第一章文獻(xiàn)綜述

工業(yè)廢水和生活污水的大量排放給環(huán)境造成了重大的污染，嚴(yán)重的影響著工 業(yè)生產(chǎn)和人們的生活水平，因此污水處理產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)成為社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要 方面。對(duì)污水進(jìn)行處理的方法主要有物理法、生化法、吸附法、離子交換法、電 滲析法和混凝沉降法等，其中應(yīng)用較為成熟且成本較低的方法是投加絮凝劑的混 凝沉降法?；炷两捣ㄊ窃谛跄齽┑慕怆x和水解產(chǎn)物作用下，將污水中的懸浮物 和膠體污染物脫穩(wěn)使其成為可分離性絮體，包括凝聚和絮凝兩個(gè)過(guò)程。不同種類 的絮凝劑具有不同的性能，對(duì)水處理的效果也就各不相同?，F(xiàn)階段在水處理方面 使用的絮凝劑主要有無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑兩類，其中有機(jī)絮凝劑與無(wú)機(jī)絮凝 劑相比有著更多的優(yōu)點(diǎn)，如適用條件廣、高效、廢渣少、后處理方便等，因此它 也成為了絮凝劑的主要品種。在有機(jī)絮凝劑中，聚丙烯酰胺作為一類性能優(yōu)良的 線型水溶性高分子聚合物[1, 2]，因其具有增稠、絮凝、分散、降阻等多種作用而 被廣泛應(yīng)用于污水處理、冶金以及造紙等方面[3-6]。其中的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺因 其自身帶有正電荷，既可以通過(guò)吸附架橋作用使污染物脫穩(wěn)，還可以通過(guò)吸附電 中和作用使帶負(fù)電荷的膠體顆粒得以去除，因而在污水處理方面得到了廣泛的關(guān) 注和應(yīng)用。

目前，我國(guó)大部分的聚丙烯酰胺廠家生產(chǎn)的主要是陰離子型聚丙烯酰胺，并 且產(chǎn)品品種也比較單一，而陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的生產(chǎn)廠家則呈現(xiàn)出生產(chǎn)規(guī)模小、 產(chǎn)品特性粘數(shù)較低和陽(yáng)離子度不高的特點(diǎn)，難以滿足社會(huì)需求。因此，開發(fā)新型 陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、選擇優(yōu)化的合成工藝、提高產(chǎn)品性能以及研究高效生產(chǎn)方式 等成為我國(guó)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑的開發(fā)研究和商品生產(chǎn)的關(guān)注重點(diǎn)。

1.1絮凝劑的分類

凡是能使水溶液中的懸浮物或者膠體顆粒產(chǎn)生絮狀物沉淀的稱為絮凝劑。目 前，在污水處理等方面使用最廣泛的絮凝劑廣義分為有無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)高分子 絮凝劑兩類[7]。

1.1.1無(wú)機(jī)絮凝劑

根據(jù)相對(duì)分子量的不同，可以將無(wú)機(jī)絮凝劑分為無(wú)機(jī)低分子絮凝劑和無(wú)機(jī)高

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分子絮凝劑。無(wú)機(jī)低分子絮凝劑主要有硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵和氯化鐵等[7]。 和無(wú)機(jī)低分子絮凝劑相比，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑具有用量少、沉降速度快、適用范 圍廣等特點(diǎn)，因此得到了更廣泛的發(fā)展。無(wú)機(jī)高分子絮凝劑中，主要有聚合鋁、 鐵、硅以及各種復(fù)合型絮凝劑。根據(jù)所帶電荷的不同，無(wú)機(jī)高分子絮凝劑可分為 陽(yáng)離子型和陰離子型兩大類，陽(yáng)離子型主要包括聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵 (PFS)、聚合硅酸鋁(PASiC)等；陰離子型主要有聚合硅酸(PSi)等。另外，復(fù)合型 無(wú)機(jī)有機(jī)高分子絮凝劑的開發(fā)也是發(fā)展無(wú)機(jī)高分子絮凝劑的一個(gè)新途徑。無(wú)機(jī)高 分子絮凝劑原料來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜且制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)各種水質(zhì)的污水處理能 力也較強(qiáng)[8]。

1.1.2有機(jī)絮凝劑

根據(jù)絮凝劑來(lái)源的不同，有機(jī)高分子絮凝劑可以分為合成有機(jī)高分子絮凝劑 和天然有機(jī)高分子絮凝劑兩大類。合成有機(jī)高分子絮凝劑又可分為非離子、陰離 子、陽(yáng)離子和兩性型。非離子型主要包括聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯等；陰離子型 主要包括聚丙烯酸（鈉）、水解聚丙烯酰胺等；陽(yáng)離子型主要包括聚二甲基二烯 丙基氯化銨、丙烯酰胺-二甲基二烯丙基氯化銨共聚物等[9];兩性型主要包括丙烯 酰胺-丙烯酸（鈉）-二甲基二烯丙基氯化銨共聚物、丙烯酰胺-丙烯酸（鈉）-甲 基丙烯酸二甲氨基乙酯共聚物等。天然高分子改性絮凝劑根據(jù)原料不同可分為改 性淀粉類絮凝劑、改性瓜爾膠類絮凝劑、海藻酸鈉、改性木質(zhì)素類絮凝劑等[10]。

有機(jī)高分子絮凝劑最大的優(yōu)點(diǎn)在于絮體強(qiáng)度大，加藥量少，沉淀污泥量少， 僅為無(wú)機(jī)絮凝劑的1/200?1/20,易脫水且易掩埋處理。在單獨(dú)使用無(wú)機(jī)絮凝劑 難以完成任務(wù)的情況下，有機(jī)高分子絮凝劑可以提供有效手段，因此無(wú)機(jī)高分子 絮凝劑也常常與有機(jī)高分子絮凝劑配合使用[11-13]。

1.2絮凝劑的作用機(jī)理 1.2.1高分子絮凝劑的絮凝機(jī)理

高分子絮凝劑的絮凝機(jī)理不僅與電荷有關(guān)，還與其本身的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)特性有著 密切的關(guān)系。高分子吸附在分散顆粒表面后，有時(shí)候會(huì)使分散體系穩(wěn)定，起到分 散劑的作用，而有時(shí)會(huì)造成失穩(wěn)，起到絮凝劑的作用。絮凝是指分散的細(xì)小顆粒 因某種原因聚集成大的絮體的過(guò)程[14]。絮凝劑之所以能夠起到絮凝的作用主要有

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兩方面的解釋。一方面是歸因于顆粒之間的架橋作用，另一方面是顆粒表面的電 荷中和所致。非離子型高分子以及帶有與顆粒同種電荷的聚電解質(zhì)可通過(guò)架橋作 用引起絮凝，而加入與顆粒帶相反電荷的聚電解質(zhì)也可因電中和作用而引起絮

凝。

(1)架橋作用

通過(guò)架橋作用引起的絮凝可分為兩種形式：一種是兩個(gè)或者兩個(gè)以上顆粒被 一個(gè)高分子鏈架橋連接引起的絮凝；另一種是吸附在不同顆粒表面上的高分子鏈 之間的相互作用產(chǎn)生架橋而引起的絮凝。第一種架橋作用主要是在下列情況下發(fā) 生：高分子鏈上具有兩個(gè)以上的吸附鏈段；分子鏈的長(zhǎng)度足以吸附兩個(gè)以上的顆 粒；顆粒表面覆蓋率較低，易使吸附的高分子鏈從其上伸展到另一個(gè)顆粒上。第 二種架橋作用主要是發(fā)生在下列情況下：吸附高分子的顆粒表面覆蓋率較高；分 子鏈之間的親和力大。當(dāng)長(zhǎng)鏈高分子上同時(shí)吸附有多個(gè)膠體顆粒時(shí)便形成了膠體 顆粒的架橋連接，從而容易發(fā)生絮凝[15]。一般情況下，這種絮凝要求高分子絮凝 劑的濃度維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)才會(huì)發(fā)生，如果濃度過(guò)高，膠體顆粒表面便會(huì) 因吸附大量高分子物質(zhì)而形成空間保護(hù)層，阻止架橋作用的發(fā)生，致使難以產(chǎn)生 絮凝效果[16]，因此，絮凝劑的加入量達(dá)到一個(gè)最佳值時(shí)絮凝效果才會(huì)好，過(guò)多的 絮凝劑投加量反而會(huì)使絮凝效果下降。

(2)電中和作用

當(dāng)向因靜電排斥而穩(wěn)定的分散體系中加入帶有相反電荷的高分子時(shí)，高分子 便會(huì)因靜電吸引力吸附到顆粒表面并且中和顆粒表面所帶電荷從而使顆粒之間 的靜電排斥力降低，最終使分散體系失穩(wěn)引起絮凝[7]。低分子量的聚電解質(zhì)主要 是通過(guò)電中和起到絮凝效果。

高分子絮凝劑也可同時(shí)具有架橋作用和電中和作用，其特性粘數(shù)對(duì)其絮凝性 能有著決定性的影響，一般情況下，特性粘數(shù)越大其架橋能力越大，絮凝效果也 就越好。高分子中所帶電荷及其結(jié)構(gòu)分布同樣也會(huì)影響著架橋作用，其中，起到 主要影響因素的是帶電單元在線性分子中的位置和電荷的大小[17]，由于同種電荷 相互排斥，帶電的重復(fù)單元便會(huì)離得越遠(yuǎn)，因而更有利于大分子聚電解質(zhì)的線性 展開，架橋作用也就更加容易發(fā)生[18]。

1.3聚丙烯酰胺的分類

聚丙烯酰胺，Polyacrylamide (PAM)，結(jié)構(gòu)式為:

3

十氏-丫七

C=O

I

NH2

n是聚合度，范圍很寬，一般在102?105,相應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量從幾千到上 千萬(wàn)。分子量是聚丙烯酰胺最重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，按其值的大小有低分子量 (〈100X104)、中等分子量(100X104?1000X104)、高分子量(1000X104?1500X 104)和超高分子量(>1700X 104)四種。不同分子量范圍的聚丙烯酰胺有著不同的 性質(zhì)和用途[7]。由于丙烯酰胺共聚物的分子量測(cè)定方法通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，并 且沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文中聚丙烯酰胺的分子量是通過(guò)特性粘數(shù)來(lái)表征的，特性粘 數(shù)越高，分子量越大。

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，聚丙烯酰胺可以分為離子型聚丙烯酰胺、支化型和交 聯(lián)型聚丙烯酰胺以及疏水締合型聚丙烯酰胺三類。

1.3.1離子型聚丙烯酰胺

按照聚丙烯酰胺在水溶液中的電離性可以將其分為非離子型、陰離子型、陽(yáng) 離子型和兩性型。非離子型聚丙烯酰胺的分子鏈上沒(méi)有可電離的基團(tuán)，在水中不 會(huì)電離；陰離子聚丙烯酰胺的分子鏈上帶有可電離的負(fù)電荷基團(tuán)，在水中可電離 出聚陰離子和陽(yáng)離子；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的分子鏈上帶有可電離的正電荷基團(tuán)， 在水中可電離出聚陽(yáng)離子和陰離子；兩性聚丙烯酰胺的分子鏈上同時(shí)帶有可電離 的正電荷和負(fù)電荷基團(tuán)，在水中可電離成聚陽(yáng)離子和聚陰離子，而兩性聚丙烯酰 胺的電性是根據(jù)溶液的PH值和電荷基團(tuán)的多少而定的[19]。聚丙烯酰胺的電性是 與所帶電荷基團(tuán)解離后的電性一致的。

聚丙烯酰胺一般都是離子型的，即使是非離子型聚丙烯酰胺也會(huì)因?yàn)轷０坊?極易水解，而具有陰離子的電性，因此常把聚丙烯酰胺也歸為聚電解質(zhì)。離子型 聚丙烯酰胺中離子結(jié)構(gòu)單元數(shù)占總結(jié)構(gòu)單元數(shù)的摩爾或者質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為相應(yīng)的 離子度，按摩爾離子度的大小可以將離子型聚丙烯酰胺分為低離子度(摩爾離子 度<10%)、中離子度(摩爾離子度10%?25%)和高離子度(摩爾離子度>25%)三種。 離子度是離子型聚丙烯酰胺的重要特征，決定著其性能和應(yīng)用。在聚丙烯酰胺中 引入離子基團(tuán)最顯著的作用有：（1)在水溶液中，可以使分子鏈擴(kuò)張，提高溶液 的粘度；（2)提高高分子聚合物的親水性，使其在水中更易溶解；（3)其能與溶液 中顆粒所帶電荷產(chǎn)生靜電吸附作用，根據(jù)不同條件，聚合物能起到穩(wěn)定或者絮凝 作用[20]。

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1.3.2支化型和交聯(lián)型聚丙烯酰胺

根據(jù)聚合物分子鏈形狀的不同可以把聚丙烯酰胺分為線型、支化型和交聯(lián)型 [21]。聚丙烯酰胺分子鏈一般是線型結(jié)構(gòu)的，但是在丙烯酰胺自由基聚合反應(yīng)過(guò)程 中會(huì)伴隨著鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成無(wú)規(guī)支化產(chǎn)物。另外，在聚合過(guò)程中也可能會(huì)發(fā)生 酰胺基的酰亞胺化交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生支鏈。在轉(zhuǎn)化率高的情況下，部分分子鏈間也會(huì) 發(fā)生酰亞胺化反應(yīng)，生成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)[7]。支化高分子又分為無(wú)規(guī)型、梳型和星 型，與線型聚丙烯酰胺相比，無(wú)規(guī)支化型在水中溶解速率慢，溶液粘度小，其應(yīng) 用性能變差。梳型的離子型聚丙烯酰胺在水溶液中呈梳子形狀，有較高的增稠性 和抗鹽性。

在聚合體系中加入雙烯單體或者交聯(lián)劑能得到交聯(lián)聚丙烯酰胺。交聯(lián)聚丙烯 酰胺的最大特點(diǎn)是不溶于水，卻可以吸收大量的水，因此可以制造水凝膠和高吸 水樹脂。

1.3.3疏水締合型聚丙烯酰胺

在丙烯酰胺共聚反應(yīng)中引入少量疏水基團(tuán)，一般在2%?5%(摩爾分?jǐn)?shù))，可 以使共聚物具有疏水締合的性質(zhì)。共聚物的疏水基團(tuán)在水溶液中以類似表面活性 劑的方式聚集或締合，讓大分子線團(tuán)形成可逆的物理網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其水溶液對(duì)溫 度、剪切力等的影響顯示出特殊的流變性，這些性能使疏水締合型聚丙烯酰胺在 很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[22]。

1.4丙烯酰胺自由基聚合反應(yīng)機(jī)理

本文采用丙烯酰胺(AM)和丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DAC)為聚合單體，在 水溶液通過(guò)自由基共聚反應(yīng)制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，合成反應(yīng)方程式為：

