聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡(jiǎn)稱PAM）是一類重要的線型水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝、吸附、增稠、耐剪性、降阻及分散等性能，在石油、采礦、水處理和造紙等行業(yè)中用途廣泛，有“百業(yè)助劑”之稱。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在水資源日益匱乏以及人們環(huán)保意識(shí)逐步提高的今天，聚丙烯酰胺優(yōu)良的水處理性能備受人們關(guān)注，成為近年來水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
1、聚丙烯酰胺的性能和作用
聚丙烯酰胺通過丙烯酰胺單體發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)或丙烯酰胺與其他單體發(fā)生共聚反應(yīng)而獲得，凡分子中丙烯酰胺含量超過50%以上的聚合物在工業(yè)中都被泛稱為聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺分子中含有大量的酰胺基，容易形成氫鍵。因此，具有良好的水溶性和很高的化學(xué)活性。同時(shí)，酰胺基團(tuán)可發(fā)生各種典型的反應(yīng)，并通過這些反應(yīng)獲得多種功能性的衍生物。
聚丙烯酰胺的分子量具有很寬的調(diào)節(jié)范圍，其按分子量的大小不同可分為低、中、高和較高分子四種，不同分子量的聚丙烯酰胺具有不同的性能和用途。
1.1 聚丙烯酰胺的分類與絮凝能力
聚丙烯酰胺及其衍生物可根據(jù)所帶電荷的情況分成陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型和兩性型四大類。不同類型的聚丙烯酰胺性質(zhì)不同，同一類型中不同聚丙烯酰胺性質(zhì)也不同。
聚丙烯酰胺發(fā)揮凝聚作用主要通過兩個(gè)方面進(jìn)行，一是通過氫鍵結(jié)合、范德華力以及靜電結(jié)合等作用對(duì)膠粒進(jìn)行吸附，二是通過線型高分子鏈條在溶液中的吸附架橋作用來吸附纏結(jié)許多細(xì)小顆粒。
影響聚丙烯酰胺絮凝能力的主要因素有：
聚丙烯酰胺自身的相對(duì)分子質(zhì)量、陽(yáng)離子度與陰離子度的比例、離子化程度，溫度、pH等作用條件以及與聚丙烯酰胺共用的凝聚劑/助凝劑的性質(zhì)等。
陰離子型聚丙烯酰胺適用于粒子表面帶正電荷的水質(zhì)處理，陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺類絮凝劑主要絮凝表面帶負(fù)電荷的膠粒。非離子型聚丙烯酰胺因不帶離子型官能團(tuán)，故其絮凝能力受含鹽量和酸堿度的影響較陰離子型和陽(yáng)離子型小。兩性型聚丙烯酰胺因同時(shí)含有陰離子和陽(yáng)離子官能團(tuán)，所以較為特殊，二者的含量與分布對(duì)其絮凝助濾作用有較大的影響。
1.2 聚丙烯酰胺在水處理中的作用
聚丙烯酰胺在水處理中主要發(fā)揮以下作用：
（1）與其他絮凝劑配合使用，可降低絮凝劑的使用量。在達(dá)到同等水質(zhì)的條件下，聚丙烯酰胺作為助凝劑與其他絮凝劑復(fù)配使用，可顯著降低絮凝劑的用量。
（2）改善水質(zhì)。在飲用水處理與工業(yè)廢水處理中，聚丙烯酰胺作為助凝劑與其他凝聚劑共同使用時(shí)，可增強(qiáng)除濁和脫色效果，進(jìn)而達(dá)到改善出水水質(zhì)的目的。
（3）提高絮體的沉降速度和絮體的強(qiáng)度。加入聚丙烯酰胺之后，絮體的沉降速度加快，且形成的絮體強(qiáng)度增高，有利于固液分離，因此被廣泛用于污泥的脫水。
（4）循環(huán)冷卻系統(tǒng)的防垢與防腐。聚丙烯酰胺的加入可顯著降低無機(jī)絮凝劑的用量，從而減少了無機(jī)物質(zhì)在設(shè)備表面的沉積，進(jìn)而延緩設(shè)備的結(jié)垢與腐蝕進(jìn)度。
1.3 聚丙烯酰胺的毒性
對(duì)于哺乳類動(dòng)物、水生生物和農(nóng)田作物等來說，聚丙烯酰胺本身并沒有毒性，而且對(duì)環(huán)境影響也沒有很大的影響，更不存在燃燒、爆炸等方面的隱患。聚丙烯酰胺的毒性來自于聚合物中殘留的丙烯酰胺單體和生產(chǎn)過程中引入的有毒重金屬。丙烯酰胺是一種中等神經(jīng)毒性物質(zhì)，可損傷神經(jīng)系統(tǒng)，中毒后表現(xiàn)為肌無力、運(yùn)動(dòng)失調(diào)等。
2、聚丙烯酰胺在水處理中的應(yīng)用
