聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑具有良好的絮凝性，可以廣泛地應(yīng)用在水處理和造紙等工業(yè)工程中。本文探討了聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑的作用機(jī)理，其機(jī)理作用類型可以分為吸附架橋作用、吸附-典型中和作用、網(wǎng)鋪-卷掃作用。從作用機(jī)理出發(fā)可以探討其分子設(shè)計(jì)的基本條件，并分析了應(yīng)用PAM絮凝劑對(duì)于環(huán)境的積極和消極的影響。

PAM絮凝劑化學(xué)名稱聚丙烯酰胺，為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力，按離子特性可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性離型四種類型。聚丙烯酰胺絮凝劑廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)、穩(wěn)定膠體、減阻、粘結(jié)、成膜、生物醫(yī)學(xué)材料等方面。水處理中作助凝劑、絮凝劑、污泥脫水劑。石油鉆采中作降水劑、驅(qū)油劑。在造紙過程中作助留劑、補(bǔ)強(qiáng)劑。

1、PAM作用機(jī)理

聚丙烯酰胺絮凝劑在廢水處理中的絮凝作用是由于它的兩個(gè)特點(diǎn)：長(zhǎng)鏈（線）狀的分子結(jié)構(gòu)和聚丙烯酰胺分子中含有大量活性基團(tuán)。聚丙烯酰胺是直鏈狀聚合物，因每個(gè)分子是由十萬個(gè)以上的單體聚合構(gòu)成，所以分子鏈相當(dāng)長(zhǎng)。由于它的分子長(zhǎng)而細(xì)，會(huì)彎曲或卷曲成不規(guī)則的曲線形狀。這個(gè)長(zhǎng)分子鏈向外側(cè)伸出許多化學(xué)活性基團(tuán)：酰胺基及羧基。酰胺基是非離子性基團(tuán)，但亦善于形成副價(jià)鍵而與其他物質(zhì)的活性基團(tuán)吸附并連結(jié)起來。

由于聚丙烯酰胺分子長(zhǎng)而細(xì)并有許多化學(xué)活性基團(tuán)，它們能和沉淀微粒產(chǎn)生很多連接而形成較大的絮凝物，這些絮凝物的結(jié)構(gòu)就像棉絮那樣，松散、無定形、互相連接但不很穩(wěn)固，內(nèi)部有很多空間和很多細(xì)微的網(wǎng)絡(luò)、包藏著大量液體，因而絮凝物的比重頗接近它所存在的液體本身。絮凝物中還網(wǎng)絡(luò)了各種各樣的微粒，這就將各種不同成分、不同性質(zhì)、不同大小的微粒集合在一起。因此，良好的絮凝劑處理能將溶液中原有的微粒完全除去，使溶液顯得特別清亮透明有光澤。由于絮凝物的尺寸較大，它的沉降和過濾都比較快。聚丙烯酰胺絮凝劑與廢水中膠體的絮凝作用是通過化學(xué)吸附和物理吸附這兩種方式產(chǎn)生的。

高分子絮凝劑對(duì)于水中雜質(zhì)的絮凝機(jī)理主要分為三類：吸附架橋作用、吸附-電性中和作用、網(wǎng)鋪-卷掃作用。具體以哪種機(jī)理起絮凝作用，與絮凝劑的種類、水中雜質(zhì)粒子的尺度、濃度和性質(zhì)以及若干環(huán)境因素，如pH值和離子等都有關(guān)，往往需要具體分析。

（1）吸附架橋作用

水中的懸浮物一般由于其顆粒所帶電荷相同或具有較低密度而不易發(fā)生聚沉，從而以高度分散的狀態(tài)穩(wěn)定存在。若高分子絮凝劑的聚合鏈可與懸浮物顆粒產(chǎn)生相互吸引作用，如鏈上含有與顆粒電性相異的基團(tuán)或純粹是以愛德華力相互吸引，則這些顆?？梢栽诖俗饔孟屡c絮凝劑分子相結(jié)合，形成一個(gè)大分子連接若干懸浮物顆粒的結(jié)構(gòu)。上述過程相當(dāng)于通過高分子鏈將顆粒物相互連接，被形象地稱作架橋作用。