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CH2=CHCH3

mCH2=CH

C=〇+

I

NH2

II +. 一定條件

n 〇=C——〇——CH2—CH2——N—CH3CI

CH3

-f~cH2-C|H_>mfCH2_C|H")r〒

C=〇〇=C——〇——CH2—CH2——N ~CH3CI

I22 丨 3

NH2CH3

在聚丙烯酰胺的合成反應(yīng)中，最常用的就是通過(guò)自由基聚合反應(yīng)來(lái)得到其相 應(yīng)的聚合物，丙烯酰胺的自由基聚合反應(yīng)符合自由基聚合反應(yīng)的一般規(guī)律，主要 是由鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)和鏈終止等基元反應(yīng)組成，此外，聚合過(guò)程還常常伴有鏈轉(zhuǎn) 移反應(yīng)的發(fā)生[23]。

1.4.1鏈引發(fā)

鏈引發(fā)反應(yīng)主要是形成單體自由基活性中心的過(guò)程，它主要包括以下兩步： 一、產(chǎn)生帶自由基的活性中心；二、初級(jí)自由基與單體加成生成單體自由基，在 單體自由基形成后繼續(xù)與其他單體加成從而使鏈增長(zhǎng)[12]。其反應(yīng)式為：

R- + CH2 = CHRCH2— CH •

C〇NH2C〇NH2

RCH2— CH •+ DAC ? RAM—DAC •

C〇NH2

式中：R•為自由基，下同。

1.4.2鏈增長(zhǎng)

在鏈引發(fā)階段形成的單體自由基具有很高的活性，能與單體加成形成新的自 由基。新產(chǎn)生的自由基活性不會(huì)降低，繼續(xù)與其他單體反應(yīng)生成單體單元更多的 鏈自由基，這個(gè)過(guò)程稱為鏈增長(zhǎng)反應(yīng)[24]。其反應(yīng)式為：

RAM—DAC • + nAM + nDACR(AM—DAC)n+1 •

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1.4.3鏈終止

鏈自由基失去活性形成穩(wěn)定的聚合物分子的反應(yīng)稱為鏈終止反應(yīng)。自由基活 性高，很容易發(fā)生相互作用而終止反應(yīng)。鏈終止反應(yīng)包括偶合終止和歧化終止兩 種方式[7]。

偶合終止是指兩個(gè)鏈自由基的獨(dú)電子相互結(jié)合成共價(jià)鍵的終止反應(yīng)，反應(yīng)生 成大分子的聚合度是兩個(gè)鏈自由基重復(fù)單元數(shù)之和。如果沒(méi)有鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的發(fā)

生，大分子兩端則都為引發(fā)劑殘基。偶合終止反應(yīng)式如下：

Mn • + Mm •Mn-Mm

歧化終止是指一個(gè)鏈自由基奪取另一個(gè)鏈自由基上的原子而發(fā)生的終止反 應(yīng)，反應(yīng)生成大分子的聚合度與鏈自由基的單元數(shù)相同，其只有一端為引發(fā)劑殘 基，另一端為飽和或不飽和基團(tuán)[7]。歧化終止反應(yīng)式如下：

Mn- + Mm-Mn(飽和）+ Mm(不飽和）

鏈終止和鏈增長(zhǎng)是相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)，鏈終止和反應(yīng)體系中自由基的溶度有 關(guān)，保證低濃度的自由基對(duì)制備高相對(duì)分子量的聚丙烯酰胺是十分重要的。

1.4.4鏈轉(zhuǎn)移

鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)是指鏈自由基從其他分子上奪取原子而終止反應(yīng)成為一個(gè)穩(wěn)定 的分子的反應(yīng)。發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移會(huì)使原有的自由基反應(yīng)終止，產(chǎn)物聚合度變小導(dǎo)致分 子量降低，并且形成另一個(gè)自由基。在自由基聚合反應(yīng)過(guò)程中，鏈自由基可能會(huì) 因?yàn)閺膯误w、引發(fā)劑或者溶劑等上奪取一個(gè)原子而終止，使這些失去原子的分子 成為新的自由基，開始新的鏈反應(yīng)[7]。

制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的過(guò)程中，單體數(shù)量多，反應(yīng)體系復(fù)雜，很容易發(fā)生 鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，想要得到高相對(duì)分子質(zhì)量的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺就必須解決好鏈轉(zhuǎn)移 反應(yīng)帶來(lái)的不利影響。

1.5聚丙烯酰胺產(chǎn)品劑型與制備方法

聚丙烯酰胺工業(yè)產(chǎn)品劑型主要有水溶膠、粉劑、乳液和水分散型四類[7]。水 溶膠是聚丙烯酰胺最早期的產(chǎn)品劑型，一般是丙烯酰胺或者丙烯酰胺與其他單體 的水溶液經(jīng)聚合直接得到的一種產(chǎn)品形式，其固含量通常在5%?10%,分子量 不高。干粉型產(chǎn)品是丙烯酰胺的單體經(jīng)水溶液聚合、造粒、干燥、粉碎以及篩分

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等工序制得而成，是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種劑型，其除了由水溶液聚合法制得外， 還可以通過(guò)反相乳液法等制得。乳液型產(chǎn)品(油包水乳液)是借助油包水乳化劑將 單體水溶液分散在油介質(zhì)中聚合而得，具有高固含量、高分子量以及溶解速度快 等特點(diǎn)。水分散型產(chǎn)品(水包水乳液)是借助與產(chǎn)品有效成分相似的分散劑和介 質(zhì)，將較高濃度的單體水溶液分散在水中經(jīng)聚合而制得，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不含有 機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染，但生產(chǎn)成本較高。不同劑型的聚丙烯酰胺產(chǎn)品及其 主要聚合方法的比較如表1-1所示。

表1-1聚丙烯酰胺不同劑型產(chǎn)品及其聚合方法的比較 Table 1-1 Comparison between different formulations and polymerization methods of

polyacrylamide

產(chǎn)品劑型水溶膠粉末油包水乳液和微乳液水分散型

聚合方法水溶液聚合水溶液聚合乳液和微乳液聚合在水中的分散聚 合

操作方式間歇或連續(xù)間歇或連續(xù)間歇或連續(xù)間歇

設(shè)備簡(jiǎn)單復(fù)雜較復(fù)雜較復(fù)雜

外觀無(wú)色或淺黃 色膠狀體白色顆粒乳白色或淺黃色乳液乳白色或淺黃色 乳液

介質(zhì)水無(wú)飽和烴類溶劑水

溶解時(shí)間/min20 ?12020 ?1203?55?10

分子量上限八04<7001500?2000600?1200600?1200

貯運(yùn)費(fèi)用高低較高較高

1.5.1丙烯酰胺水溶液聚合

在單體溶液中進(jìn)行的聚合反應(yīng)稱為溶液聚合。溶液聚合中所用的溶劑必須能 同時(shí)溶解單體和其聚合產(chǎn)物[25]，其中最常見的是丙烯酰胺的水溶液聚合。水溶液 聚合法因其操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染，聚合轉(zhuǎn)化率高且易得到高分子量的聚 合產(chǎn)品而被沿用至今[26-28]。

工業(yè)上最常用的丙烯酰胺聚合引發(fā)劑主要是氧化還原引發(fā)體系，大致上分為 兩類。一類是無(wú)機(jī)過(guò)氧化物(如(NH4)2S2O8、K2S2O8和H2O2等)與還原劑(如 NaHSO3、FeSO4和FeCb等)組成；另一類是有機(jī)物組成的氧化還原引發(fā)體系， 如過(guò)氧化二苯甲酰、偶氮二異丁腈等，與叔胺如三乙胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙 酯等構(gòu)成[29]。有的時(shí)候也會(huì)選擇使用無(wú)機(jī)和有機(jī)復(fù)合引發(fā)體系。采用這類引發(fā)體

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系可以得到分子量高、水溶性好的聚合產(chǎn)品。

丙烯酰胺聚合得到的聚合物性質(zhì)主要取決于溶劑、引發(fā)劑、絡(luò)合劑、表面活 性劑和鏈轉(zhuǎn)移劑等的種類、用量和聚合溫度等因素。劉茂剛等[30]采用復(fù)合引發(fā)體 系(K2S2〇8- NaHS〇3-APP eHCl)引發(fā)二甲基二烯丙基氯化銨與丙烯酰胺進(jìn)行水溶 液共聚合，研究了助劑和引發(fā)劑的用量及單體配比對(duì)聚合物分子量的影響。結(jié)果 表明，在n(K2S2〇8): n(NaHS〇3)=1:1，APP.2HC1的加入量為單體質(zhì)量的2.5X 10-4，單體摩爾比n(AM): n(DM)=4:1，總單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的條件下，可以 制得單體轉(zhuǎn)化率97%以上，特性粘數(shù)高于11dL *g-1的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺共聚物。

1.5.2丙烯酰胺反相乳液聚合與反相微乳液聚合

通常把油分散在水中形成的膠體分散體稱為乳液，而乳液聚合則是由單體和 水在乳化劑的作用下形成的乳狀液中進(jìn)行的聚合。一般將油溶性單體在水中即水 包油型(O/W)的乳液聚合稱為正相乳液聚合，而水溶性單體借助油包水型(W/O) 乳化劑分散在非極性溶液中，形成油包水型乳液經(jīng)引發(fā)劑引發(fā)進(jìn)行的聚合反應(yīng)稱 為反相乳液聚合[7]。在此基礎(chǔ)之上，近些年來(lái)又出現(xiàn)了反相微乳液聚合法，微乳 液通常是指各向同性，粒徑在8?100nm的熱力學(xué)穩(wěn)定的膠體分散體系，由反相 微乳液聚合法制得的水溶性聚合物微乳液具有粒子大小均勻且穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)

[31]

O

周詩(shī)彪等[32]以過(guò)硫酸鉀和亞硫酸鈉為氧化還原引發(fā)劑，以Span-80和OP-10 為乳化劑，對(duì)丙烯酰胺的反相乳液聚合進(jìn)行了研究，探討了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、 引發(fā)劑用量等條件對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度為30°C，反應(yīng)時(shí)間 為4 h，油水體積比為4: 1，引發(fā)劑[n(過(guò)硫酸鉀)：n(亞硫酸鈉)=1: 1]用量為單 體質(zhì)量的0.5%，乳化劑[m(OP-10): m(Span-80)=1: 1]用量為單體質(zhì)量的0.8%時(shí)， 單體轉(zhuǎn)化率可達(dá)98.8%。滕大勇等[33]以Span-80和OP-10為復(fù)合乳化劑，以自制 的梳型聚合物MAM為助乳化劑，白油為介質(zhì)，焦亞硫酸鈉為引發(fā)劑引發(fā)丙烯酰 胺的聚合反應(yīng)，研究了引發(fā)劑濃度、聚合前通氮除氧時(shí)間、聚合降溫后持續(xù)反應(yīng) 溫度及時(shí)間等因素對(duì)丙烯酰胺反相微乳液聚合的影響，結(jié)果表明：引發(fā)劑濃度和 通氮除氧時(shí)間是影響產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量和穩(wěn)定性的主要因素，而聚合降溫之后的 持續(xù)反應(yīng)溫度和時(shí)間是影響單體轉(zhuǎn)化率的主要因素。當(dāng)引發(fā)劑濃度為2g/L，聚 合前通氮除氧時(shí)間為15min，聚合降溫后在40C條件下持續(xù)進(jìn)行反應(yīng)1 h時(shí)，可 制得固含量為37.0%，相對(duì)分子質(zhì)量為12.8X106穩(wěn)定且速溶的聚丙烯酰胺微乳 液。

9

I.5.3丙烯酰胺在水相中的分散聚合

聚丙烯酰胺產(chǎn)品的傳統(tǒng)劑型主要有膠體、粉狀和乳液，近些年開發(fā)出以水為 溶劑的分散型高濃度、高分子量的新型聚丙烯酰胺產(chǎn)品，即“水包水乳液，W/W”， 它具有無(wú)二次污染、溶解性能好的優(yōu)點(diǎn)。分散聚合也是自由基聚合中的一種，其 本質(zhì)上是一種在有穩(wěn)定劑存在的情況下特殊的沉淀聚合。在聚合反應(yīng)前，體系中 的單體、穩(wěn)定劑以及引發(fā)劑等所有成分溶解于介質(zhì)中，體系為均相溶液。當(dāng)聚合 反應(yīng)完成后，由于聚合物不溶于介質(zhì)中，因而便會(huì)有聚合物從溶液中析出。析出 的聚合物通過(guò)相互之間的作用形成微小顆粒，同時(shí)吸附穩(wěn)定劑，最終以球形顆粒 的形式懸浮于溶液中，形成穩(wěn)定的分散體系[34, 35]。

傅智健等[36]在硫酸銨溶液中，以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為陽(yáng)離子單 體單體，聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為分散劑，在偶氮二異丁脒鹽酸鹽的 引發(fā)作用下，與丙烯酰胺進(jìn)行分散聚合制得了聚丙烯酰胺聚合物。探討了分散劑 濃度、弓丨發(fā)劑濃度、反應(yīng)溫度、單體總濃度及其配比等對(duì)聚合產(chǎn)品的影響。結(jié)果 表明，在單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%?17%，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%?3.5%，無(wú)機(jī)鹽 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%?27%，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%，聚合反應(yīng)溫度為50°C條件 下，制得的乳液聚合物具有良好分散性和穩(wěn)定性，并且特性粘數(shù)達(dá)到11.14?

