聚丙烯酰胺在水处理中的应用
摘要：聚丙烯酰胺（PAM）具有优良的增稠、絮凝、沉降、过滤、增粘、助留、净化等多项功能，在石油开采、水处理、纺织、造纸、选矿、医药、农业等行业中具有广泛的应用，有“百业助剂”之称，在精细化工领域的开发应用日渐活跃，具有广阔的发展前景。
本文综述了聚丙烯酰胺的种类，详细地介绍了其在给水处理、污水处理、污泥处理中的应用。
关键字：聚丙烯酰胺 水处理 絮凝剂
丙烯酰胺(AM)是1893年Moureu首次合成的，由于丙烯酰胺分子中含有—C=C— 和—CONH2两种基团，所以其易于自聚，也易于与其它烯类单体共聚。采用不同单体进行共聚，可得到不同结构和性能的共聚物。聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，简称PAM)，是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的统称。工业上凡含有50％以上AM单体的聚合物都泛称聚丙烯酰胺。
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1 聚丙烯酰胺的种类
单体丙烯酰胺化学性质非常活泼，在双键及酰胺基处可进行一系列的化学反应 ，采用不同的工艺，导入不同的官能基团，可以得到不同电荷产品，如阴离子、阳离子、非离子、两性离子聚丙烯酰胺。按照引发方式可分为热引发聚合 、光引发聚合 、高能辐射引发聚合、等离子引发聚合等；按照聚合实施方法又可分为水溶液聚合法、反相悬浮聚合法、反相乳液聚合法、反相微乳液聚合法等 。聚丙烯酰胺的平均分子质量从数千到数百万以上，在水中可大部分电离，属于高分子电解质。根据可离解基团的特性分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和复合型等[3]。
1.1 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，它具有多种活泼的基团，可与许多物质亲和、吸附形成氢键。CPAM作为聚丙烯酰胺的改性品种，在水处理及造纸工业中显示出许多独特而优异的性能，加之改型方法的多样化可根据不同应用需求进行改性，其研究及应用前景非常广阔[4]。
CPAM还可以与多种有机或无机絮凝剂复合得到高效复合净水剂。此外，对 CPAM的研究有趋向于功能化和低毒性等趋势。高分子质量和超高分子质量 CPAM 的开发和应用已有报道。随着社会的快速发展，用途广泛的CPAM工业化开发将有着更加广阔的前景。
1.2 阴离子聚丙烯酰胺
阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）是高聚合度制备，的水溶性线型高分子聚合物 ，由于其一般以微颗粒形式存在，故能完全快速溶于水中，不溶于任何有机溶剂 。
制备过程中的引发体系也可分为氧化一还原引发体系、偶氮盐引发体系及复合引发体系三大类反应体系等；采用不同的引发体系，改变过程的工艺条件 ，可制备出不同类型的APAM。
APAM以其优异的性能和低廉的成本而得到了广泛应用。然而，目前污水主要是中性到碱性的含无机质多的悬浊液，并且水中的大多数悬浮物质是带有负电荷的，APAM处理效果并不是很好。因此，污水处理中有关APAM的使用并不是很多，对它的研究将主要致力于研制分子质量更高、性能更为优异的APAM，以拓展其在污水处理中的应用[5]。
1.3 两性离子聚丙烯酰胺
两性离子聚丙烯酰胺（AmPAM）是指大分子链上同时带有阴、阳离子基团的高分子。与仅有一种 电荷的APAM或 CPAM相比，不仅兼有二者的综合性能，而且有明显的反聚电解质效应和pH适用范围广等特点，在污水处理方面具有很 大的应用潜力。
近年来有关AmPAM 制备和应用的研究见于报道的逐年增加。但大部分还处于实验室研究阶段，而国外20世纪80年代就有AmPAM产品投放市场，而且品种和产量在逐年增加。国内的研究应该从合成路线和方法上改进AmPAM 的制备，以得到性能优越的AmPAM，此外，对AmPAM的合成从机理上应该进行更深入的研究，找出产品优良且易工业化的合成方法[6]。
1.4 复合聚丙烯酰胺
复合聚丙烯酰胺是近年来开发出的一种有机高分子絮凝剂，并且其种类多 、应用广，在一定程度上满足了需求。复合聚丙烯酰胺一般是以聚合铝或其他絮凝剂与聚丙烯酰胺复合，从而制得新型高效能的絮凝聚丙烯酰胺是一种线型的水溶性聚合物，是水溶性高分子中应用最广泛的品种之一。