聚丙烯酰胺及其衍生物的分子鏈上含有大量的官能團(tuán)，具有良好的水溶性、絮凝能力和吸附架橋能力，同時(shí)具有分子量高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣、使用量少及產(chǎn)生的污泥少等特點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用各種類型污染水體的處理。且隨著污水污染程度和排放量的日益增加，對(duì)聚丙烯酰胺的需求量也越來越大。當(dāng)前，聚丙烯酰胺是世界范圍內(nèi)應(yīng)用較廣、效能較高的高分子有機(jī)合成水處理劑。
2.1 聚丙烯酰胺在給水處理中的應(yīng)用
給水處理的目的是通過采取適當(dāng)?shù)奶幚韮艋椒ǔニ械碾s質(zhì)，以達(dá)到符合生活用水或工業(yè)用水的標(biāo)準(zhǔn)。聚丙烯酰胺在給水處理中的應(yīng)用主要包括低濁度水和高濁度水的處理兩個(gè)方面。
研究試驗(yàn)表明，在用硫酸鋁處理低濁度水時(shí)，若同時(shí)加入聚丙烯酰胺可提高水的處理能力，當(dāng)硫酸鋁濃度為3mg-9mg/L、聚丙烯酰胺濃度為0.0008mg/L-0.0125mg/L時(shí)，處理后的水濁度低于3度。在研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，處理低濁度水時(shí)同時(shí)加入聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺，可顯著提高去濁效果。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)加入的聚丙烯酰胺濃度為0.03mg/L時(shí)，可將沉降時(shí)間縮短為單獨(dú)使用聚合氯化鋁時(shí)的一半，并可減少22%的聚合氯化鋁用量。
研究表明，在處理高濁度的黃河水時(shí)，同時(shí)添加聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺聯(lián)合使用，既能節(jié)約成本又能改善出水水質(zhì)。目前我國(guó)的大部分水廠在用高濁度水生產(chǎn)生活飲用水時(shí)都會(huì)投加聚丙烯酰胺。
雖然聚丙烯酰胺相對(duì)無機(jī)助濾劑價(jià)格比較貴，但綜合其用量和凈水效果來看，其性價(jià)比還是很高的。另外，助濾處理之后直接過濾可簡(jiǎn)化后續(xù)的工藝流程，縮短水在水廠停留的時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省生產(chǎn)成本。
2.2 聚丙烯酰胺在生活污水處理中的應(yīng)用
城鎮(zhèn)生活污水的主要污染物是有機(jī)物，呈富營(yíng)養(yǎng)化，另外還有病原菌及無機(jī)鹽等，其特點(diǎn)是化學(xué)需氧量COD、濁度、總磷（TP）、總氮（TN）比較高，水體顏色較深且有臭味。
對(duì)于復(fù)雜成分的水體，單一成分的絮凝劑往往達(dá)不到水處理的要求，復(fù)合絮凝劑因此成為人們研究的焦點(diǎn)。復(fù)合絮凝劑不僅保留了各自的優(yōu)點(diǎn)，而且彌補(bǔ)了單一使用時(shí)存在的不足，起到了協(xié)同絮凝的作用。復(fù)合絮凝劑有有機(jī)、無機(jī)以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合絮凝劑三種，常用的是有機(jī)無機(jī)復(fù)合絮凝劑。先向污水中加入無機(jī)絮凝劑進(jìn)行初步處理，再加入聚丙烯酰胺等有機(jī)高分子絮凝劑，通過其吸附架橋作用進(jìn)一步起到絮凝的作用。
研究表明，在對(duì)城市生活污水進(jìn)行絮凝處理時(shí)，同時(shí)使用液態(tài)聚合氯化鋁鐵和聚丙烯酰胺作為混凝劑和助濾劑可使總磷去除率增長(zhǎng)14.51%，由75.61%提高到90.12%。同樣也是使用聚合氯化鋁鐵作為混凝劑，同時(shí)配合助凝劑聚丙烯酰胺一起采用氣動(dòng)絮凝的方式對(duì)模擬的城鎮(zhèn)污染河水進(jìn)行處理，取得了很好的處理效果。當(dāng)然，聚丙烯酰胺也可以經(jīng)過改性獲得改性衍生物單獨(dú)用于生活污水的處理。將熱改性凹土與丙烯酰胺原位聚合制成凹土復(fù)合聚丙烯酰胺絮凝劑，用來處理污染的河水，除濁66.3%，除COD45.6%。
2.3 聚丙烯酰胺在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用
重金屬是引起水質(zhì)污染的一個(gè)重要因素，其在食物鏈中可以發(fā)生富集，一旦富集過量就會(huì)對(duì)自然環(huán)境和人類健康造成很大的危害，因此有效降低水體中的重金屬含量對(duì)人類及環(huán)境意義重大。聚丙烯酰胺經(jīng)常與無機(jī)絮凝劑聯(lián)合使用應(yīng)用于各種重金屬?gòu)U水的處理。