II.49dL • g-1。

1.5.4陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的制備

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺單元和陽(yáng)離子單元構(gòu)成的共聚高分子化合 物。目前，制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑的方法主要有兩大類：一是聚丙烯酰胺 的陽(yáng)離子改性法；二是丙烯酰胺與陽(yáng)離子單體共聚合[37]。

1.5.4.1聚丙烯釀胺的陽(yáng)離子改性法

聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子改性法一般是通過(guò)聚丙烯酰胺與二甲胺、二乙胺、三甲 胺等進(jìn)行曼尼希(Mannich)反應(yīng)引入胺類分子，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步反應(yīng)得到銨鹽而制得 的[38]。

(1)非離子型聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子化

非離子型聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子化是以非離子聚丙烯酰胺為原料，與甲醛和二 甲胺經(jīng)過(guò)Mannich反應(yīng)得到陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，主要反應(yīng)為：

10

CH- CH^- C=〇

+ HCHO + HN(CH3)2

I

NH2

-(-CH- CH-^-CH- CH-^

C=〇C=〇

CH3

NH2NHCH2N

CH3

此陽(yáng)離子化工藝流程少且操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)得到含胺甲基的陽(yáng)離子改性物。馬 喜平等[39]用甲醛和二甲胺在一定條件下與聚丙烯酰胺反應(yīng)制得了陽(yáng)離子聚丙烯 酰胺，并測(cè)試了其絮凝、抗鹽及緩蝕性能，結(jié)果表明陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的效果明 顯優(yōu)于聚丙烯酰胺。非離子型聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子化產(chǎn)物陽(yáng)離子度較低，原料利 用率不高，并且易生成影響產(chǎn)品性能的不溶性聚合物，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

(2)天然高分子接枝聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子化

合成有機(jī)高分子絮凝劑一般具有一定的毒性，且價(jià)格昂貴，而天然高分子絮 凝劑具有無(wú)毒、可生物降解、價(jià)廉等顯著優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外研究人員 的重視。其中，淀粉與丙烯酰胺等單體的接枝共聚物就是一種重要的淀粉改性絮 凝劑產(chǎn)品。淀粉接枝聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子化是先通過(guò)引發(fā)淀粉與丙烯酰胺類單體 共聚，然后以接枝共聚物為母體，通過(guò)Mannich反應(yīng)進(jìn)一步胺甲基化改性而制得 的[38]。

蔡清海等[40]以硝酸鈰銨和過(guò)硫酸銨(CAN-APS)為復(fù)合引發(fā)劑，在CAN-APS 為1.2mol/L，丙烯酰胺與淀粉的配比為2:1 (質(zhì)量比），反應(yīng)溫度為50°C，反應(yīng) 時(shí)間為3h的條件下，引發(fā)淀粉與丙烯酰胺接枝共聚，然后在丙烯酰胺、甲醛和 二甲胺質(zhì)量比為1:1:3,反應(yīng)溫度為50C,反應(yīng)時(shí)間為2h的條件下進(jìn)行接枝共聚 物的陽(yáng)離子化，制得了陽(yáng)離子型淀粉接枝聚丙烯酰胺。淀粉接枝陽(yáng)離子化得到的 陽(yáng)離子型天然高分子絮凝劑具有分子鏈穩(wěn)定性強(qiáng)、適用范圍廣、絮凝效果強(qiáng)等優(yōu) 點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展空間[41]。

陽(yáng)離子改性法制備陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺具有合成工藝簡(jiǎn)單、成本低、相對(duì)分 子量較高等優(yōu)點(diǎn)，但是工藝條件較復(fù)雜，陽(yáng)離子化程度不易控制，因此，陽(yáng)離子 聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子改性法還需進(jìn)一步完善。

1.5.4.2丙烯釀胺與陽(yáng)離子單體共聚合

丙烯酰胺與陽(yáng)離子單體的共聚合是最常用的制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的方法， 不同的陽(yáng)離子單體具有不同的反應(yīng)活性，正確選擇陽(yáng)離子單體，確定合適的反應(yīng)

11

體系和優(yōu)化條件對(duì)聚合反應(yīng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。常用的陽(yáng)離子單體主要有二甲基二烯 丙基氯化銨(DADMAC)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)和丙烯酰氧乙基 三甲基氯化銨(DAC)等。

(1)利用AM與DADMAC制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺

二甲基二烯丙基氯化銨(DADMAC)是一種水溶性氯化季銨鹽，它和丙烯酰胺 (AM)經(jīng)過(guò)自由基聚合反應(yīng)得到主鏈上帶五元環(huán)結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子聚電解質(zhì) P(DADMAC-AM)。其具有正電荷密度高、水溶性好、絮凝性能好以及高效無(wú)毒 等優(yōu)點(diǎn)，常被用作絮凝劑、穩(wěn)定劑、沉淀劑等被廣泛應(yīng)用于石油開采、紡織印染、 水處理等方面[42]。

P(DADMAC-AM)的一般制備方法是：將DADMAC溶液和AM單體按照一

定的比例加入到聚合反應(yīng)器中，通入氮?dú)馊コ芙庋?，加入引發(fā)體系引發(fā)聚合。 聚合完畢后，將陽(yáng)離子聚丙烯酰胺膠體塊經(jīng)造粒、干燥和粉碎操作過(guò)程后即可得 到陽(yáng)離子聚丙烯酰胺干粉[43,44]。趙松梅等[45]以二甲基二烯丙基氯化銨為陽(yáng)離子單 體與丙烯酰胺共聚，采用氧化還原劑(PSAM + CHONaS)—偶氮鹽(AZO)為引發(fā)體 系，通過(guò)水溶液聚合生成高相對(duì)分子質(zhì)量的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺 P(DADMAC-AM)。研究表明：低溫和高溫引發(fā)反應(yīng)的適宜溫度分別為15°C和50 °C，氧化劑和還原劑的最佳質(zhì)量比為7.5:1，氧化一還原劑、偶氮鹽與兩種單體 質(zhì)量和的質(zhì)量比分別為0.155%?0.187%和0.0275%?0.0415%時(shí)，生成陽(yáng)離子單 體與兩種單體質(zhì)量和的質(zhì)量比為26%、30%、35%的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，相對(duì)分 子質(zhì)量可達(dá)1445萬(wàn)、1000萬(wàn)和910萬(wàn)。沈高揚(yáng)等[46]以(NH4)2S2O8-NaHSO3為氧 化還原引發(fā)劑，通過(guò)水溶液聚合法合成了陽(yáng)離子有機(jī)高分子聚合物PDA，研究 了單體配比、引發(fā)劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)pH對(duì)聚合物PDA的特性粘數(shù)影響， 并且對(duì)聚合物的絮凝和脫色性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，最優(yōu)聚合方案為 m(DMDAAC): m(AM)=l: 4;弓丨發(fā)劑(NH4)2S2O8-NaHSO3 的用量為單體的 0.5%; 反應(yīng)溫度為50C;反應(yīng)PH為3ADA的投加量為90mg/L時(shí)，垃圾滲浙水的COD 去除率可以達(dá)到73.45%，色度去除率達(dá)到91.06%。

(2)利用AM與DMC制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺

P(DMC-AM)是一種線型陽(yáng)離子水溶性高聚物，作為絮凝劑被廣泛應(yīng)用于污 水處理中，尤其是廢水中含有有機(jī)污泥和生化污泥的脫水處理[47]。

P(DMC-AM)的制備工藝與P(DADMAC-AM)的相似，但是與DADMAC相 比，DMC與AM的競(jìng)聚率差別沒(méi)那么大，因此可以同時(shí)獲得高特性粘數(shù)和高陽(yáng) 離子度的共聚物。盧紅霞等[48]采用氧化還原劑和偶氮類化合物組成的復(fù)合引發(fā)劑 引發(fā)AM和DMC進(jìn)行水溶液聚合，得到P(DMC-AM)。研究表明：在反應(yīng)體系 PH=4.5，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，陽(yáng)離子度為40%，反應(yīng)時(shí)間為2.5h，烘干溫度

12

為60°C，時(shí)間為16h的條件下，得到的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)物特性粘數(shù)為 13.4dL/g，且產(chǎn)品的絮凝效果與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)。沈一丁等[49]通過(guò)反相乳液聚 合制備了絮凝性能優(yōu)異的高分子陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品P(DMC-AM)，研究了相 對(duì)分子質(zhì)量、廢水PH、藥劑投加量、陽(yáng)離子度等對(duì)造紙廢水絮凝效果的影響。 結(jié)果表明當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量為430萬(wàn)到460萬(wàn)，藥劑投加量為1.1?1.3mg/L，陽(yáng)離 子度為33%?38%,廢水PH為3?7條件下，CODCT去除率可達(dá)89%,透光率接 近 100%。

(3)利用AM與DAC制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺

P(DAC-AM)的制備與利用DMC生產(chǎn)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的生產(chǎn)工藝相似，但 與DMC相比，DAC的結(jié)構(gòu)中沒(méi)有2-甲基基團(tuán)，空間阻力小，聚合活性高，因 而容易得到較高特性粘數(shù)的產(chǎn)品。另外，產(chǎn)物分子鏈中沒(méi)有2-甲基，親水性會(huì)相 對(duì)較好，更易溶解。

盧紅霞等[50]采用(NH4)2 S2O8、CH3NaO3S，2H2O和偶氮類化合物組成的復(fù)合 引發(fā)體系引發(fā)AM和DAC單體進(jìn)行水溶液聚合，在PH=6，（NH4)2 S2O8和 CH3NaO3S • 2H2O總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0125%，質(zhì)量比為1:1，偶氮類化合物質(zhì)量分 數(shù)為0.0125%，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，陽(yáng)離子度為30%，反應(yīng)溫度為25C條件 下，得到特性粘數(shù)為13.85dL/g的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑。在對(duì)污泥進(jìn)行處理 時(shí)，當(dāng)其加入量為0.027%時(shí)，上層清液透光率為99.6%，污泥脫水率為90.5%。 徐景峰等[51]采用氧化還原引發(fā)劑和偶氮化合物組成的復(fù)合引發(fā)體系，引發(fā)丙烯酰 胺與丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨共聚合制備了高相對(duì)分子質(zhì)量的陽(yáng)離子聚丙烯 酰胺。研究了單體含量、溶液PH、助劑用量、復(fù)合引發(fā)體系中氧化劑、還原劑 與偶氮化合物配比及用量等對(duì)聚合產(chǎn)物性能的影響。研究表明：在單體質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為30%，聚合溶液體系PH為3，助溶劑用量為單體用量的4%?5%，復(fù)合引發(fā) 體系氧化劑、還原劑與偶氮化合物體積配比為1:1:1，干燥溫度為90C以下條件 下，可以制得相對(duì)分子質(zhì)量為1000X104?1200X104、陽(yáng)離子度為30%的陽(yáng)離子 聚丙烯酰胺產(chǎn)品。

1.6聚丙烯酰胺的干燥

聚丙烯酰胺一般被制成粉狀產(chǎn)品以便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用。干粉狀產(chǎn)品大多 是通過(guò)水溶液聚合再經(jīng)造粒、干燥、粉碎和篩分過(guò)程后得到的，而干燥過(guò)程是其 中至關(guān)重要的一步。在干燥過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生一些不良反應(yīng)，如殘余單體的熱 聚合，分子內(nèi)或分子間的酰亞胺化反應(yīng)等。高溫干燥和長(zhǎng)時(shí)間干燥都會(huì)造成產(chǎn)品

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分子量降低，溶解性變差，致使產(chǎn)品性能不佳[52]。因此選擇合適的干燥設(shè)備、方 式以及條件是獲得高質(zhì)量聚丙烯酰胺產(chǎn)品的必要保障。

1.6.1干燥器的分類

干燥過(guò)程中需要處理的物料種類繁多，物料特性也各不相同，因此干燥設(shè)備 也必然呈現(xiàn)多樣性以適應(yīng)不同干燥要求的物料。干燥設(shè)備組成單元的不同、供熱 方式的多樣以及干燥器內(nèi)部空氣與物料接觸方式的差別等決定了干燥設(shè)備結(jié)構(gòu) 的復(fù)雜性，到目前為止，干燥器還沒(méi)有統(tǒng)一的分類方式。根據(jù)傳熱方式的不同， 一般干燥器分類如表1-2所示。

表1-2主要的干燥設(shè)備 Table 1-2 Main drying equipments

傳熱方式干燥器

對(duì)流傳熱廂式干燥器、帶式干燥器、噴霧干燥器、氣流干燥器、流化床干燥器等

熱傳導(dǎo)滾筒干燥器、攪拌式干燥器、間接加熱回轉(zhuǎn)干燥器等

紅外線輻射干燥器

介電微波高頻干燥器

1.6.2干燥器的選擇

對(duì)于干燥過(guò)程來(lái)說(shuō)，干燥設(shè)備的選擇是十分重要且復(fù)雜的。在選擇干燥器時(shí)， 我們要考慮到被干燥物料的特性、供熱的方式、物料和干燥介質(zhì)的接觸情況等眾 多因素，因此不可能有萬(wàn)能的干燥設(shè)備，只能選擇最適合的干燥器形式和干燥方 法。根據(jù)物料進(jìn)入干燥器的狀態(tài)，常用干燥器的選擇如表1-3所示。

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表1-3常用干燥設(shè)備選擇 Table 1-3 Selection of usual drying equipments

濕物料狀態(tài)應(yīng)用實(shí)例適用干燥器

液體或泥漿狀 糊狀物牛奶、洗滌劑、樹脂溶劑等 染料、顏料、淀粉、泥土等噴霧干燥器、滾筒干燥器等 氣流干燥器、帶式干燥器、真空轉(zhuǎn) 筒干燥器等

粉粒狀聚氯乙烯等合成樹脂、合成肥氣流干燥器、轉(zhuǎn)筒干燥器、流化床

料、活性炭等干燥器、廂式干燥器等

塊狀煤、焦炭、礦石等轉(zhuǎn)筒干燥器、廂式干燥器等

片狀煙葉、薯片等帶式干燥器、穿流廂式干燥器等

纖維狀醋酸纖維、硝酸纖維等流化床干燥器、穿流廂式干燥器等

'定大小的物料或制品木材、陶瓷制品、礦石等洞道式干燥器等

1.6.3聚丙烯酰胺干燥特性

根據(jù)不同的聚合方法，聚丙烯酰胺產(chǎn)品會(huì)有不同的物質(zhì)形態(tài)。水溶液聚合得 到的聚丙烯酰胺呈現(xiàn)出膠體形態(tài)，通過(guò)反相乳液和反相微乳液聚合得到的聚丙烯 酰胺呈現(xiàn)乳膠，而由分散聚合制得的聚丙烯酰胺則呈現(xiàn)為乳液[53-55]。針對(duì)不同形 態(tài)的聚丙烯酰胺產(chǎn)品以及不同的成品要求，聚丙烯酰胺的干燥方式也各不相同。

伊卓等[56]采用新型低溫氧化-還原復(fù)合引發(fā)體系，通過(guò)水溶液聚合法制得了 高分子量耐溫抗鹽二元共聚物P(AM-AMPS)。將P(AM-AMPS)聚合物膠塊造粒 成4?6mm左右的膠粒，在鼓風(fēng)干燥箱中考察了干燥溫度和時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影 響，結(jié)果表明干燥溫度在70?90°C、干燥時(shí)間3h，對(duì)共聚物溶解性和分子量無(wú) 明顯影響。盧英林等[57]采用微波-對(duì)流干燥方式對(duì)聚丙烯酰胺的干燥進(jìn)行了研究， 結(jié)果表明微波-對(duì)流干燥技術(shù)對(duì)含水率高、粘度較大、表面過(guò)熱易結(jié)殼的熱敏性 物料有較好的干燥效果，當(dāng)物料含水率大于20%，干燥效果尤為明顯，隨著含水 率的降低，干燥效果有所降低。吳充實(shí)等[58]采用后水解工藝制備了超高分子量聚 丙烯酰胺，研究了干燥條件對(duì)產(chǎn)品溶解性能的影響，結(jié)果表明：含水率為75%、 粒徑為3?5mm的產(chǎn)品顆粒在鼓風(fēng)干燥箱中干燥時(shí)，干燥溫度為90C，干燥時(shí) 間為2h最為適宜；采用直徑140mm、長(zhǎng)度200mm、體積3.2L的聚丙烯轉(zhuǎn)筒干 燥器(仿照工業(yè)生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)筒干燥器)進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)，裝入800g相同含水率和 粒徑的產(chǎn)品顆粒，先用90?95C熱風(fēng)干燥約30min，再降低至75?80C干燥約 90min，得到的產(chǎn)品分子量穩(wěn)定且具有較好的溶解性。由此看來(lái)，不同的產(chǎn)品及 成品要求制約著干燥方式及條件的選擇，而干燥方案的制定則決定著聚丙烯酰胺