若絮凝劑分子能夠在水中充分舒展，則上述吸附架橋作用產(chǎn)生的具有橋接結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基團(tuán)已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)捏w積和質(zhì)量，將易于自發(fā)地在水中下沉；同時(shí)，吸引作用確保了在聚沉過程中懸浮物顆粒被穩(wěn)定于高分子鏈上，于是通過進(jìn)一步靜置、過濾等操作，就可以起到較好的絮凝凈水的效果。

（2）吸附-電性中和作用

吸附-電性中和作用的基礎(chǔ)仍然是懸浮物顆粒吸引帶異電荷的高分子，將膠體粒子本身所帶的電荷中和，削弱顆粒間的靜電斥力，從而使懸浮物顆粒自發(fā)聚沉。吸附作用同樣是由電性作用或范德華力完成的。

根據(jù)物理化學(xué)理論，吸附-電性中和作用對(duì)于絮凝劑的用量有較為嚴(yán)格的要求。以膠體系統(tǒng)為例：膠體顆粒與高分子鏈上帶異電電荷的離子發(fā)生中和過程，膠體粒子的表面電位可能變?yōu)榱?，也可能?ldquo;中和過度”而帶有相反的電荷，重新滿足膠體穩(wěn)定的條件，出現(xiàn)所謂“再穩(wěn)定”的現(xiàn)象。因此，這種以降低膠體粒子表面電位為核心的機(jī)理，要求絮凝劑用量適中，過多和過少都不能達(dá)到絮凝聚沉的效果。

（3）網(wǎng)鋪卷掃作用

高分子絮凝劑投入水中，如果其分子鏈能夠充分舒展，大量的絮凝劑分子可以相互形成類似漁網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在它們自然下沉的過程中將與懸浮物發(fā)生接觸，并通過機(jī)械作用將顆粒物卷入網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，或是夾帶在分子鏈的空隙之間，使顆粒隨絮凝劑一同沉降。

2、聚丙烯酰胺的分子設(shè)計(jì)原理

根據(jù)以上機(jī)理，我們得出優(yōu)良的高分子聚丙烯酰胺應(yīng)該具備的特征有：

（1）較高的分子量

較高的分子量意味著較長(zhǎng)的分子鏈以及較大的分子空間體積，這有利于吸附架橋機(jī)理中絮凝分子通過吸附作用與更多的懸浮物顆粒連接，生成更易于沉降的大分子基團(tuán)；同時(shí)也增強(qiáng)吸附-電性中和作用所能產(chǎn)生的影響范圍；亦可直接構(gòu)想出在網(wǎng)鋪?zhàn)饔弥?，更大分子量的聚合物形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更密集，對(duì)于懸浮物顆粒有更好的捕獲作用。

但是，過大的分子量顯然是會(huì)對(duì)絮凝性能產(chǎn)生負(fù)面影響的。由于商用聚丙烯酰胺一般是粉末狀，在使用時(shí)直接將其撒入目標(biāo)水體中，因而理想狀態(tài)是聚丙烯酰胺立刻溶解并發(fā)揮作用，但過大的分子量可能導(dǎo)致聚丙烯酰胺的溶解性能變差，從而降低絮凝性能；另外，過大的分子量也可能導(dǎo)致大分子因沉降過快而降低各機(jī)理所敘述的絮凝效果，亦或是分子量大到其質(zhì)量、密度和尺寸都已經(jīng)可以達(dá)到宏觀尺度，使之自身成為一種新的懸浮物顆粒，完全無法發(fā)揮絮凝功能。

（2）能夠在水中充分伸展的分子鏈

根據(jù)高分子聚丙烯酰胺的三種絮凝機(jī)理，任何一種機(jī)理若要得到充分發(fā)揮，都要求聚合物分子鏈能夠在水中充分伸展。充分伸展的結(jié)果是單位物質(zhì)量的聚丙烯酰胺大分子與水體接觸的表面積巨大，則可與之發(fā)生相互作用（吸引作用、電性中和作用、機(jī)械作用）的懸浮物顆粒數(shù)量可以較大化，從而實(shí)現(xiàn)較好的絮凝效果。

