阳离子聚丙烯酰胺的重要研究技术进展

收稿：２０１１－１２－２４；修回：２０１２－０３－１２；基金项目：广东高校高分子新型材料产学研结合示范（暨研究生创新培养）基地资助项目；作者简介：麦永发（１９８５－），男，广东佛山人，硕士研究生，师从朱宏研究员，主要研究方向为反相悬浮聚合法合成阳离子聚丙烯酰胺的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｒｉｃｍａｋ１１１６＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｕｈｏｎｇ２０１＠檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐ｓｉｎａ．ｃｏｍ．知识介绍阳离子聚丙烯酰胺的重要研究技术进展麦永发，朱宏＊，林建云，邱志慧（华南师范大学化学与环境学院，广州５１０００６）摘要：聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）在许多领域均得到了广泛的应用，而其中很重要的一部分———阳离子聚丙烯酰胺（ＣＰＡＭ）在日常生活和工业生产中，特别是在污水处理中所发挥的作用则尤为显著。本文综合论述了阳离子聚丙烯酰胺的主要用途和作用机理，重点列举了几种较为热门的阳离子聚丙烯酰胺合成技术的特点和研究进展，展示了阳离子聚丙烯酰胺的国内外研究进展，并对国内阳离子聚丙烯酰胺的今后发展进行了展望，为日后对阳离子聚丙烯酰胺的进一步开发研究提供重要参考和依据。关键词：聚丙烯酰胺；阳离子聚丙烯酰胺；聚合方法聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）是一类重要的水溶性高分子聚合物，具有特殊的物理化学性质，能通过接枝或交联得到支链或网状结构的多种改性物，被广泛地应用于国民经济的各个行业。聚丙烯酰胺为白色粉末，易溶于水，难溶于苯、乙醚、丙酮等许多有机溶剂，无毒、无腐蚀性，固体聚丙烯酰胺有吸湿性。聚丙烯酰胺分子可以引进各种离子基团从而得到特定的性能，高分子量的聚丙烯酰胺是重要的絮凝剂，对污水中许多微团和溶解性物质有良好的黏附作用，是水处理工业中应用十分广泛的絮凝剂［１］。阳离子型聚丙烯酰胺（ＣＰＡＭ）是一种电荷较高、相对分子质量较高的物质，其水溶液是高分子电解质，带有正电荷，对悬浮的有机胶体和有机化合物能有效地絮凝，并能强化固液分离过程。阳离子聚丙烯酰胺是线型高分子化合物，由于具有多种活泼基团，可与多种物质亲和、吸附而形成氢键。主要是絮凝带有负电荷的胶体，具有除浊、脱色、吸附、粘合等多种功能，适用于染色、造纸、食品、建筑、冶金、选矿、煤粉、油田、水产加工与发酵等行业中有机胶体含量较高的废水处理，特别适用于城市污水、城市污泥、造纸污泥及其它工业污泥的脱水处理。丙烯酰胺的应用范围在很大程度上取决于丙烯酰胺系列聚合物的化学组成和相对分子质量，相对分子质量高的ＣＰＡＭ作为絮凝剂，具有用量少、絮凝作用迅速、彻底，以及沉淀疏松、过滤快等优点［２］。聚丙烯酰胺的应用性能主要视其水溶液的性质而定，所以全面了解聚丙烯酰胺水溶液的特性，对聚丙烯酰胺的扩大应用和工业化快速发展具很有重要的意义。１聚丙烯酰胺水溶液的性质１．１物理性质聚丙烯酰胺能在水中以任何比例溶解，溶解不受温度影响，其水溶液为均一清澈的高黏度液体。在合适的低浓度下，聚合物溶液可视为网状结构，链间机械的连结和氢键共同形成网状节点；浓度较高时，由于溶液中含有许多链－链接触点，使得聚丙烯酰胺溶液呈凝胶状。聚丙烯酰胺水溶液能与许多和水互溶的有机物相容，对电解质也有很好的相容性，对氯化铵、氢氧化钾、硫酸钙、碳酸钠、硼酸钠、硝酸钠、硫·５０１·第８期高分子通报酸铜、磷酸钠、氯化锌、硫酸钠、硼酸及磷酸等物质不敏感。聚丙烯酰胺水溶液的黏度不但和相对分子质量、浓度、温度有关，而且还受ｐＨ值、水解度及含盐量等不同因素的影响。聚丙烯酰胺水溶液的稳定性已能满足很多应用方面的要求，但仍会受到物理应力和化学反应的影响，或由于细微的链构象重排而使溶液在陈放数日或数周内，黏度越来越小，这将大大影响它的使用效能。所以在制造和贮运时，要细心控制条件，一般贮存不宜超过５０℃。其它因素包括剪光、切、超声波和加热都可使聚合物降解［３］。１．２化学性质聚丙烯酰胺在８０～１００℃碱性的条件下，可以通过酰胺基水解转化为含羧基的聚合物，这种聚合物和丙烯酰胺—丙烯酸钠共聚物有相似的结构［４］。聚丙烯酰胺和甲醛水溶液在酸性条件下共热可以发生交联反应，分子间的酰胺基通过亚甲基而交联成为不溶性凝胶［５］。在４０～６０℃碱性条件下，聚丙烯酰胺水溶液与甲醛可发生羟甲基化反应［６］。聚丙烯酰胺与亚硫酸氢钠和甲醛在碱性的条件下反应，可在聚丙烯酰胺的酰胺基上引入磺甲基生成阴离子衍生物———磺甲基化聚丙烯酰胺［７］。聚丙烯酰胺可与次卤酸盐（如次氯酸钠或次溴酸钠）在碱性条件下反应，该反应被称为霍夫曼降解反应［８］。聚丙烯酰胺与甲醛和胺在碱性条件下反应，可生成Ｎ－甲基化丙烯酰胺聚合物，该反应称为曼尼奇反应［９］。２阳离子聚丙烯酰胺阳离子聚丙烯酰胺（ＣＰＡＭ）是线型高分子化合物，由于它具有多种活泼基团，可与许多物质亲和、吸附而形成氢键。主要是能絮凝带负电荷的胶体，