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產(chǎn)品性能的好壞，因此，選擇正確的干燥形式以及方案是生產(chǎn)高性能聚丙烯酰胺 產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。

1.7本課題研究的主要內(nèi)容及意義

本文根據(jù)優(yōu)化的工藝小試合成了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑樣品，研究了其干 燥條件和性能，并進(jìn)一步進(jìn)行了中試放大設(shè)計(jì)，具體研究?jī)?nèi)容如下：

(1)根據(jù)優(yōu)化的聚合工藝，采用自制的雙官能度引發(fā)劑DIOOH，配合還原劑 NaHS〇3和水溶性偶氮引發(fā)劑VA-044組成的復(fù)合引發(fā)體系，引發(fā)AM單體與DAC 陽(yáng)離子單體進(jìn)行水溶液聚合，制備了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑，并測(cè)定了其特性 粘數(shù)，研究了其溶解性及絮凝性能。

(2)以小試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺樣品為研究對(duì)象，在鼓風(fēng)干燥箱中分別研究了恒溫 以及變溫干燥條件對(duì)產(chǎn)品性能的影響，確定最佳干燥條件，為中試干燥方案的制 定提供依據(jù)。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究，對(duì)PAM-C的生產(chǎn)進(jìn)行中試放大設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了原料凈化釜和 聚合反應(yīng)器并進(jìn)行了安裝、調(diào)試、運(yùn)行及產(chǎn)品初步評(píng)價(jià)。根據(jù)中試干燥裝置的特 點(diǎn)制定出可行的產(chǎn)品干燥方案。

(4)將自制陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品與其他商品進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同污水廠的 污泥進(jìn)行絮凝性能的研究。

(5)對(duì)中試PAM-C產(chǎn)品進(jìn)行水廠污泥脫水上機(jī)試驗(yàn)，研究了其實(shí)際污水處理效 果。

16 

第二章PAM-C的實(shí)驗(yàn)室制備及干燥特性與產(chǎn)品性能研究

2.1PAM-C的實(shí)驗(yàn)室制備

本工藝以丙烯酰胺(AM)和丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DAC)為聚合單體，采 用復(fù)合引發(fā)體系，通過(guò)水溶液自由基聚合反應(yīng)，制得了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑。 水溶液聚合工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，操作安全方便，工藝中不回收溶劑，環(huán)境 污染少且聚合產(chǎn)率高，可得到較高特性粘數(shù)的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品。

2.1.1實(shí)驗(yàn)原料與助劑

本實(shí)驗(yàn)所用到的原料與助劑如表2-1所示。

表2-1實(shí)驗(yàn)原料與助劑 Table 2-1 Reagents used in experiment

名稱規(guī)格生產(chǎn)廠家用途

丙烯酰胺(AM)工業(yè)級(jí)淄博明新化工聚合單體

丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DAC)工業(yè)級(jí)巴斯夫公司聚合單體

乙二胺四乙酸二鈉(EDTA • 2Na)分析純天津科威絡(luò)合劑

聚氧乙烯和聚氧丙烯嵌段聚合物(PF68)工業(yè)級(jí)江蘇海安表面活性劑

尿素分析純天津科威助溶劑

異丙醇分析純天津科威鏈轉(zhuǎn)移劑

偶氮二異丙基咪唑啉鹽酸鹽(VA-044)進(jìn)口上海偶氮引發(fā)劑

2,5-二甲基-2, 5-二過(guò)氧化羥基己烷(DIOOH)-自制雙官能度引發(fā)劑

亞硫酸氫鈉(NaHSO3)分析純天津科威還原劑

水純凈水自制溶劑

2.1.2實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)所用到的主要儀器如表2-2所示。

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表2-2實(shí)驗(yàn)所用儀器 Table 2-2 Instruments used in experiment

主要儀器型號(hào)生產(chǎn)廠家

電子天平AL204(0.0001)梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司

電熱恒溫水浴槽DG-8D上海-恒科技有限公司

電熱鼓風(fēng)干燥箱DHG-9140上海培因?qū)嶒?yàn)儀器有限公司

真空干燥箱DZG-6050上海培因?qū)嶒?yàn)儀器有限公司

高速萬(wàn)能粉碎機(jī)FW-200北京中興偉業(yè)儀器有限公司

低溫水浴DC0510寧波新芝生物科技股份有限公司

數(shù)顯電動(dòng)攪拌器DW-3鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司

循環(huán)水式真空泵SHB-III河南省予華儀器有限公司

烏氏粘度計(jì)0.4 ?0.5上海梁靜玻璃儀器廠

超級(jí)恒溫水浴槽CH1020T上海方瑞儀器有限公司

2.1.3實(shí)驗(yàn)方法

在洗凈的塑料瓶中加入總質(zhì)量30%的聚合單體AM和DAC, 0.01%的絡(luò)合劑 乙二胺四乙酸二鈉，0.075%的表面活性劑PF68, 0.1%的助溶劑尿素，0.18%的鏈 轉(zhuǎn)移劑異丙醇，0.007%的偶氮引發(fā)劑VA-044，混合均勻后通入氮?dú)饷摮芤褐?的溶解氧。在室溫和維持通氮條件下，加入0.005%的雙官能度引發(fā)劑DIOOH和

0.004%的NaHS〇3引發(fā)聚合（各助劑及引發(fā)劑濃度百分?jǐn)?shù)均是指對(duì)單體質(zhì)量的百 分?jǐn)?shù)），完成低溫初級(jí)聚合。將初級(jí)聚合物置于50°C恒溫水浴中穩(wěn)定5h。反應(yīng)結(jié) 束后得到白色透明膠狀物，如圖2-1所示。取出膠體進(jìn)行造粒、干燥以及粉碎篩 分即得一定粒度分布的粉狀陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑，如圖2-2所示。

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圖2-1實(shí)驗(yàn)室膠體產(chǎn)品 Figure 2-1 Colloidal product in laboratory

 

圖2-2實(shí)驗(yàn)室粉狀產(chǎn)品 Figure 2-2 Powdery product in laboratory

根據(jù)GB12005.9-92,不同陽(yáng)離子度的聚丙烯酰胺可以分為不同的產(chǎn)品系列， 本文中以陽(yáng)離子度15°%(摩爾分?jǐn)?shù))的產(chǎn)品為對(duì)象進(jìn)行研究。

2.2產(chǎn)品性能測(cè)定 2.2.1特性粘數(shù)的測(cè)定

根據(jù) GB12005.1-1989，用一點(diǎn)法在(30±0.05)°C恒溫水浴中，1mol/LNaCl 水

溶液條件下，用烏式粘度計(jì)測(cè)定產(chǎn)品的特性粘數(shù)。

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2.2.2溶解性的測(cè)定

根據(jù)GB12005.8，稱量(0.040±0.002)g產(chǎn)品溶解于100mL裝有電導(dǎo)儀的去離 子水中，在(30±1)°C條件下恒溫?cái)嚢?，隨著試樣的不斷溶解，溶液的電導(dǎo)值不 斷增大，全部溶解后，電導(dǎo)值恒定。一定量的試樣在一定量水中溶解時(shí)，電導(dǎo)值 達(dá)到恒定所需的時(shí)間為試樣的溶解時(shí)間。記錄產(chǎn)品完全溶解所需的時(shí)間，以此考 察溶解性。

2.3 PAM-C實(shí)驗(yàn)樣品干燥條件研究

將制得的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)過(guò)膠體造粒、干燥和粉碎篩分后得到 粉末狀成品，其中干燥是影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。

在陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品干燥過(guò)程中，聚合產(chǎn)物可能會(huì)發(fā)生部分降解。聚合 物降解是指聚合物在高溫條件影響下分子內(nèi)化學(xué)鍵發(fā)生斷裂。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 膠體在加熱干燥過(guò)程中總是伴隨著降解的發(fā)生，因此應(yīng)該選擇合適的干燥溫度。 本實(shí)驗(yàn)將PAM-C膠體剪碎成3?6mm粒徑的顆粒，在鼓風(fēng)干燥箱中對(duì)其進(jìn)行干燥 條件的研究。

2.3.1恒溫干燥

根據(jù)成品最終濕含量為8%?10%(濕基)的要求，在溫度分別為60、70、80、

90和100C條件下，將放有等量(少量)膠體顆粒的白瓷盤放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行 恒溫干燥，得到各溫度條件下的恒溫干燥曲線如圖2-1所示。

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—■-10CTC

—•--9CTC

▲-8CTC

—W--7CTC

-^4--6CTC

0.0.0.0.0.0.0. (這蓉賴芝/爺芑)«如圍

 

0-0 i i ' i1 i1 i1 i1 i1 i 1 i 1 i 1 i

020406080100120140160180200

時(shí)間（min)

圖2-1恒溫干燥曲線 Figure 2-1 Constant temperature drying curve

由圖2-1可以看出，在同一干燥溫度條件下，干燥曲線基本符合恒溫干燥的 一般規(guī)律。初始干燥階段屬于預(yù)熱階段，物料濕含量隨時(shí)間的增加而緩慢降低， 水分蒸發(fā)速率緩慢增加；之后進(jìn)入恒速干燥階段，物料濕含量的變化與時(shí)間基本 呈線性關(guān)系，濕含量持續(xù)下降；隨著水分的減少，干燥進(jìn)入降速干燥階段，干燥 速率逐漸降低。由圖可知，隨著干燥溫度的增加，達(dá)到濕含量8%?10%的產(chǎn)品 干燥要求所需時(shí)間越來(lái)越短，但由于干燥溫度的升高可能會(huì)引起陽(yáng)離子聚丙烯酰 胺發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使得產(chǎn)品溶解性能下降，特性粘數(shù)降低，因此，還要進(jìn)一步考 察干燥溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響。將不同干燥溫度條件下得到的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 絮凝劑粉碎溶解，測(cè)定其特性粘數(shù)和溶解時(shí)間，所得數(shù)據(jù)如表2-3所示。

表2-3干燥溫度對(duì)產(chǎn)物特性粘數(shù)和溶解性的影響

Table 2-3 Effect of drying temperature on the intrinsic viscosity and solubility of product

干燥溫度/°c干燥時(shí)間/min特性粘數(shù)/mL • g-1溶解時(shí)間/min

60160?180152570

70140?150152367

80130?135148758

90120?130132245

100105?1151109部分未溶解

由表2-3可以看出，隨著干燥溫度的升高，產(chǎn)物特性粘數(shù)逐漸降低，干燥溫 度從60 °C變化到70 °C，產(chǎn)物的特性粘數(shù)基本沒(méi)有變化，但干燥時(shí)間縮短，溶解時(shí) 間減少。產(chǎn)品特性粘數(shù)越高溶解時(shí)間越長(zhǎng)，這可能是因?yàn)榫酆袭a(chǎn)物特性粘數(shù)高， 分子量大，形成的分子鏈較長(zhǎng)，因此溶解時(shí)間也會(huì)相應(yīng)長(zhǎng)。隨著干燥溫度的進(jìn)一 步升高，聚合產(chǎn)物發(fā)生降解而致使特性粘數(shù)有明顯下降，溶解時(shí)間也相應(yīng)變短； 當(dāng)干燥溫度到達(dá)100C時(shí)，聚合物可能發(fā)生部分交聯(lián)反應(yīng)，造成產(chǎn)物部分未溶解。 由此可以看出，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，干燥溫度應(yīng)盡量控制在70C左右。

2.3.2變溫干燥

變溫干燥與傳統(tǒng)的恒溫干燥工藝相比，不僅可以節(jié)省干燥系統(tǒng)的能耗，而且 基本可以保持產(chǎn)品質(zhì)量。在干燥初期，可以使用較高的干燥溫度，快速除去物料 表面的水分，然后降低干燥溫度，減少物料表面水分蒸發(fā)速率，使其盡量與內(nèi)部 水分?jǐn)U散速率相當(dāng)，降低內(nèi)外溫差避免表面結(jié)殼。對(duì)于變溫干燥工藝，要想得到 品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品且系統(tǒng)滿足干燥效率和能耗要求，關(guān)鍵在于干燥過(guò)程中溫度、物 料水分含量和干燥時(shí)間的選擇與控制[59,60]。

將陽(yáng)離子聚丙烯酰胺膠體實(shí)驗(yàn)樣品剪碎成3?6mm粒徑的膠體顆粒，將裝滿 有預(yù)干燥顆粒的白色搪瓷盤放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行變溫干燥實(shí)驗(yàn)。干燥過(guò)程設(shè)定 為：第一變溫段，初始干燥溫度設(shè)定為100C，待物料濕含量到達(dá)50%，進(jìn)入第 二變溫段，將溫度調(diào)至90C繼續(xù)進(jìn)行干燥，當(dāng)物料濕含量達(dá)到20%，進(jìn)入第三變 溫段，將烘箱溫度調(diào)至70C進(jìn)行干燥直至達(dá)到干燥要求，關(guān)閉鼓風(fēng)干燥箱。與相 同裝料條件下70C恒溫干燥進(jìn)行對(duì)比，得到的干燥曲線如圖2-2所示。對(duì)70C恒 溫干燥以及100C變溫干燥條件下所得的產(chǎn)品進(jìn)行特性粘數(shù)和溶解性研究，所得 結(jié)果如表2-4所示。

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Figure 2-2 Drying curve

表2-4不同干燥條件下產(chǎn)物的特性粘數(shù)和溶解性

Table 2-4 The intrinsic viscosity and solubility of product in different drying condition

干燥條件干燥時(shí)間/min特性粘數(shù)/mL • g-1溶解時(shí)間/min

100 C變溫200?210149563

70C恒溫270?280152465

由圖2-2可知，與在70°C條件下的恒溫干燥相比，初始溫度為100°C的變溫 干燥的干燥效率較高，干燥時(shí)間明顯縮短。在1〇〇°C變溫干燥條件下，保持100 C干燥溫度干燥35分鐘后，物料的含水率到達(dá)50°%左右(物料不粘手)；將溫度 調(diào)至90C，繼續(xù)干燥1小時(shí)，物料的含水率便達(dá)到20°%左右；接著將干燥溫度 定為物料的最適干燥溫度70C干燥110分鐘，即可達(dá)到干燥要求。通過(guò)表2-4 中對(duì)不同干燥條件下干燥物料特性粘數(shù)及溶解性的考察可知，在100C變溫干燥 條件下得到的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品的性能與其在最適干燥溫度條件下進(jìn)行恒溫干燥得到的產(chǎn)品相比略有下降，但仍處于較高水平。綜合考慮，采用變 溫干燥對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干燥是更加高效可行的。