因此，分子鏈上應(yīng)具備密度足夠大親水基團(tuán)。這種分子設(shè)計(jì)要求直接產(chǎn)生了制備聚丙烯酰胺類絮凝劑所普遍采用的水解工藝。但是，分子鏈上離子基團(tuán)密度過大會(huì)對(duì)絮凝性能間接產(chǎn)生負(fù)面影響。這主要是因?yàn)檫^大的電荷密度勢(shì)必導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，則大分子易發(fā)生聚沉、解聚等現(xiàn)象；另外，電性過強(qiáng)可能足以使大分子形成能夠穩(wěn)定存在的膠粒，其自身隨即成為一種新的懸浮物顆粒。

3、聚丙烯酰胺應(yīng)用的影響

聚丙烯酰胺可以廣泛地應(yīng)用在水處理、造紙等領(lǐng)域，下文簡(jiǎn)單探討其應(yīng)用在水處理領(lǐng)域的積極和消極的影響。

（1）積極影響

水處理領(lǐng)域采用PAM作絮凝劑可促進(jìn)懸浮物顆粒沉降，在表面效果上將渾濁的水處理為澄清的水，同時(shí)有可能回收大量有用的固體顆粒，減少其對(duì)環(huán)境造成的污染。PAM絮凝劑在水處理領(lǐng)域中主要應(yīng)用在原水處理、城市污水處理、工業(yè)廢水處理三方面。隨著國家環(huán)境保護(hù)投資力度的加大以及污水處理相關(guān)政策施行，應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的聚丙烯酰胺消費(fèi)需求也必將大幅提高。

在各類PAM產(chǎn)品中，兩性聚丙烯酰胺絮凝劑因?yàn)榫哂型怀龅膬?yōu)勢(shì)，從而應(yīng)用較為廣泛。

其一，兩性PAM可以去除廢水中的懸浮物以及膠體污染物，具備一般絮凝劑的優(yōu)良性能。

其二，兩性PAM可以除去一般絮凝劑所無法去除的有色物質(zhì)、腐植酸及表面活性劑等廢水中的溶解物。這主要是由于兩性聚丙烯酰胺中的陰、陽離子基團(tuán)可以與有色物質(zhì)、腐植酸類物質(zhì)及表面活性劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，然后通過絮凝沉淀達(dá)到凈化的目的。所以，兩性PAM可以在真溶性有機(jī)物去除、印染廢水處理（含有大量腐植酸等有機(jī)物）、微生物水污染處理方面起到積極有效的作用。通過對(duì)水的再處理，我們可以循環(huán)利用很多水資源，有利于環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展。在干旱地區(qū)，循環(huán)用水是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，PAM絮凝劑可以發(fā)揮重要的作用。

（2）消極影響

聚丙烯酰胺的商業(yè)化和工業(yè)化應(yīng)用對(duì)于環(huán)境會(huì)產(chǎn)生較輕微消極影響，其主要集中于PAM生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境帶來的不利因素。在工業(yè)生產(chǎn)聚丙烯酰胺的過程中，產(chǎn)生的水污染物質(zhì)主要是甲醇和丙烯酸甲酯，通過一定的技術(shù)處理，可以使其在排放的污水中的含量穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平。生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大氣污染物主要是甲醇和顆粒物。甲醇對(duì)人體有低毒，因?yàn)榧状荚谌梭w新陳代謝中會(huì)氧化成較強(qiáng)毒性的甲醛和甲酸，飲用含有甲醛的酒可引致失明、肝病、甚至死亡。但是即使長(zhǎng)時(shí)間暴露在低濃度甲醛環(huán)境中，也未發(fā)現(xiàn)會(huì)對(duì)健康造成明顯影響，所以總體來說，絮凝劑在水處理中的應(yīng)用對(duì)于人們大有幫助。