在研究含鎳原水除鎳時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原水pH為10.0，F(xiàn)eCl3濃度為25mg/L時(shí)，聯(lián)合使用聚丙烯酰胺可降低原水中鎳的含量，使其由0.226mg/L下降為0.0187mg/L。研究了靜態(tài)條件下聚季銨鹽聚丙烯酰胺對(duì)電鍍廢水中鎳離子的去除能力，發(fā)現(xiàn)廢水在pH為6.0-8.0，鎳濃度為0.100mg/L范圍內(nèi)時(shí)，按Ni2+：聚丙烯酰胺質(zhì)量比為1:30的比例加入聚丙烯酰胺，采取吸附時(shí)間為80min和吸附溫度為20℃的處理?xiàng)l件，Ni2+的去除率可高達(dá)98%。
以某鋁材電鍍工業(yè)園的混合廢水為研究對(duì)象，采用化學(xué)-混凝沉淀法進(jìn)行混合廢水的處理。試驗(yàn)以氯化鈣和氯化鋁為沉淀劑，以聚丙烯酰胺作為助凝劑，處理結(jié)果中氟及多種重金屬的含量均符合要求。
2.4 聚丙烯酰胺在煤炭生產(chǎn)污水處理中的應(yīng)用
在煤炭生產(chǎn)中為加速煤泥水在濃縮池中的沉淀，改善濾餅結(jié)構(gòu)并降低濾餅含水量，保證生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需要添加合適的絮凝劑來強(qiáng)化煤泥水的處理。聚丙烯酰胺常與無機(jī)混凝劑復(fù)配使用與選煤廠的煤泥水處理。
撫順礦業(yè)集團(tuán)西露天礦選煤廠經(jīng)過多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺水溶液的配置及添加方式、聚丙烯酰胺的用量、煤泥水的濃度及溫度和入洗原煤的性質(zhì)都會(huì)影響煤泥水的絮凝結(jié)果。
研究了聚丙烯酰胺的光敏引發(fā)法制備及其在洗煤廢水處理中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)陰離子型聚丙烯酰胺的絮凝效果要優(yōu)于非離子型聚丙烯酰胺，且用量少沉降快，絮凝后的洗煤水透光率高，可循環(huán)使用，節(jié)約生產(chǎn)成本。選用3種不同特性粘數(shù)的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺對(duì)煤場(chǎng)的煤泥水進(jìn)行絮凝處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)特性粘數(shù)為634ml/g、處理的煤泥水pH為5時(shí)，聚丙烯酰胺的絮凝能力較強(qiáng)，較佳投加量為10g/m3。且在處理高灰分和細(xì)粒度的煤泥水時(shí)，陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺的絮凝效果要好于陰離子型聚丙烯酰胺。
采煤過程中產(chǎn)生的礦井水大多礦化度比較高。以山西西山某礦井水為研究對(duì)象，先通過混凝法去除濁度和懸浮物質(zhì)，再用電滲析法進(jìn)行脫鹽處理，經(jīng)過混凝法-電滲析法的聯(lián)合處理，礦井水的總離子去除率達(dá)到90%以上，滿足了飲用水的要求。
2.5 聚丙烯酰胺在其他工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用
其它工業(yè)廢水品種繁多，性質(zhì)成分各不相同，需個(gè)別情況個(gè)別分析，根據(jù)需要選取不同的聚丙烯酰胺。
對(duì)水分散型陽(yáng)離子聚丙烯酰胺在造紙廢水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明將水分散型陽(yáng)離子聚丙烯酰胺與無機(jī)聚合氯化鋁復(fù)配使用時(shí)效果比較好，且當(dāng)二者的投加量分別為50、600mg/L時(shí)，處理效果較好，對(duì)懸浮物與化學(xué)需氧量的去除率分別為96.8%和87.5%。
在制藥廢水領(lǐng)域，使用聚丙烯酰胺為助凝劑，聚合硫酸鐵為絮凝劑對(duì)高濃度的黃藥生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，處理結(jié)果化學(xué)需氧量去除率為84%，黃藥去除率為100%。
在乳制品行業(yè)，由于廢水中蛋白、糖和脂肪的含量比較高，化學(xué)需氧量COD非常高。使用硫酸鋁—聚丙烯酰胺復(fù)配處理乳制品生產(chǎn)廢水，取得了良好的效果，不管原水樣的化學(xué)需氧量和生物需氧量如何變化，其去除率分別處于62%-68%和62%-72%之間。
3、前景展望
聚丙烯酰胺作為絮凝劑或助凝劑等在水處理中的應(yīng)用仍處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，取得了廣泛的關(guān)注和研究。聚丙烯酰胺與各種試劑的配合使用也將發(fā)揮更大的價(jià)值和作用，研究也正在朝著應(yīng)用范圍更廣、絮凝活性更高、更無毒、減小污染的方向進(jìn)行。隨著不同的改進(jìn)和應(yīng)用研究的發(fā)展，聚丙烯酰胺在水處理中會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。