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2.4小結(jié)

(1)在陽(yáng)離子聚丙烯酰胺實(shí)驗(yàn)樣品的制備過(guò)程中，采用氧化還原引發(fā)劑和 偶氮類引發(fā)劑組成的復(fù)合引發(fā)體系與傳統(tǒng)的單獨(dú)使用氧化還原引發(fā)劑相比，具有 反應(yīng)誘導(dǎo)期短，反應(yīng)過(guò)程平穩(wěn)且制得的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)物特性粘數(shù)高等優(yōu) 點(diǎn)。

(2)采用DIOOH、NaHS〇3和偶氮類引發(fā)劑VA-044組成的復(fù)合引發(fā)體系引 發(fā)AM與DAC單體進(jìn)行水溶液聚合，當(dāng)單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，絡(luò)合劑EDTA *2Na 濃度為0.01%，表面活性劑PF68濃度為0.075%，助溶劑尿素濃度為0.1%，鏈轉(zhuǎn)移 劑異丙醇濃度為0.18%，偶氮引發(fā)劑VA-044濃度為0.007%，雙官能度引發(fā)劑 DIOOH濃度為0.005%，還原劑NaHSO3濃度為0.004%的條件下（各助劑及引發(fā)劑 濃度百分?jǐn)?shù)均是指對(duì)單體質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)），可以制得陽(yáng)離子度為15%(摩爾分?jǐn)?shù)) 的CPAM產(chǎn)品，特性粘數(shù)為1524ml/g，溶解時(shí)間為65min。

(3)通過(guò)對(duì)小試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺膠體顆粒的干燥實(shí)驗(yàn)可知，在鼓風(fēng)干燥 箱中，70°C恒溫干燥條件下，可以得到高特性粘數(shù)且溶解性能良好的絮凝劑產(chǎn)品， 溫度越高，產(chǎn)品特性粘數(shù)下降。對(duì)膠體顆粒進(jìn)行變溫干燥實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明， 在初始溫度為100C條件下進(jìn)行的分段變溫干燥與在70C條件下的恒溫干燥實(shí)驗(yàn) 相比，產(chǎn)品特性粘數(shù)略有降低，但仍處于較高水平，因此，選擇對(duì)陽(yáng)離子聚丙烯 酰胺膠體進(jìn)行變溫干燥是高效可行的。

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第三章中試放大設(shè)計(jì)及產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

本課題所涉及的中試放大是在紀(jì)莊子污水處理廠完成的，紀(jì)莊子污水處理廠 是天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司下屬的五大污水處理廠之一，污水處理能力達(dá) 45萬(wàn)噸/天，它也是我國(guó)目前已建成的首座城鎮(zhèn)污水處理廠。根據(jù)陽(yáng)離子聚丙烯 酰胺絮凝劑實(shí)驗(yàn)樣品制備的優(yōu)化工藝，即原料凈化、產(chǎn)品聚合、造粒、干燥以及 粉碎篩分五個(gè)工藝過(guò)程，在紀(jì)莊子污水處理廠進(jìn)行了年產(chǎn)100噸陽(yáng)離子聚丙烯酰 胺絮凝劑中試放大設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了開車試車運(yùn)行調(diào)試。在凈化聚合過(guò)程中，改進(jìn) 優(yōu)化了裝置上以及操作方式上出現(xiàn)的各種問(wèn)題，制定了一套產(chǎn)品穩(wěn)定生產(chǎn)操作方 案。在聚合膠體產(chǎn)品的干燥過(guò)程中，對(duì)干燥裝置系統(tǒng)進(jìn)行了分析測(cè)定，結(jié)合小試 干燥實(shí)驗(yàn)，制定了可行的變溫干燥方案。通過(guò)對(duì)干燥產(chǎn)品的進(jìn)一步粉碎篩分，得 到一定粒度大小的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品粉末，并對(duì)終產(chǎn)品性能進(jìn)行了評(píng) 價(jià)。

3.1PAM-C的中試生產(chǎn)設(shè)計(jì) 3.1.1工藝流程設(shè)計(jì)

工藝流程設(shè)計(jì)是車間工藝設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟，影響著整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備選 型以及車間布置等一系列過(guò)程，因此，做好工藝流程設(shè)計(jì)是圓滿完成設(shè)計(jì)工作的 重要前提和必要保障。在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，可靠、高效和低耗是確定工藝流程的 根本設(shè)計(jì)原則，在保證同等效益的前提下，工藝流程應(yīng)當(dāng)力求簡(jiǎn)單以利于生產(chǎn)操

作。

本設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)室小試樣品制備工藝為基礎(chǔ)，整個(gè)工藝總體上分為原料凈化和 聚合反應(yīng)兩個(gè)主要工段以及剪碎造粒、干燥和粉碎篩分等一系列單元操作。以方 框表示單元過(guò)程，以箭頭表示物料流和載能介質(zhì)流向，該設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝流程框 圖如圖3-1所示：

25

 

 

 

圖3-1工藝流程框圖 Figure 3-1 Process flow diagram

其中，最主要的步驟是原料的凈化以及聚合反應(yīng)，凈化聚合工段的工藝流程 圖如圖3-2所示。制備得到陽(yáng)離子聚丙烯酰胺膠體后經(jīng)剪碎造粒、干燥以及粉碎 篩分等后處理過(guò)程后等到絮凝劑產(chǎn)品，膠體后處理過(guò)程工藝流程圖如圖3-3所示。

3.1.2運(yùn)行操作規(guī)程

以實(shí)驗(yàn)室小試為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)中試裝置設(shè)備的改進(jìn)調(diào)試以及操作方式的合理 設(shè)計(jì)，制定了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)方案，具體操作步驟如下：

(1)配料：稱取一定量的AM、DAC以及各種助劑，加工藝水配制成單體質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為30%的聚合水溶液，保證原料固體顆粒完全溶解后裝入原料凈化釜 (JR-01?03)中，凈化釜采用三釜串聯(lián)式。

(2)凈化：往凈化釜中通入氮?dú)猓ㄟ^(guò)流量控制板控制氮?dú)饬髁?，采用三?jí)逆 流式通氮除氧，每個(gè)凈化釜至少通氮15分鐘。

(3)聚合：將聚合反應(yīng)器(JV-01?10)裝好聚合反應(yīng)袋，將凈化好的物料溶液轉(zhuǎn) 入到聚合反應(yīng)器中，繼續(xù)通氮15分鐘，加入氧化劑DIOOH，在氮?dú)獾淖?用下使其混合均勻。加入還原劑NaHS〇3,待物料開始升溫5分鐘之后停止 通氮?dú)?，?dāng)溫度不再上升后將聚合反應(yīng)器轉(zhuǎn)移到50°C恒溫水浴槽(S-02)中， 恒溫穩(wěn)定5小時(shí)。

(4)造粒：通過(guò)膠塊剪碎機(jī)(HC-01)將聚合產(chǎn)物膠塊剪碎成小塊，然后在雙螺 桿造粒機(jī)(HC-02)的作用下將膠體小塊擠壓造粒成3?6mm粒徑的顆粒，所 用分散劑為OP-10水溶液。

(5)干燥：將造粒好的膠體顆粒裝入烘干盤小車(HC-03)上，推入熱風(fēng)循環(huán)箱式 干燥器(HC-04)中進(jìn)行變溫干燥。干燥介質(zhì)為熱空氣，采用生物質(zhì)熱風(fēng)爐 (HC-10)進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的煙道氣經(jīng)過(guò)熱水器(HC-11)回收熱量，熱水器中 的水通過(guò)管道泵在恒溫水浴槽之間循環(huán)，維持水浴槽溫度恒定。在箱式干 燥器中進(jìn)行變溫干燥。在進(jìn)口溫度為(100±5)C條件下，干燥3h，將干燥 小車調(diào)換次序后繼續(xù)在(100±5)C溫度條件下干燥3h。將干燥物料粗碎后 在(90±5)C溫度條件下干燥3h，然后降溫至(70±5)C繼續(xù)干燥3h，自然 冷卻后完成干燥。

(6)粉碎篩分：將經(jīng)熱風(fēng)循環(huán)干燥箱干燥好的膠體顆粒送至粉碎篩分工段，經(jīng) 對(duì)輥粉碎機(jī)(HC-05)粉碎，然后過(guò)20目振動(dòng)篩(HC-06)得到粉狀產(chǎn)品。

(7)包裝：粉碎篩分后的產(chǎn)品裝入密封包裝袋，密封保存。

3.1.3生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)生產(chǎn)工藝過(guò)程，對(duì)各操作單元所涉及的設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選型。具體內(nèi) 容如下：

29

(1)制氮單元

制氮系統(tǒng)采用天津紐森科技有限公司提供的變壓吸附制氮成套裝置(型號(hào)為 NC395-10B)，主要提供高純氮，氮?dú)饧兌龋?9.995%，制氮量：10Nm3/h。設(shè)備 如圖3-4所示。

 

Figure 3-4 Nitrogen making machine

圖3-4制氮設(shè)備

(2)工藝水制備單元

工藝水制備系統(tǒng)是采用三達(dá)膜科技(北京)有限公司提供的二級(jí)反滲透純凈 水制備成套裝置，主要提供高純水，出水濃度：10uS/cm，制水量：500L/h。設(shè) 備如圖3-5所示。

 

Figure 3-5 Purified water making machine

圖3-5純凈水設(shè)備

30

(3)原料凈化和聚合反應(yīng)單元

凈化聚合流程中主要設(shè)備如表3-1所示。

表3-1凈化聚合流程主要設(shè)備

Table 3-1 Main equipments of deoxidization and polymerization process

序號(hào)設(shè)備位號(hào)設(shè)備名稱規(guī)格/型號(hào)材質(zhì)備注

1GR-01工藝水儲(chǔ)罐0 500X1200PE1件

2JR-01 ?03脫氧凈化器0310X1280聚酯玻璃鋼3件

3JR-04真空緩沖罐0 600X14503041件

4S-01聚合水浴槽1000X1000X800碳鋼1件

5JV-01 ?10聚合反應(yīng)器600X200X80030410件

6S-02穩(wěn)定水浴槽2000X1000X800碳鋼1件

7B-01計(jì)量泵JSK-II1臺(tái)

8B-02真空泵SK-1.5水循環(huán)式真空泵1臺(tái)

9B-03管道泵WG18-14增壓泵1臺(tái)

總計(jì)20件

本文根據(jù)原料混合和聚合反應(yīng)特性對(duì)中試生產(chǎn)步驟中的脫氧凈化器和聚合 反應(yīng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。（共繪制CAD圖紙16張，合零號(hào)圖紙3張。）

在凈化聚合工藝過(guò)程中，脫氧凈化器的作用是使聚合混合液脫除溶解氧。氧 是自由基聚合反應(yīng)的阻聚劑，因此在聚合反應(yīng)前應(yīng)盡量脫除溶液中的溶解氧。施 工設(shè)計(jì)中脫氧凈化器采用聚酯玻璃鋼材質(zhì)以避免聚合液受鐵離子、氯離子阻聚影 響。脫氧凈化器出口設(shè)計(jì)為60°錐形封頭，氮?dú)膺M(jìn)口管直達(dá)錐底，由凈化釜底部 向上逸出，與向下裝入的反應(yīng)液體系逆向充分接觸，以利于氮?dú)庠趦艋鲀?nèi)均勻 分布。脫氧凈化系統(tǒng)采用三級(jí)逆流操作，以利于充分利用氮?dú)?，?jié)約氮?dú)庥昧俊?在系統(tǒng)中采用氣體流量計(jì)控制用氮量和進(jìn)行充氮的調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)有通氮顯示屏。脫 氧凈化器裝置如圖3-6所示。

31

 

圖3-6脫氧凈化器 Figure 3-6 Deoxidization devices

聚合反應(yīng)器是聚合反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，經(jīng)過(guò)脫氧凈化器預(yù)凈化的水溶液通入到 該設(shè)備內(nèi)，往聚合反應(yīng)器內(nèi)滴加引發(fā)劑（氧化劑和還原劑），使反應(yīng)器中的反應(yīng) 液聚合成為膠狀物產(chǎn)品，即完成了陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的制備工藝?？紤]到自由基 聚合反應(yīng)過(guò)程會(huì)受鐵離子等的阻聚作用影響；聚合反應(yīng)迅速，引發(fā)劑混合不均會(huì) 導(dǎo)致聚合反應(yīng)在局部發(fā)生致使會(huì)產(chǎn)生不聚合的區(qū)域；聚合反應(yīng)熱不易散出，局部 溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生；聚合產(chǎn)品的高粘度會(huì)在反應(yīng)器壁面形成粘結(jié)致使 難以清理等因素，聚合反應(yīng)器設(shè)計(jì)如下：

1.自由基聚合反應(yīng)在pp聚合袋內(nèi)發(fā)生，聚合袋作為聚合反應(yīng)器內(nèi)套容器，具有 良好的傳熱效果，耐溫性能好且潔凈。因此，膠體產(chǎn)品拆卸更加方便，也無(wú) 需因產(chǎn)物粘連而清洗設(shè)備。

2.聚合反應(yīng)器為敞開式結(jié)構(gòu)，先后分別浸入聚合水浴槽和穩(wěn)定水浴槽中，在提 供良好的傳熱條件下完成聚合反應(yīng)及穩(wěn)定化，克服了傳熱不良的影響。

3.聚合反應(yīng)器通氮形式采用多管進(jìn)氣集匯結(jié)構(gòu)，便于提高通氮除氧效率，且對(duì) 加入的引發(fā)劑（氧化劑和還原劑）有很好的分散作用，使反應(yīng)液快速達(dá)到均 勻化，盡量避免局部反應(yīng)的發(fā)生。

4.為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，全部采用304不銹鋼。聚合反應(yīng)器裝置如圖3-7所示。

32

 

圖3-7聚合反應(yīng)器 Figure 3-7 Polymerization reactor

(4)產(chǎn)品膠體塊剪碎造粒單元

聚合反應(yīng)完成后，得到600X300X100呈透明的膠體塊，外裝PP聚合袋。 剪碎造粒單元的主要任務(wù)為：1.人工破袋；2.滴加表面活性劑以起到分散作用；

3.通過(guò)剪碎機(jī)粗碎，造粒機(jī)造粒，將造粒后的物料進(jìn)行裝盤裝車，運(yùn)至干燥單元。

 

a

 

b

剪碎造粒系統(tǒng)設(shè)計(jì)有表面活性劑添加裝置，表面活性劑采用OP-10和工藝水 配制成的均勻溶液。剪碎造粒裝置為外購(gòu)的成套設(shè)備，如圖3-8所示：