复合聚丙烯酰胺是一种高效环保 的新型水处理絮凝剂，相比单一的絮凝剂 ，其优势是明显的，极具发展前景。目前将复合聚丙烯酰胺应用于实际工业生产尚存在一定难度，其原因是对不同的污水絮凝条件差别较大，如何解决好这一问题成为其发展的瓶颈。但复合聚丙烯酰胺的高性能低成本吸引着越来越多的研究者从事这方面的研究工作[7]。
2 PAM在水处理中的应用进展
水处理是我国PAM 除石油开采外最大的消费领域,约占总消费量11%，发展潜力很大。我国城市污水处理率不足30%，工业水的重复利用率为60%～70%，工业废水处理率不到80%，与发达国家相比差距很大[8]。
近年来，在我国工业取得高速发展的同时，环境污染也越来越严重，随着可持续发展战略的全面实施和人们生活水平的提高，人们越来越注重环保和生活质量，污水的处理也越来越受到人们的广泛的关注。由于我国污水处理里大，对絮凝剂的需求也非常大，而我国产品质量却不高，大部分都需要进口，国外产品高昂的价格限制了我国环境的健康发展。因此开发出新技术，新工艺，高效无毒，产品质量高，效果好，成本低的产品，对于提高我国水处理能力具有十分现实的意义[9]。
2.1 PAM在给水处理中的应用
聚丙烯酰胺本身基本无毒，因为它在进入人体后，绝大部分在短期内排出体外，很少被消化道吸收入。多数商品也不刺激皮肤，只有某些水解体可能有残余碱，当反复、长期接触时会有刺激性。美国食品及药物管理局认为，PAM及其水解体是低毒或无毒的。
在控制PAM的质量和用量前提下，它用于饮用水是安全的，处理后水质符合
大多数国家的饮用水标准。
因而PAM可用于给水的工艺中，其任务是通过必要的处理方法去除水中杂质,使之符合生活饮用水或工业使用所要求的水质标准。PAM可去除水中的悬浮颗粒、有机物和无机物,适于处理不同浊度的水[10]。
2.1.1 低浊度水的处理
由于低温低浊度水中有机物的比例较大，单投加硫酸铝或聚合铝（PAC），上清液的浊度随絮凝剂投加量的增大而减小，但到一定值后浊度回升，这是因为形成的絮体结构疏散、轻飘，难以沉淀。但投加PAM助凝后,可使絮体体积增大的同时密度增加，沉降速率变快,出水浊度大为降低。
柳志刚等[11]研究发现，在对于冬天低温地浊难以处理的库水中加入PAM后，混凝的效果比没有加入的较好。
PAM的加入可使净水设备在超负荷运行时，在确保水质的基础上同时提高供水量，提高设备的利用率，降低成本。
2.1.2 高浊度水的处理
无机絮凝剂和有机絮凝剂复合处理高浊度的水的混凝效果优于单独处理，且絮凝剂的投药顺序对混凝效果和再稳作用有影响，以先加无机絮凝剂，再加有机絮凝剂的效果更佳。
复合使用时，无机絮凝剂用量仅为单独使用时的1/4 ～1/2，而加入的有机絮凝剂PAM仅为单独使用无机絮凝剂的1/40～1/20。总成本比单独使用时明显降低。
比较PAM—三氯化铁、PAM—PAC、PAM—硫酸铝、PAM—淀粉等复合絮凝剂对高浊度水的絮凝效果，PAM—PAC效果最佳。
李德生等[12]强化处理高浊度黄河水的试验研究结果表明，在投加无机絮凝剂 PAC后，再投加有机絮凝剂PAM进行复配作用,不仅可降低无机絮凝剂的用量，节约制水成本，而且还可以提高出水水质。
2.1.3 有、无机物及重金属的去除
PAM作为助凝剂，与PAC共同作用可以去除合成有机物，如杀虫剂多果定。 PAM可以去除水中的无机物。用PAM固定反硝化菌可用于去除饮用水的硝酸盐。在进水无磷的情况下，硝酸盐快速转化成亚硝酸盐，但反硝化过程并不理想。 在进水中加入磷酸盐后，反硝化效果非常显著，出水中硝酸盐与亚硝酸盐均低于0.5mg/L，总氮去除率为95 ～100%。
PAM去除水中的重金属离子，如纤维素接枝PAM对汞有很好的选择吸附性。
2.2 PAM在污水处理中的应用
PAM在污水处理中的常见工艺：废水→预处理→混凝→后处理。预处理工艺通常包括吸附、过滤等。后处理工艺根据污水性质的不同，可采用氧化、生物处理、气浮等。
PAM的优点在于其官能团多、分子量高、稳定性好、吸附架桥能力强、絮凝效果好，同时投加量少、使用范围广、具有产生的污泥少等优点，因而得到越来越广泛的应用。
2.2.1 金属废水的处理
对含金属废水，PAM常与聚合硫酸铁、PAC等无机絮凝剂复合使用，可以有效的去除水中的金属。
（1） 含铬废水
电镀废水中铬以Cr3+和Cr6+的形式存在。其中Cr6+比Cr3+毒性大100倍，对皮肤有刺激作用，长期摄入会引起肉瘤和扁平上皮癌等。我国规定的废水排放标准≤0.5mg/L。在碱性条件下用Fe2+ —PAM复合絮凝剂处理电镀废水中的Cr6+ ，工艺简单、费用低，效果好。
