摘要：該文介紹了聚丙烯酰胺的合成機理，綜述進行多價金屬離子與丙烯酰胺聚合的條件與方法，以及影響功效的因素，并展望了新型聚丙烯酰胺的合成和運用發(fā)展方向。

0 引言

污水處理過程將產(chǎn)生污泥，對剩余污泥處理時需先進行脫水，即將污泥中的毛細(xì)水和吸附水分離出來。在污泥脫水過程中，一般采用添加絮凝劑來改善污泥脫水特性，提高污泥脫水效率。無機絮凝劑可降低泥餅的可壓縮性，目前無機絮凝劑由無機鋁鹽和鐵鹽向高分子聚合鋁和聚合鐵鹽方向發(fā)展。有機絮凝劑能較大地提高污泥過濾速度。由丙烯酰胺單體（AM）在一定條件下聚合而成的聚丙烯酰胺（PAM）是目前應(yīng)用較廣的高分子有機合成絮凝劑。當(dāng)高價金屬離子摻雜到AM中發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)共同聚合，可合成含高價金屬離子的新型PAM，該聚合物具有更為良好的絮凝、增稠、減阻等作用，作為絮凝劑可用于污水污泥處理等領(lǐng)域。近年來，把無機和有機兩者進行結(jié)合，改性合成新型PAM，已成為當(dāng)前研究的熱點。

1、引發(fā)劑研究進展

聚合反應(yīng)過程中較為重要的是引發(fā)劑，決定著產(chǎn)物的分子量大小，所以它也是新型PAM合成研究的一項重要部分，包括其種類、較佳用量及反應(yīng)條件等。用于丙烯酰胺聚合的引發(fā)劑主要有兩類：一是無機引發(fā)劑、有機偶氮鹽類引發(fā)劑；另一是復(fù)合引發(fā)體系。

目前較為廣泛使用的是氧化還原體系的引發(fā)劑，較常使用的是過硫酸鹽、過氧化物或非過氧化物等。國內(nèi)比較新型但不常用的引發(fā)劑有偶氮二異丁脒鹽、過硫酸鉀、亞硫酸鉀、尿素、草酸、丙烯酰胺一過硫酸鉀、氯化銅一亞硫酸氫鈉、硫酸錳一亞硫酸氫鈉、氯化鎳一亞硫酸氫鈉以及硫酸亞鐵一亞硫酸氫鈉等。國際上，U.D.N.bajpai的研究小組利用扁桃酸和高錳酸鹽作為氧化還原體系成功引發(fā)了聚合反應(yīng)，不過并沒有被大量采用。國際上還曾深入探討過氧二硫酸鹽和二亞硫酸鹽作為引發(fā)劑時的動力學(xué)，含氟的雙偶氮類衍生物以及過硫酸鉀作引發(fā)劑反應(yīng)等。

2、絡(luò)合反應(yīng)機理

多價金屬離子與AM的絡(luò)合反應(yīng)一般都包括分子鏈引發(fā)、分子鏈增長和分子鏈增長完后終止這三個過程。所有反應(yīng)的發(fā)生都建立在引發(fā)劑分解生成具有活性的帶電引發(fā)離子。因此產(chǎn)生的離子將會作用在AM單體上，反應(yīng)式為：

OH^-+CH₂=CH-CONH₂→HO-CH₂-CH^--CONH₂

惠泉等利用陽離子單體甲基丙烯酸三甲氨基乙酯氯甲烷鹽（DMC）和非離子單體丙烯酰胺（AM）共聚制備P（DMC-AM）為例，敘述聚合反應(yīng)及自由基聚合機理。一旦聚合反應(yīng)被引發(fā)，該聚合反應(yīng)中的反應(yīng)鏈將會被急劇增長，發(fā)生如下反應(yīng)：

HAM-DMC·+nAM+nDMC→H（AM-DMC）_n+1

當(dāng)反應(yīng)鏈增長到一定程度，反應(yīng)即會終止，生成終產(chǎn)物H（AM-DMC）_n+1。

3、多價金屬離子與丙烯酰胺聚合

水溶液中的PAM的羧基與高價金屬離子的多核羥橋絡(luò)離子形成極性鍵和配位鍵產(chǎn)生交聯(lián)的，PAM水解度對交聯(lián)有一定影響。

3.1 鋁、鐵離子

胡弘鯤等首先制備了無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁鐵（PAFC），通過Mannich反應(yīng)制備了陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）。然后將PAFC和CPAM復(fù)配制得無機-有機復(fù)合絮凝劑（PAFC-CPAM），通過絮凝試驗發(fā)現(xiàn)，在同等低投加量的條件下進行測試，PAFC-CPAM比單獨使用PAFC、CPAM具有更好的絮凝效果。