圖3-8剪碎造粒設(shè)備 Figure 3-8 Shearing and prilling machine (a:剪碎機(jī)；b:造粒機(jī)）

33 

(5)聚合產(chǎn)品干燥單元

干燥系統(tǒng)主要是由熱風(fēng)循環(huán)式干燥箱、生物質(zhì)熱風(fēng)爐和熱水器組成，其主要 設(shè)備如表3-2所示。

表3-2干燥流程主要設(shè)備 Table 3-2 Main equipments of drying process

序號(hào)設(shè)備位號(hào)設(shè)備名稱規(guī)格/型號(hào)材質(zhì)備注

1HC-04箱式干燥器4380X2200X1840碳鋼304 201

保溫材料組合件1件

2HC-10生物質(zhì)熱風(fēng)爐2030X1160X1680

(20萬(wàn)大卡）碳鋼1件

3YF-01熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)4-72-11 型 NO.4.5A碳鋼1件

4YF-02熱風(fēng)爐引風(fēng)機(jī)4-72-11 型 NO.3.6A碳鋼1件

5HC-11熱水器4m2碳鋼1件

總計(jì)5件

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品進(jìn)入干燥系統(tǒng)前為膠體小顆粒，物料粘度特別 大，且中試生產(chǎn)量較小，本干燥工藝選擇了熱風(fēng)循環(huán)箱式干燥器，箱式干燥器采 用4門8車結(jié)構(gòu)，共160個(gè)帶孔不銹鋼干燥盤裝滿物料顆粒進(jìn)行干燥。干燥箱熱 源是由生物質(zhì)秸桿顆粒在熱風(fēng)爐中燃燒供給，生物質(zhì)秸桿是潔凈能源，減少大氣 污染，保障生產(chǎn)環(huán)境；干燥介質(zhì)采用循環(huán)式熱風(fēng)，提高熱能利用率；本工藝還設(shè) 計(jì)有熱水器對(duì)生物質(zhì)熱風(fēng)爐產(chǎn)生的煙氣的熱量進(jìn)行充分利用，被煙氣加熱的水經(jīng) 由管道泵送至恒溫水浴槽供聚合產(chǎn)物穩(wěn)定化所用。

(6)粉碎篩分單元

粉碎篩分系統(tǒng)主要包括粗碎機(jī)、提升料風(fēng)機(jī)、對(duì)輥粉碎機(jī)和振動(dòng)篩等裝置。 主要功能是將干燥好的物料粉碎篩分成一定粒度大小的粉末狀成品，經(jīng)包裝檢驗(yàn) 后成為商品。粉碎篩分系統(tǒng)如圖3-9所示。

34

 

圖3-9粉碎篩分設(shè)備 Figure 3-9 Shattering and sieving machine

3.2安全生產(chǎn)設(shè)計(jì) 3.2.1凈化工序崗位

凈化工序主要是完成聚合原料液通氮除氧的過(guò)程，保證各凈化釜通氮至少 15min。主要步驟分為：

(1)制氮機(jī)及制水機(jī)開、關(guān)機(jī)操作，設(shè)備定期維護(hù)

(2)配制反應(yīng)料液（單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)

(3)將配好的料液定量加入凈化釜中

(4)凈化釜逐級(jí)放料至聚合反應(yīng)器

(5)各助劑及引發(fā)劑溶液的配制

(6)凈化釜清洗

(7)原材料準(zhǔn)備

3.2.2聚合工序崗位

聚合工序主要任務(wù)是引發(fā)原料液發(fā)生聚合反應(yīng)，在常溫下引發(fā)初級(jí)聚合，待 聚合反應(yīng)發(fā)生后，將聚合反應(yīng)器轉(zhuǎn)入恒溫穩(wěn)定槽中進(jìn)行二次聚合反應(yīng)。其主要步 驟分為：

35

(1)溫控器安放及調(diào)節(jié)

(2)水循環(huán)泵開啟及關(guān)閉

(3)聚合反應(yīng)塑料袋、溫度計(jì)、加料通氮裝置清洗

(4)聚合反應(yīng)器安裝

(5)聚合反應(yīng)器就位至引發(fā)反應(yīng)水浴槽

(6)將配制好的料液由凈化釜逐個(gè)加入至聚合反應(yīng)器內(nèi)

(7)安裝通氣管路，通氮15min

(8)助劑及引發(fā)劑引入反應(yīng)體系，引發(fā)聚合

(9)通氣管路拆卸

(10)溫升后反應(yīng)器就位至穩(wěn)定反應(yīng)水浴槽

(11)聚合反應(yīng)器卸料

3.2.3剪碎、造粒工序崗位

剪碎、造粒工序的主要任務(wù)是將膠體塊聚合物制備成小的膠體顆粒，便于進(jìn) 一步干燥，用OP-10作為分散劑，其主要步驟分為：

(1)分散劑配制

(2)剪碎、造粒工序準(zhǔn)備

(3)膠體提升上料

(4)剪碎機(jī)、造粒機(jī)、分散劑油箱泵的開啟及關(guān)閉

(5)加料，調(diào)節(jié)分散劑加料速度

(6)剪碎機(jī)、造粒機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

(7)造粒機(jī)出料口接料裝盤

(8)料盤裝車，推入箱式干燥器

3.2.4干燥工序崗位

干燥工序的主要任務(wù)是對(duì)造粒好的膠體顆粒進(jìn)行干燥，使其達(dá)到含水率 8%-10%的產(chǎn)品要求，其主要步驟分為：

(1)點(diǎn)火準(zhǔn)備

(2)燃料添加

(3)引風(fēng)機(jī)及管道閥門控制

(4)燃料加料速度控制

36

(5)過(guò)程各測(cè)溫點(diǎn)溫度記錄

(6)倒車、物料處理（翻面、粗碎)

(7)滅火

(8)料斗內(nèi)燃料清理

(9)出料

3.2.5粉碎、篩分及包裝工序崗位

粉碎、篩分及包裝工序的主要任務(wù)是將干燥好的顆粒進(jìn)行粉碎，篩分出20 目顆粒大小的粉末狀產(chǎn)品對(duì)其進(jìn)行包裝，其主要步驟分為：

(1)粉碎、篩分工序準(zhǔn)備

(2)粗碎機(jī)、引風(fēng)機(jī)、閉風(fēng)器電機(jī)、篩分機(jī)及對(duì)輥磨粉機(jī)控制

(3)干燥物料上料

(4)成品口收料，包裝袋封口包裝

(5)細(xì)粉口、粗料口、濕料口出料相應(yīng)處理

(6)對(duì)輥磨粉機(jī)輥間距調(diào)節(jié)

(7)布袋除塵器的清理

(8)篩板的清理

3.3環(huán)境與安全

(1)采用生物質(zhì)熱風(fēng)爐，燃燒生物質(zhì)顆粒，無(wú)S〇2、N〇2、C〇2向大氣增量 排放，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)工藝及其絮凝性能研究，為潔凈能源和潔凈生產(chǎn)裝置。

(2)熱風(fēng)爐引風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)采用防噪措施

(3)空壓機(jī)置于室外，設(shè)計(jì)防噪罩

(4)按管理要求備有泡沫滅火器

(5)設(shè)置安全標(biāo)示

(6)防火、避雷系統(tǒng)，參閱土建設(shè)計(jì)

37

3.4中試產(chǎn)品干燥方案研究

在室溫條件下，對(duì)中試熱風(fēng)循環(huán)干燥箱進(jìn)行了空車空氣流量的測(cè)定，以實(shí)驗(yàn) 室小試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品的恒溫及變溫干燥實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，在各干燥溫 度條件下對(duì)物料進(jìn)行干燥并測(cè)定在加熱狀態(tài)下的熱空氣流量。制定出可行的 PAM-C中試干燥方案，對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行了熱量和熱效率的研究并對(duì)中試產(chǎn)品進(jìn) 行了性能評(píng)價(jià)。

3.4.1熱風(fēng)循環(huán)干燥箱空氣流量測(cè)定

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品中試干燥工段工藝流程圖如圖3-10所示，為了初步 了解干燥系統(tǒng)中干燥介質(zhì)熱空氣的流量情況，分別在冷風(fēng)空車和變溫干燥過(guò)程中 用畢托管對(duì)圖中管道A點(diǎn)處進(jìn)行空氣流量的測(cè)定。在通風(fēng)管道的徑向上由管壁 的一端到另一端進(jìn)行等距測(cè)量，共測(cè)得20個(gè)點(diǎn)，取平均值為該條件下的空氣壓 力值。

已知空氣流速和流量計(jì)算公式為：

(3-2)

(3-1)

2 xAP

M 

P

Vs = yx A

通過(guò)以上公式可計(jì)算出冷風(fēng)空車和熱風(fēng)干燥各條件下的空氣流量，冷風(fēng)空車 條件下的空氣流量測(cè)定數(shù)據(jù)如表3-3所示，變溫干燥各條件下的空氣流量測(cè)定數(shù)

據(jù)如表3-4所示。

38 

VO

-p^

 

>

 

—YAT

ntpooocsl-©-

ft) 280循環(huán)

 

箱式干燥器

生物質(zhì)熱風(fēng)爐

熱水器

引風(fēng)機(jī)熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)

a

圖3-10干燥工藝流程圖 Figure 3-10 Process flow diagram of drying

 

表3-3冷風(fēng)空車條件下空氣流量測(cè)定 Table 3-3 Determination of air flow rate on condition of run-in test

AP (Pa)

測(cè)量點(diǎn)序號(hào)由280出口全開；由280出口全開；由280出口全關(guān);

中280循環(huán)全關(guān)由280循環(huán)全開由280循環(huán)全開

17010080

290130110

390130110

490130110

590130110

690130110

790130110

890130110

990130110

1090130110

1190130110

1290130110

1390130110

1490130110

1590130110

1690130110

1790130110

1890130110

1990130110

2090130110

平均891 28.51 08.5

空氣流速(m/s)1 2.11 4.61 3.4

空氣流量(m3/h)547166026059

40

表3-4熱風(fēng)干燥條件下空氣流量測(cè)定 Table 3-4 Determination of air flow rate on condition of drying

AP (Pa)

小280出口全開；小280出口全開；小280出口全開；

測(cè)量點(diǎn)序號(hào)小280循環(huán)全關(guān)；小280循環(huán)全關(guān)；中280循環(huán)全開；

進(jìn)口溫度100°C;進(jìn)口溫度90 C;進(jìn)口溫度70C；

出口溫度70 °C出口溫度60C出口溫度45 C

1304070

2507090

3507090

4507090

5507090

6507090

7507090

8507090

9507090

10507090

11507090

12507090

13507090

14507090

15507090

16507090

17507090

18507090

19507090

205070100

平均4968.589.5

空氣流速(m/s)9.7611.3712.70

空氣流量(m3/h)441351415742

41

3.4.2干燥方案的確定

 

a

 

b

42

中試聚合所得的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品經(jīng)造粒后得到如圖3-12a中所示的膠 體顆粒。將造粒好的膠體顆粒裝盤裝車后，送入熱風(fēng)循環(huán)烘箱中進(jìn)行干燥。在初 始干燥階段，干燥介質(zhì)熱空氣中載濕量很高，在出口處小280出口閥門全開，而 小280循環(huán)口閥門全關(guān)，盡量讓含水量較高的熱空氣全部排出，提高干燥速率。 通過(guò)生物質(zhì)熱風(fēng)爐的控制器調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃料加料速度來(lái)控制干燥箱的進(jìn)口溫度， 干燥初期將進(jìn)口溫度控制在(100±5)°C。當(dāng)進(jìn)口溫度第一次達(dá)到100°C開始計(jì)時(shí)， 干燥3h后，觀察物料干燥情況發(fā)現(xiàn)靠近熱風(fēng)進(jìn)口處的兩門四車上的物料基本不 粘手(物料干燥情況如圖3-12b中所示)，而靠近干燥箱熱風(fēng)出口處的兩門四車上 的物料依然粘手。由于與小試中使用的鼓風(fēng)干燥箱相比，中試中所用的熱風(fēng)循環(huán) 烘箱干燥空間大，干燥介質(zhì)熱空氣在烘箱中流經(jīng)的距離長(zhǎng)，即使在熱空氣進(jìn)口處 使用了分布器也很難使干燥箱內(nèi)各處的溫度濕度一致。為了使物料干燥情況盡量 相近，對(duì)干燥箱中的小車的排列順序進(jìn)行調(diào)換，繼續(xù)保持(100±5)C干燥3h，物 料表面水分基本除去。由于膠體物料的高粘性，被干燥物料會(huì)收縮粘結(jié)，不利于 物料的進(jìn)一步干燥，因此在降溫干燥之前，對(duì)物料進(jìn)行一次粗碎，增大物料表面 積以便后續(xù)干燥，粗碎后的物料如圖3-12c所示。將粗碎后的物料裝入干燥箱中 繼續(xù)干燥，將進(jìn)口溫度控制在(90±5)C條件下干燥3h。此時(shí)熱空氣濕含量不高， 為了充分利用熱量，將小280循環(huán)口閥門半開，將進(jìn)口溫度調(diào)節(jié)至(70±5)C繼續(xù) 干燥3h，自然冷卻后干燥完成，干燥后的物料如圖3-12d所示。

 

d

 

c

圖3-12不同干燥階段物料形態(tài) Figure 3-12 Shape of product in different drying stages

(a:初始干燥物料；b:粗碎前；c:粗碎后；d:干燥終物料）

對(duì)變溫干燥過(guò)程不同干燥階段的產(chǎn)品含水率進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果如表3-5所

/」、"〇

表3-5不同干燥階段產(chǎn)品含水率

Table 3-5 Moisture content of product in different drying stages

序號(hào)干燥狀態(tài)含水率

1未干燥前65%

2100°C干燥6h后42%

390°C干燥3h后18%

470C干燥3h后10%

干燥好的物料經(jīng)過(guò)粉碎篩分后得到一定顆粒大小的粉狀產(chǎn)品，經(jīng)包裝檢驗(yàn)后 即成為商品。

3.4.3熱風(fēng)干燥箱干燥效率研究

根據(jù)中試變溫干燥方案，以熱風(fēng)干燥空氣流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，在變溫干燥過(guò)程 中，對(duì)熱風(fēng)干燥箱的干燥效率進(jìn)行初步計(jì)算。主要計(jì)算公式如下：

43

V 二Qvap x 100%

Qe(3-3)

Q總=Q1 +Q2 +Q3(3-4)

Q =cm AT(3-5)

Qn ==仏進(jìn)-仏出(n = ^2,3)( 3-6)

Qvap=Q1’+Q2’+Q3’( 3-7)

Qn '：=cmAT + mAH (n = 1,2,3)(3-8)

其中，Qvap——變溫干燥過(guò)程蒸發(fā)水所需熱量，J;

Q總——熱空氣提供給熱風(fēng)循環(huán)干燥箱的總熱量，J;

