入滲，使土壤入滲率明顯提高，減少地表徑流量、防止土壤流失以及控制土壤水分蒸發(fā)等作用。
Sokja等人通過2年的溝灌實驗進一步確定了在灌溉中施加PAM，以10mg/kg-20mg/kg施用PAM可使農田內水中的泥沙含量可減少94%，土壤入滲性能可提高15%-50%。PAM通過對土壤結構的改善，增加了土壤水穩(wěn)性團粒數(shù)量，增強了土壤的透氣、滲透性能，有效地增強了土壤的抗蝕能力，使PAM處理過的土壤具有很好的保水、保土、保肥、增產的作用。
員學鋒研究結果表明，經PAM處理后的土壤淋溶液中NO3-、PO4-和K-濃度均低于對照，其濃度分別較對照平均減少了約45.55%、49.37%和70.24%。PAM處理后，土壤淋溶液中全N、全P、全K的累積含量均低于對照，且隨PAM濃度的增加其累積含量呈下降趨勢。Levy G J通過試驗發(fā)現(xiàn)，在棉花地施加PAM可大大增加土壤顆粒間的凝聚作用并提高土壤滲透率，在凈化污水的同時，提高棉花產量。
2.7 建筑工業(yè)
在建筑工業(yè)中，PAM可以增強石膏水泥的硬度，提高濕法水泥制造中沉降槽的生產能力和水泥的可濾性，改善窯料均一性， 加速石棉水泥的脫水速度。PAM凝膠可用于建筑物的填縫、修復及堵漏。用高壓水柱切割金屬或大理石時，在水中添加較少量的PAM便可較大地提高切割效率。PAM還可用作礦床、池塘、水壩、地基等的灌漿材料，可增強土壤團粒結構的堅固性，增加土壤結構的承載負荷。
孫增智研究了PAM對水泥混凝土橋面鋪裝層路用性能的改性效果，結果表明PAM對提高抗折強度、粘結強度、彎曲韌性和抗磨性有顯著作用，可降低壓折比、滲透性和收縮性，摻PAM的混凝土，其抗?jié)B性和層間粘結強度成倍增長，抗?jié)B性提高幅度高達91.2%，層間粘結強度比普通防水混凝土提高近4倍。另外，PAM可用作涂料增稠分散劑、鋸石板材冷卻劑以及陶瓷粘接劑，可用作墻板（紙）、石棉制品等的膠粘劑。PAM還可用作隧道、水壩等工程堵水固沙的化學灌漿和水下、地下建筑物的防腐劑。
2.8 礦冶工業(yè)
PAM在礦冶業(yè)中的應用主要涉及采礦、選礦和冶金。在這些過程中需要使用大量的水，然后常需回收水中的有用固體，并將廢水凈化回收使用。應用PAM作為絮凝劑和助濾劑，可促進有用固體礦物的快速下沉、加速細粒物料的濃縮、液體的澄清和泥餅的脫水，從而可提高生產效率，減少尾礦流失和水消耗，降低設備投資和加工成本，并避免環(huán)境污染。鈾礦提取是PAM較早的重要應用領域之一，用酸或磺酸鹽溶液瀝取鈾礦石時，在瀝取物的濃縮和過濾中，添加PAM處理非常有效。PAM在選煤廠中，其主要用于兩方面：一是在煤泥水深度凈化濃縮機中，添加PAM絮凝劑，加速煤泥的沉降，降低溢流水濃度；二是在真空過濾機或壓濾機中，添加PAM絮凝劑，改善濾餅結構，降低濾餅水分，提高過濾速度。
2.9 食品加工業(yè)
PAM可用于制糖工業(yè)用化學助劑，此外，可用于各種肉類、水果和蔬菜清洗水的凈化以及果酒和啤酒的澄清。高分子量的PAM作為良好的絮凝劑用于糖漿澄清處理，加速蔗汁中細粒子下沉，促進過濾和提高濾液清澈度，可以盡可能多的除去非糖分，提高清汁質量。利用PAM能從采用發(fā)酵法生產酒的釀造業(yè)中分離和回收稀糟水中的固體物質，即廢物利用又環(huán)保。
2.10 日化工業(yè)
利用PAM制成高吸水性樹脂具有較高的強度，吸水量可達自重的數(shù)百倍以上，近幾年用于生產尿不濕和衛(wèi)生巾的PAM需求量增加較快。在化妝用品工業(yè)中，含有PAM的兩性電解質聚合物作為角蛋白調理劑可用在頭發(fā)、皮膚和指甲的護理中。PAM與硅溶膠復合為消光劑，可降低革面的光澤，防止因樹脂涂層過于光亮而引起的塑料感，以滿足人們追求皮感風格。
馬中飛研究表明自激式除塵器使用PAM復配物溶液不但可以提高除塵效率，而且降低除塵器的阻力損失，減少能耗。
2.11 其他方面的應用
在電鍍工業(yè)中，添加PAM可改善金屬在陰極沉積的質量，并增加電流效率，能使金屬沉淀勻化，使鍍層更加光亮。在養(yǎng)殖業(yè)中，PAM可改善水質，增加水的透光性能，從而改善水的光合作用。在游泳池水里添加較少量共聚物，可控制游泳池表面水份蒸發(fā)。PAM水凝膠還可用于凝膠炸藥、電池的凝膠電解液、火箭燃料中使用的凝膠聯(lián)胺、色譜柱等。此外，PAM涂于船舶表面，可降低航行阻力。PAM尚可用作金屬鑄造中的砂模膠合劑，金屬的防銹保護膜以及油墨、乳膠漆的穩(wěn)定劑等。
3、結語
綜上所述，經過近40年的努力，我國PAM的生產和應用得到了很大的發(fā)展。隨著我國整體工業(yè)生產能力和技術水平的提高，PAM的應用范圍正在日益擴大，用量在逐步增加，PAM在以上各領域的市場潛力會逐步顯現(xiàn)，今后除了繼續(xù)擴大PAM在石油開采、水處理上的應用外，還要大力開發(fā)PAM在其他領域中的應用，繼續(xù)加強PAM應用方面的研究，為拓寬應用提供技術支持，可以提升國內PAM的應用水平。