楊鷺遠(yuǎn)等指出，若將AM與金屬離子Al³⁺、Fe³⁺一起發(fā)生聚合反應(yīng)，可以制備出一種新型的PAM。同時闡明了高分子絮凝劑的絮凝機理，對雜化絮凝劑的絮凝機理進行了初步探索。表征出該PAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)為均勻，不僅加入的無機離子分散均勻，而且在適當(dāng)條件下，兩者能以化學(xué)鍵形式鍵合從而保持材料各性能的穩(wěn)定。鄭立慶等通過正交實驗證明，當(dāng)AM與Al³⁺、Fe³⁺反應(yīng)時，若單體濃度僅為15%，且金屬離子Fe³⁺/Al³⁺為2:1，在65℃時，控制pH值為8，準(zhǔn)確反應(yīng)4h，可以得到具有較佳脫水效果的PAM?？墒刮勰嗪视?4.3%降至80.1%，污泥比阻由1.24×10¹³m/kg降至1.05×10¹¹m/kg。表征出得到的改性PAM聚合體體積增加了，這是其分子質(zhì)量或聚合度增加的象征。

3.2 鈣離子

郝立根等研究了當(dāng)鈣以離子形式存在時，能與部分水解聚丙烯酰胺絡(luò)合形成聚合物強凝膠。牛太同等研究了鈣離子與AM發(fā)生的聚合反應(yīng)，并且確定了微生物法AM聚合成PAM時可加入的鈣離子的較佳濃度為66.6ppm，引發(fā)劑采用(NH₄)₂S₂O₈和NaHSO₃兩者結(jié)合，用量分別為0.02%和0.004%，攪拌均勻后在45℃的烘箱內(nèi)聚合160min。此時得到的新型PAM中的鈣離子完全轉(zhuǎn)化到聚合物中，不再以離子或單質(zhì)形式存在。

3.3 鎂離子

王國祥等把氫氧化鎂加入到AM單體中，利用氧化一還原引發(fā)體系（(NH₄)₂S₂O₈-NaHSO₃）引發(fā)聚合反應(yīng)，把握AM的濃度在30%，0.004%的引發(fā)劑用量，調(diào)整pH值為7-8，在40℃下攪拌反應(yīng)6-8小時，即可聚合出一種新型的高粘度Mg(OH)₂-PAM。

3.4 其它金屬離子

能與AM發(fā)生聚合反應(yīng)生成新型PAM的多價金屬離子遠(yuǎn)不止鈣、鎂、鋁、鐵。曾玉彬等以納米Zn(OH)₂和AM進行原位聚合，制備了新型絮凝劑氫氧化鋅一聚丙烯酰胺離子鍵型雜化絮凝劑H-ZnPAM。郝立根等根據(jù)Cu²⁺與PAM形成的絡(luò)合物的吸光度變化規(guī)律，得出Cu²⁺也能與AM發(fā)生聚合反應(yīng)生成新型PAM。譚正德等研究了一種多功能鋅系復(fù)合絮凝劑，其凈水效果好，成本低，無毒害，無腐蝕性，貯存穩(wěn)定長久，有效成分可任意調(diào)節(jié)，應(yīng)用面寬，能自然降解。崔希文等以金屬鹽和NaOH為原料制備氫氧化鈉膠體，并在一定條件下使之與二元醇雜化物分散于丙烯酰胺水溶液中，用一縮二乙二醇做溶劑，硝酸鈰和醇作引發(fā)劑，合成出雜化聚丙烯酰胺復(fù)合絮凝劑。

4、未來聚丙烯酰胺研究和應(yīng)用前景

《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》提出，要加快構(gòu)建資源節(jié)約、環(huán)境友好的生產(chǎn)方式和消費模式，增強可持續(xù)發(fā)展能力，提高文明水平。新的污泥處理標(biāo)準(zhǔn)要求把污泥含水率降到小于60%，這是一個亟待突破的技術(shù)瓶頸。未來加入多價金屬離子聚合成的新型PAM的運用前景可發(fā)展至污泥脫水方面。若將新型PAM作為新型的絮凝劑加入污泥脫水工序，使污泥含水率達(dá)到小于60%以下，這將是新型PAM運用前景的一大突破。

筆者認(rèn)為，未來新型PAM合成路線可以循著引入環(huán)境友好型金屬離子，研制靶向的絮凝劑，將會大大促進PAM應(yīng)用與發(fā)展，并將突破當(dāng)前污泥脫水的技術(shù)瓶頸。