Qi——進(jìn)口溫度為100°C條件下干燥6h熱空氣提供的熱量，J; Q2——進(jìn)口溫度為90C條件下干燥3h熱空氣提供的熱量，J; Q3——進(jìn)口溫度為70C條件下干燥3h熱空氣提供的熱量，J;

Q進(jìn)——熱風(fēng)進(jìn)口處熱空氣的熱量，J;

Q出——熱風(fēng)出口處熱空氣的熱量，J;

Qi’——進(jìn)口溫度為100C條件下干燥6h蒸發(fā)水所需的熱量，J; Q2——進(jìn)口溫度為90C條件下干燥3h蒸發(fā)水所需的熱量，J; Q3’——進(jìn)口溫度為70C條件下干燥3h蒸發(fā)水所需的熱量，J;

具體計(jì)算過(guò)程如下所示：

每批次干燥40袋聚合物產(chǎn)品，總質(zhì)量為： m 總=40 x 15 = 600kg

濕物料初始含水率為65%，則總的含水量為： m總水=600 x 65% = 390kg

在進(jìn)口溫度為100C條件下干燥6h后含水率為42%，其蒸發(fā)水量為： m蒸i = 237.9kg

熱空氣的質(zhì)量流量為：

co1 = Vs1 xPi = 4413 x 1.029 = 4541.0kg / h

(空氣密度取出口溫度下的密度）

熱空氣提供的熱量為：

0 空氣= 1 009 + 1 009 x 4541.0 x 6 x (100 - 70) = 824736.4k/

(空氣比熱容取進(jìn)出口溫度下比熱容的平均值）

蒸發(fā)水所需的熱量為：

44

=(4.204 x 0.65 +1.986 x 0.35) x 600 x (1〇〇 + ?〇 - 20) + 237.9 x ^l58'4 + 2331'2

2

2

679613.2kJ

(物料的比熱容取進(jìn)出口溫度下物料比熱容的平均值，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)工藝及其絮凝性能研究，聚丙烯酰胺比熱容值參照 了聚甲基丙烯酸乙酯的比熱容值[61]，飽和水蒸氣的蒸發(fā)焓取進(jìn)出口溫度下的平均

值）

在進(jìn)口溫度為90°C條件下干燥3h后含水率為18%，其蒸發(fā)水量為:

m蒸2 =106kg 熱空氣的質(zhì)量流量為：

co2 = Vs2 x P2 = 5141 x 1.06 = 5449.5kg/h

(空氣密度取出口溫度下的密度）

Q2 = Cp 空氣 2m2AT2

1.009 +1.005 2

x 5449.5 x 3 x (90 - 60) = 493888.2J

熱空氣提供的熱量為：

蒸發(fā)水所需的熱量為：

Q2’=CP 物料 2m2' AT2+m蒸2A^2

2

2

=(4.193 x 0.42 +1.877 x 0.58) x (600 - 237.9) x (90 + 60 - 85) +106 x ^^83 1 + 2355 1

235505.8J

在進(jìn)口溫度為70C條件下干燥3h后含水率為10%，其蒸發(fā)水量為:

m蒸3 = 22.8kg 熱空氣的質(zhì)量流量為：

03 =Vs3 xp3 = 5742x1.1105 = 6376.5kg/h(空氣密度取出口溫度下的密度)

Q3 = CP 空氣 3m3AT3

1.009 +1.005 2

x 6376.5 x 3 x (70 - 45)=

481585.2J

熱空氣提供的熱量為：

蒸發(fā)水所需的熱量為：

70 + 452331.2 + 2389.4

(4.181 x 0.18 +1.736 x 0.82) x (600 - 343.9) x (- 75) + 22.8 x

2

2

Q3 =Cp物料3m3厶73+爪蒸3^^3

44062.1J

熱風(fēng)循環(huán)干燥箱干燥效率為：

53.28%

x 100% =

Q：+Q2+Q3y x100%= 679613.2 + 235505.8 + 44062.1 Q1 + Q2 + Q3^ 824736.4 + 493888.2 + 481585.2

45

3.5中試產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

中試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺膠體塊經(jīng)過(guò)造粒、干燥、粉碎篩分工序后得到白色粉 末狀產(chǎn)品，絮凝劑產(chǎn)品性能是否達(dá)到應(yīng)用要求還需進(jìn)一步考察。對(duì)中試絮凝劑產(chǎn) 品進(jìn)行了特性粘數(shù)和溶解性的研究，分別對(duì)聚合物造粒前、造粒后以及最終粉末 狀產(chǎn)品進(jìn)行考察，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3-4所示。

表3-4聚合物不同生產(chǎn)階段的特性粘數(shù)和溶解性 Table 3-4 The intrinsic viscosity and solubility of product in different stages

產(chǎn)品階段特性粘數(shù)/mL • g-1溶解時(shí)間/min

造粒前151860

造粒后151759

粉末狀產(chǎn)品149057

通過(guò)對(duì)聚合產(chǎn)品不同生產(chǎn)階段的特性粘數(shù)及溶解性的研究，可以更加清楚的 了解各生產(chǎn)步驟對(duì)產(chǎn)品性能的影響。由表3-4數(shù)據(jù)可知，在沒(méi)有其他影響因素的 條件下，聚合原料通過(guò)凈化聚合得到造粒前的聚合膠體，其特性粘數(shù)和溶解時(shí)間 基本與小試數(shù)據(jù)相當(dāng)，特性粘數(shù)的降低可能是由于放大效應(yīng)引起的。其中，物料 混合溶解的程度，通氮除氧是否達(dá)到要求以及因掛壁而使引發(fā)劑加入量不足等都 可能影響產(chǎn)品性能。因此，應(yīng)該盡量降低這些情況造成的影響，保證聚合產(chǎn)品的 質(zhì)量。在膠體產(chǎn)品造粒過(guò)程中，使用OP-10作為分散劑，對(duì)造粒后的產(chǎn)品進(jìn)行性 能測(cè)試，排除造粒過(guò)程對(duì)產(chǎn)品性能的影響。由表中數(shù)據(jù)可知，聚合產(chǎn)品特性粘數(shù) 和溶解時(shí)間基本沒(méi)變，說(shuō)明分散劑OP-10對(duì)產(chǎn)品性能沒(méi)有影響。最后考察的是中 試變溫干燥對(duì)絮凝劑產(chǎn)品性能的影響，由表中數(shù)據(jù)可以看出，最終粉末狀產(chǎn)品的 特性粘數(shù)有所降低，溶解時(shí)間也有所下降，這可能是由于熱風(fēng)循環(huán)干燥箱中干燥 介質(zhì)溫度濕度分布不均勻，干燥箱前后存在一定溫差，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)工藝及其絮凝性能研究，靠近熱風(fēng)進(jìn)口處以及烘盤 表面部份的物料會(huì)有干燥過(guò)快情況出現(xiàn)造成的，但是由于干燥物料混合平均后產(chǎn) 品特性粘數(shù)還是處在較高水平，因此，絮凝劑產(chǎn)品依然符合生產(chǎn)要求。

由以上研究表明，由小試為基礎(chǔ)進(jìn)行的中試放大生產(chǎn)設(shè)計(jì)是可行的，生產(chǎn)的 產(chǎn)品基本能達(dá)到小試產(chǎn)品性能水平，符合生產(chǎn)需要。

3.6小結(jié)

(1)通過(guò)對(duì)小試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品的聚合、造粒、干燥、粉碎

46

工藝的研究和理解，制定了中試生產(chǎn)工藝流程，對(duì)中試生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選 型，設(shè)計(jì)了凈化釜和聚合反應(yīng)器，制定了一套可行的凈化聚合操作方案。

(2)以小試干燥實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)中試干燥方案進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)出了中試 產(chǎn)品干燥系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)干燥系統(tǒng)的空氣流量測(cè)定與熱量計(jì)算可知，熱風(fēng)干燥箱的 干燥效率為53.28%，且干燥系統(tǒng)采用熱風(fēng)循環(huán)方式以及熱水器回收利用余熱，可 以很好的節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)小試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究制定出了一套切實(shí) 可行的產(chǎn)品干燥操作方案，即在對(duì)膠體顆粒進(jìn)行干燥過(guò)程中，分別在(100±5)°C、 (90±5)°C和(70±5)°C溫度條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行12h的變溫干燥，期間對(duì)物料進(jìn)行調(diào) 換次序和粗碎處理。

(3)通過(guò)中試絮凝劑產(chǎn)品不同生產(chǎn)階段的產(chǎn)品性能分析可知，物料的凈化 聚合生產(chǎn)階段產(chǎn)品性能與小試一致，造粒過(guò)程中使用的OP-10分散劑對(duì)產(chǎn)品性能 也基本沒(méi)有影響，而在干燥過(guò)程中，因干燥設(shè)備的局限性致使產(chǎn)品性能會(huì)有一定 的降低，但產(chǎn)品性能仍然處于較高水平，滿足生產(chǎn)要求，中試生產(chǎn)設(shè)計(jì)及操作方 案是可靠可行的。

47 

第四章PAM-C絮凝性能研究

4.1PAM-C產(chǎn)品絮凝性能評(píng)價(jià)

為了考察陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品的污水處理能力，對(duì)其進(jìn)行了絮凝性 能研究，以不同污水廠的污泥為研究對(duì)象，對(duì)中試產(chǎn)品以及其他絮凝劑商品進(jìn)行 燒杯絮凝實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)絮凝性能的對(duì)比，對(duì)PAM-C產(chǎn)品絮凝性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.2絮凝性能測(cè)定方法 4.2.1污泥沉降比的測(cè)定

絮凝性能可用經(jīng)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑處理后的SV30 (30分鐘污泥沉降 比）來(lái)表征。將制得的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑配成溶液，滴加到一定量的污泥 中，攪拌沉降一定時(shí)間后，靜置30min，測(cè)出污泥脫水后所得清液的體積，即可 得到污泥沉降比，其計(jì)算公式為：

SV30 = — X100%(4-1)

V〇

V0:原污泥的體積(mL); V:污泥脫水后所得清液的體積(mL)

4.2.2濾餅含水率的測(cè)定

絮凝性能同樣可以經(jīng)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑處理后的濾餅含水率來(lái)表征。 將制得的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑配成溶液，滴加到一定量的污泥中，攪拌沉降 一定時(shí)間后，在一定真空度下抽濾得到濾餅，將濾餅放在烘箱中105°C條件下干 燥至恒重，計(jì)算含水率。

48

4.3中試PAM-C產(chǎn)品絮凝性能測(cè)定 4.3.1污泥沉降比研究

污泥沉降比的研究主要用到紀(jì)莊子的濃縮污泥，測(cè)試其含水率為97.9%。將 自制、無(wú)錫新宇(特性粘數(shù)1350 mL，g-1，陽(yáng)離子度15%)以及巴斯夫(特性粘數(shù)1400 mL，g-1，陽(yáng)離子度15%)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比研究。首先，將 各個(gè)產(chǎn)品配制成0.2%的母液，在燒杯中加入500mL的濃縮污泥，然后向燒杯中加 入絮凝劑進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，每次加入量為5mL，加藥同時(shí)慢速攪拌，靜置一定時(shí)間 觀察絮凝效果，確定最佳加藥量。所測(cè)結(jié)果如表4-1所示。

表4-1不同PAM-C加藥量對(duì)絮凝性能的影響 Table 4-1 Effect of the dosage of different PAM-C on the flocculating performances

加藥量/mL自制無(wú)錫新宇巴斯夫

5無(wú)明顯變化無(wú)明顯變化無(wú)明顯變化

10產(chǎn)生細(xì)小礬花產(chǎn)生細(xì)小礬花產(chǎn)生細(xì)小礬花

15礬花逐漸變大形成較大礬花礬花逐漸變大

20形成較大礬花能見清液形成較大礬花

25能見清液能見清液能見清液

30形成絮體形成絮體形成絮體

由表4-1可知，三個(gè)不同的絮凝劑產(chǎn)品在處理污泥時(shí)，隨著加藥量的增加，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)工藝及其絮凝性能研究， 逐漸形成絮體，產(chǎn)生絮凝效果，且均在加藥量為30mL時(shí)能夠形成絮體，因此， 將最佳加藥量統(tǒng)一為0.2%的絮凝劑溶液30mL。以相同方法，在最佳加藥量條件 下對(duì)來(lái)自紀(jì)莊子、咸陽(yáng)路(含水率98.41%)、東郊(含水率96.90%)以及北辰(含水率 98.37%)四個(gè)不同污水廠的污泥進(jìn)行污泥沉降比的研究，測(cè)得的結(jié)果如圖4-1所 示。

49 

2 10 7 7 7

(％oeAS

 

一^一自芾J -■一巴斯夫

無(wú)錫新宇

 

68 -

67 -

661111

紀(jì)莊子咸陽(yáng)路東郊北辰

污水產(chǎn)地

圖4-1不同PAM-C產(chǎn)品對(duì)不同污泥的污泥沉降比 Figure 4-1 SV30 of different PAM-C on sludge from different areas

由圖4-1可以看出，自制的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品對(duì)取自不同污水廠 的污泥的污泥沉降比均維持在較高水平，優(yōu)于無(wú)錫新宇的絮凝劑產(chǎn)品，與巴斯夫 的絮凝劑產(chǎn)品效果相當(dāng)。對(duì)于不同組成的污泥，不同類型、特性粘數(shù)以及陽(yáng)離子 度的絮凝劑會(huì)有不同的效果。這是由于各污水廠所產(chǎn)污泥所含無(wú)機(jī)和有機(jī)質(zhì)的組 成和比例的不同，因此，適宜用來(lái)處理污泥的絮凝劑的種類和投加量也會(huì)相應(yīng)不 同。對(duì)于無(wú)機(jī)質(zhì)少有機(jī)質(zhì)多的污泥來(lái)說(shuō)，其所帶負(fù)電荷多，因而所加絮凝劑陽(yáng)離 子度高對(duì)污泥的絮凝作用效果好；對(duì)于無(wú)機(jī)質(zhì)多有機(jī)質(zhì)少的污泥來(lái)說(shuō)，其所帶負(fù) 電荷少，對(duì)加入的絮凝劑的陽(yáng)離子度則沒(méi)有那么高的要求。另外，在過(guò)濾處理過(guò) 程中，如果采用離心脫水機(jī)，則對(duì)絮凝劑強(qiáng)度要求高，因而所需絮凝劑產(chǎn)品的分 子量應(yīng)較高。因此，選擇適合的絮凝劑也是進(jìn)行污水處理的關(guān)鍵。

4.3.2濾餅含水率研究

以紀(jì)莊子含水率為97.9%的濃縮污泥為研究對(duì)象，用不同PAM-C產(chǎn)品對(duì)其進(jìn) 行濾餅含水率的研究。在攪拌條件下向污泥中加入一定量不同絮凝劑產(chǎn)品，加入 絮凝劑后沉降5min，取20mL污泥水溶液在-0.05MPa真空度下抽濾5min，取一定 量濾餅在105°C條件下干燥2h，分別測(cè)定投配率(單位重量干泥所需的干絮凝劑的 重量)為3%。、3.5%。和4%。條件下的濾餅含水率，測(cè)得結(jié)果如表4-2所示。

50

表4-2不同PAM-C產(chǎn)品濾餅含水率研究 Table 4-2 Study on water content of filter cake of different PAM-C

樣品名稱投配率污泥及上清液情況濾餅含水率

3%。明顯絮團(tuán)，上清液清83.46%

自制3.5%。明顯絮團(tuán)，上清液清81.22%

4%明顯絮團(tuán)，上清液清79.15%

3%無(wú)明顯絮團(tuán)，上清液清83.91%

無(wú)錫新宇3.5%明顯絮團(tuán)，上清液清81.79%

4%明顯絮團(tuán)，上清液清79.87%

3%明顯絮團(tuán)，上清液清83.39%

巴斯夫3.5%明顯絮團(tuán)，上清液清81.35%

4%〇明顯絮團(tuán)，上清液清79.18%

由表4-2可知，隨著陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑投配率的增加，濾餅含水率均 呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。自制絮凝劑無(wú)論從污泥上清液情況還是濾餅含水率來(lái)看，均優(yōu)于 無(wú)錫新宇產(chǎn)品，與巴斯夫產(chǎn)品相近，且在投配率為3.5%。和4%。條件下，濾餅含水 率均低于巴斯夫產(chǎn)品。在投配率固定為4%。的條件下，進(jìn)一步用不同絮凝劑對(duì)咸 陽(yáng)路(含水率96.55%)、東郊(含水率96.87%)、北辰(含水率97.03%)以及文登(含水 率95.91%)四個(gè)不同污水廠的污泥進(jìn)行濾餅含水率的研究，結(jié)果如圖4-2所示。

 

♦ 自制 -■一巴斯夫

—^一無(wú)錫新宇

84

83

82

81

80

79

78

77

76

75

74

73

咸陽(yáng)路東郊北辰文登

污水產(chǎn)地

圖4-2不同PAM-C產(chǎn)品對(duì)不同污泥的濾餅含水率 Figure 4-2 Water content of filter cake of different PAM-C on sludge from different areas

51

由圖4-2可以看出，自制的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品與巴斯夫產(chǎn)品處理 污泥產(chǎn)生的濾餅含水率均低于無(wú)錫新宇的產(chǎn)品，與巴斯夫產(chǎn)品相比，自制的絮凝 劑產(chǎn)品在處理文登污泥時(shí)具有更明顯的效果，而對(duì)于咸陽(yáng)路、東郊和北辰所產(chǎn)污 泥，兩者濾餅含水率差別不大。由于污泥處理后所采用的脫水方式的不同，濾餅 含水率的實(shí)驗(yàn)室研究只能部分說(shuō)明絮凝性能情況，它只能代表帶式脫水機(jī)的實(shí)際 脫水效果，當(dāng)采用離心脫水機(jī)進(jìn)行脫水時(shí)，對(duì)于絮凝劑的強(qiáng)度要求高，若絮凝劑 產(chǎn)品分子量低，處理污泥后產(chǎn)生的絮團(tuán)會(huì)因強(qiáng)度不夠而破碎成小顆粒，不利于脫 水過(guò)程的進(jìn)行。

通過(guò)以上絮凝實(shí)驗(yàn)研究可知，以實(shí)驗(yàn)室小試樣品為基礎(chǔ)進(jìn)行中試放大生產(chǎn)得 到的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品具有較高的特性粘數(shù)和良好的溶解性，在絮凝 過(guò)程中也顯現(xiàn)了其絮凝性能的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了產(chǎn)品性能要求。

4.4 PAM-C產(chǎn)品上機(jī)試驗(yàn)研究

將PAM-C產(chǎn)品在咸陽(yáng)路污水處理廠進(jìn)行上機(jī)試驗(yàn)研究，考察絮凝劑產(chǎn)品對(duì)污 水的實(shí)際處理效果，在這主要考察污泥脫水后脫水污泥的含水率以及絕干污泥的 有機(jī)份含量。其具體運(yùn)行過(guò)程為：首先，對(duì)PAM-C產(chǎn)品進(jìn)行配料，配料過(guò)程由加 藥過(guò)程和熟化過(guò)程組成，通過(guò)加藥時(shí)間控制絮凝劑配料濃度。加藥時(shí)間一般為20 分鐘左右，直接泵入上部一級(jí)熟化罐，攪拌熟化50分鐘左右，換算為配料濃度大 致為5%。。下部出料罐當(dāng)液位降至0.2-0.3時(shí)將熟化罐下料口打開放料，繼續(xù)進(jìn)料， 熟化罐進(jìn)行配料。咸陽(yáng)路的脫水機(jī)采用沉降離心脫水機(jī)，料液進(jìn)入離心機(jī)之前將 絮凝劑料液進(jìn)行1: 3 (料液：水）稀釋，通過(guò)調(diào)整加藥泵頻率調(diào)整加藥量之后， 將稀釋后的絮凝劑料液加入至離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行脫水處理。平行上機(jī)試驗(yàn)三次，結(jié)果 如表4-3所示。

表4-3 PAM-C產(chǎn)品上機(jī)試驗(yàn)絮凝效果 Table 4-3 The practical flocculating performances of PAM-C product

序號(hào)含水率有機(jī)份含量

179.3%59.9%

279.8%58.9%

379.5%58.2%

污水處理過(guò)程中，一般情況下，污泥含水率低，絮凝劑投配率低，有機(jī)份含

52

量高，則說(shuō)明絮凝劑產(chǎn)品實(shí)際處理效果好。由表4-3可知，經(jīng)過(guò)PAM-C產(chǎn)品處理 后所產(chǎn)生的脫水污泥含水率低于80%,符合國(guó)家污泥出廠標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)份含量接近 60%,處于較高水平，有機(jī)份含量越高，污泥所含熱值也就越大，可利用的效果 就越好。由此看來(lái)，PAM-C產(chǎn)品對(duì)咸陽(yáng)路的實(shí)際污水處理效果良好。

4.5小結(jié)

(1)以紀(jì)莊子所產(chǎn)的濃縮污泥為研究對(duì)象，采用不同的PAM-C產(chǎn)品對(duì)其進(jìn) 行了絮凝劑最佳投加量和污泥沉降比的研究，結(jié)果表明，在最佳投加量下，三種 不同的絮凝劑產(chǎn)品均能形成明顯絮體，且自制的絮凝劑產(chǎn)品的污泥沉降比均高于 巴斯夫和無(wú)錫新宇產(chǎn)品。

(2)用三種絮凝劑產(chǎn)品對(duì)不同污水廠的污泥進(jìn)行了污泥沉降比和濾餅含水 率的研究，發(fā)現(xiàn)自制的PAM-C產(chǎn)品均具有較高的絮凝水平，優(yōu)于無(wú)錫新宇絮凝劑 產(chǎn)品，與巴斯夫產(chǎn)品相當(dāng)，對(duì)于不同的污泥，產(chǎn)品絮凝性能略有高低。

(3)自制的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品不僅具有高特性粘數(shù)和良好的溶 解性，在對(duì)研究的幾種污泥進(jìn)行的絮凝實(shí)驗(yàn)中均有著不錯(cuò)的絮凝效果，達(dá)到了水 廠應(yīng)用的要求。

(4)用PAM-C產(chǎn)品在咸陽(yáng)路污水處理廠進(jìn)行上機(jī)試驗(yàn)，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)工藝及其絮凝性能研究，結(jié)果在投配率為5 %〇的條件下，所產(chǎn)污泥的含水率低于80%，有機(jī)份含量接近60%，實(shí)際處理效果 良好。

53 

第五章結(jié)論與建議

5.1結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室小試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑的優(yōu)化工藝制備了陽(yáng)離子聚 丙烯酰胺膠體樣品，測(cè)定了其特性粘數(shù)和溶解時(shí)間，研究了干燥溫度對(duì)其性能的 影響，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行了變溫干燥的研究。根據(jù)聚合、造粒、干燥及粉碎篩分工 藝對(duì)其進(jìn)行了中試放大設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了原料凈化釜和聚合反應(yīng)器，對(duì)中試干燥系統(tǒng) 干燥介質(zhì)熱空氣進(jìn)行了流量測(cè)定并初步計(jì)算了熱風(fēng)循環(huán)干燥箱的熱效率，制定了 中試干燥方案，對(duì)中試產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程各階段產(chǎn)品分別進(jìn)行了性能研究。以紀(jì)莊子 和其它污水廠的污泥為研究對(duì)象，將中試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品與無(wú)錫新 宇和巴斯夫產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比研究，探討了其絮凝性能。本論文主要的創(chuàng)新點(diǎn)及結(jié)論 如下：

(1)在陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑的制備中，采用了自制的雙官能度引發(fā)劑 DIOOH配合還原劑NaHS〇3及水溶性偶氮引發(fā)劑VA-044組成的復(fù)合氧化還原引 發(fā)體系，弓丨發(fā)AM與陽(yáng)離子單體DAC進(jìn)行水溶液聚合。在單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%， 絡(luò)合劑EDTA*2Na濃度為0.01%，表面活性劑PF68濃度為0.075%，助溶劑尿素濃 度為0.1%，鏈轉(zhuǎn)移劑異丙醇濃度為0.18%，偶氮引發(fā)劑VA-044濃度為0.007%，雙 官能度引發(fā)劑DIOOH濃度為0.005%，還原劑NaHSO3濃度為0.004%的條件下，可 以得到不同陽(yáng)離子度的聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品，特性粘數(shù)在1300?1600ml/g。

(2)以陽(yáng)離子度為15%的聚丙烯酰胺產(chǎn)品為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了恒溫及 變溫干燥的研究。研究發(fā)現(xiàn)，在鼓風(fēng)干燥箱中，70°C恒溫干燥條件下，可以得到 高特性粘數(shù)且溶解性能良好的絮凝劑產(chǎn)品，產(chǎn)品特性粘隨溫度的升高而降低。在 初始溫度為100C條件下對(duì)絮凝劑產(chǎn)品進(jìn)行分段變溫干燥，與70C條件下的恒溫 干燥實(shí)驗(yàn)相比，產(chǎn)品特性粘數(shù)略有降低，但仍處于較高水平，因此，對(duì)陽(yáng)離子聚 丙烯酰胺產(chǎn)品進(jìn)行變溫干燥是高效可行的。小試陽(yáng)離子度為15%的絮凝劑產(chǎn)品的 特性粘數(shù)為1524ml/g，溶解時(shí)間為65min。

(3)以小試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行了中試生 產(chǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)凈化聚合操作過(guò)程進(jìn)行了調(diào)試研究，制定了一套產(chǎn)品生產(chǎn)方案。其中， 對(duì)產(chǎn)品干燥系統(tǒng)進(jìn)行了空氣流量的測(cè)定及熱效率的研究，并制定出了可行的干燥 方案，即在（100±5)C條件下干燥6h，期間調(diào)換干燥小車次序，經(jīng)粗碎后分別 在(90 ± 5) C和(70 ± 5)C溫度條件下各對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行3h的變溫干燥。對(duì)中試不同生

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產(chǎn)階段的產(chǎn)品進(jìn)行了性能研究，結(jié)果表明，在凈化聚合生產(chǎn)階段，中試產(chǎn)品性能 與小試一致，在造粒過(guò)程中使用的OP-10分散劑對(duì)產(chǎn)品的性能也基本沒(méi)有影響， 而在變溫干燥過(guò)程中，由于干燥設(shè)備的局限性使得產(chǎn)品性能會(huì)有一定程度的降 低，但產(chǎn)品性能仍然處于較高水平，符合生產(chǎn)要求。

(4 )用不同的PAM-C產(chǎn)品對(duì)紀(jì)莊子的濃縮污泥進(jìn)行了絮凝劑最佳投加量和 污泥沉降比的研究，結(jié)果表明，在最佳投加量下，三種不同的絮凝劑產(chǎn)品均能形 成明顯絮體，且自制的絮凝劑產(chǎn)品的污泥沉降比均高于巴斯夫和無(wú)錫新宇產(chǎn)品。 用三種絮凝劑產(chǎn)品對(duì)不同污水廠的污泥進(jìn)行了污泥沉降比和濾餅含水率的研究， 研究表明，自制的PAM-C產(chǎn)品均具有較高的絮凝性能，優(yōu)于無(wú)錫新宇絮凝劑產(chǎn)品， 與巴斯夫產(chǎn)品相當(dāng)。自制的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑產(chǎn)品不僅具有高特性粘數(shù)和 良好的溶解性，且在絮凝實(shí)驗(yàn)中顯現(xiàn)出良好的絮凝效果，達(dá)到了水廠應(yīng)用要求。

(5)在咸陽(yáng)路污水處理廠進(jìn)行PAM-C產(chǎn)品上機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，所產(chǎn)污泥 含水率低于80%，有機(jī)份含量接近60%,實(shí)際絮凝效果良好。

(6)從實(shí)驗(yàn)室小試工藝研究到中試放大生產(chǎn)，并且應(yīng)用到實(shí)際污水處理中， 對(duì)陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑由實(shí)驗(yàn)室研制逐步走向商品的整套流程有了深刻的 認(rèn)識(shí)。

5.2建議

(1)在中試陽(yáng)離子聚丙烯酰胺產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的凈化聚合工段，我們?cè)O(shè)計(jì) 的原料凈化釜沒(méi)有視鏡和料液量控制系統(tǒng)，因此，我們只能分批配料加入聚合反 應(yīng)器，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能保證每個(gè)聚合反應(yīng)器所加物料量相等，不能快速連續(xù)的 進(jìn)行生產(chǎn)。因此，可以在出料口后加上一套流量控制系統(tǒng)，控制出料量，這樣就 能一次性配料，連續(xù)性加料，提高生產(chǎn)效率。

(2)在中試干燥過(guò)程中，由于絮凝劑生產(chǎn)產(chǎn)量較小，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺絮凝劑中試生產(chǎn)工藝及其絮凝性能研究，我們使用熱風(fēng)循環(huán)干 燥箱進(jìn)行變溫干燥，但干燥箱內(nèi)溫度濕度難以達(dá)到均一，致使干燥過(guò)程復(fù)雜且效 率不高。在實(shí)際大產(chǎn)量生產(chǎn)過(guò)程中，可以考慮使用帶式干燥器，在輸送帶上方或 者下方等距安裝上加熱片提供干燥所需熱量，輸送出的物料經(jīng)粗碎后再次送回到 干燥箱中進(jìn)一步干燥，這樣可能可以節(jié)約人力，達(dá)到更好的干燥效果。另外，也 可以使用振動(dòng)流化床干燥器，其干燥條件均一，可更高效快速的完成干燥過(guò)程。