聚丙烯酰胺廣泛應用于我國選煤廠浮選工藝，用來促進煤泥水沉降澄清，效果較好。但目前來看，其應用方法存在若干值得注意的問題。本文以生產實踐和試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，談談如何使用好聚丙烯酰胺。
1、質量選用指標
目前生產制造聚丙烯酰胺的廠家較多，但質量參差不齊。近段，從市場和選煤廠收集到14種聚丙烯酰胺樣品，在相同條件下進行實驗室煤泥水絮凝沉降試驗，其中有代表性的數(shù)據(jù)列于表1。從中可以看出，不同樣品的澄清效果差距明顯，這與絮凝劑的質量有很大關系。影響聚丙烯酰胺絮凝效果的主要因素是其分子量大小和水解度。
表1不同聚丙烯酰胺的沉降效果
| 樣品編號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 澄清水濃度/mg.L-1 | 31.3 | 41.5 | 16.6 | 85.4 | 111.7 | 131.0 |
試驗條件：聚丙烯酰胺用量4g/m3；煤泥水濃度40g/L；沉降時間3min。
1.1 分子量
聚丙烯酰胺是線狀結構的高分子絮凝劑，它依靠架橋作用將質量小、不易沉降的小顆粒絮凝成團，絮團質量遠大于單個顆粒，致使煤泥水中顆粒的沉降速度成倍增加。架橋絮凝過程見圖1。
（1）聚丙烯酰胺一個鏈節(jié)的長度為2.5×10-4μm，當其分子量為600萬時，長度達21μm。線性高分子的碳氫鏈越長，對有相當距離的微粒越能形成架橋作用，因此，選煤廠所用聚丙烯酰胺的分子量應在600-1000萬。尤其當煤泥水濃度低時，更應選擇高分子量的聚丙烯酰胺。但如果分子量過大，其水溶性降低，形成的絮團可能過于蓬松，含水量大，影響后續(xù)的脫水回收作業(yè)。
（2）聚丙烯酰胺的溶解過程稱為“溶脹”。首先是水分子向高分子絮凝劑內部擴散，使其膨脹，達到一定程度后，絮凝劑分子再向水中擴散，形成粘稠的水溶液。絮凝劑分子量越大，水溶液的粘度越大，擴散速度越慢，需要較長的時間才能充分溶解。
（3）聚丙烯酰胺的分子量是其質量的一項重要指標。按照GB17514-1998《水處理劑-聚丙烯酰胺》的標準，先用毛細管粘度計測定其水溶液的粘度，然后換算出分子量。在現(xiàn)場可通過觀察聚丙烯酰胺溶解過程來定性判別：對分子量大的產品，需較長時間攪拌才能溶解，水溶液粘稠，用手接觸提起后，時有“拉絲”現(xiàn)象；而一些偽劣產品，雖然從外觀上不易辨別，但因其分子量小，并摻入了可溶性的鹽類，所以溶解速度快且不發(fā)粘。
1.2 水解度
非離子型聚丙烯酰胺（縮寫為PAM-N）的結構式為：
式中，n為高分子的鏈節(jié)數(shù)目，其值在幾萬至幾十萬之間。
陰離子型聚丙烯酰胺（縮寫為PAM-A）的結構式為：
式中，n=x+y，水解度=y/n×100%。
非離子型聚丙烯酰胺與堿反應即可生成陰離子型聚丙烯酰胺，它是不完全的水解體，在一個高聚合的分子中間同時帶有兩個不同的官能團，羧酸鈉（COONa）上的鈉離子溶于水中后，羧基（COO-）呈負電荷。
不同水解度的陰離子型聚丙烯酰胺，由于其分子鏈上羧基（COO-）數(shù)量不同，導致電荷排斥力不等，使得線性分子伸展程度不同，圖2所示為水溶液中不同水解度聚丙烯酰胺分子鏈的伸展情況。
水解度為零的非離子型聚丙烯酰胺的官能團（酰胺基）為-CONH2，同時它帶有少量的-CONH3+，使它成為弱陽離子型，分子鏈節(jié)中的正電荷有較弱的排斥力，使其有所伸展（見圖2a），因此具有一定的絮凝能力。
水解度為10%左右的聚丙烯酰胺，其分子鏈中-COO-與-CONH3+正負電荷相當，相互吸引，使分子鏈卷曲收縮（見圖2b），導致絮凝能力大大降低。
當水解度達到33%左右時，溶液中-COO-負電排斥遠超過-CONH3+的吸引，使分子鏈達到相當伸展程度（見圖2c），此時具有良好的絮凝能力。
當水解度繼續(xù)增加，羧基達到67%時，由于負電排斥使分子鏈基本完全伸展（見圖2d），按理其效果應該更好，但是由于線性分子帶負電過多，與煤泥水中帶負電的顆粒相互排斥，效果反而變壞。所以，選煤廠應使用陰離子型、水解度在33%左右的聚丙烯酰胺。
水解度是聚丙烯酰胺的又一項重要質量指標，按照GB17514-1998用甲基橙-靛藍二璜酸鈉作為指示劑，用標準鹽酸滴定溶液進行測量。
根據(jù)國家標準，測定聚丙烯酰胺分子量、水解度所需的器具都比較簡單，易于操作。有條件的生產單位，可以按此對購進的每批聚丙烯酰胺產品進行隨機質量檢測，如果條件不符，應及時進行實驗室量筒絮凝沉降對比試驗。針對偽劣產品充斥市場的情況，各選煤廠應有所警惕，采取必要的防范措施。
2、絮凝劑水溶液的制備、貯存和混合
2.1 稀釋用水的濃度
為了使聚丙烯酰胺充分溶解，一般要配制濃度為0.1%-0.15%的水溶液。試驗分析了稀釋用水中懸浮物濃度對絮凝效果的影響（見圖3）。當水中懸浮物濃度＜200mg/L時，影響微弱，絮凝沉降的澄清水是清凈的；當懸浮物濃度超過200mg/L時，大量的懸浮顆粒表面吸附了一定數(shù)量線性高分子，使得絮凝劑水溶液的絮凝效果明顯惡化，澄清水質急劇變濁。由此可見，當選煤廠煤泥水深度澄清，循環(huán)水濃度＜0.2g/L時，可以將其作為絮凝劑稀釋用水；若循環(huán)水濃度較高，則會嚴重影響澄清效果，增加絮凝劑用量。在這種情況下，建議采用清凈自來水作為稀釋用水，此處補加水量小，不會影響全廠的洗水平衡。
2.2 貯存
聚丙烯酰胺在常溫下比較穩(wěn)定，高溫、冰凍時易降解（分子鏈被切斷），降低絮凝效果，故其水溶液的貯存溫度應控制在2-55℃。
筆者在實驗室研究了水溶液貯存天數(shù)對澄清水濃度的影響（見圖4），從圖中可以看出水溶液存放到第三天時，澄清水濃度已有增高的趨勢，尤其是接觸鐵器的水溶液，絮凝澄清效果變差的情況更為明顯。
這是因為鐵制貯存器與絮凝劑水溶液長時間接觸，會有微量鐵離子溶入液體，它們與聚丙烯酰胺的-CONH2官能團相互吸引而交聯(lián)，形成立體狀（見圖5），從而降低了絮凝能力。因此，絮凝劑水溶液貯存的時間不宜超過2d，不用鐵制貯存器，或在其內壁粘貼一層非金屬內襯。
2.3 輸送
選煤廠設計時，應確定將絮凝劑水溶液自流至澄清濃縮設備，不要用離心泵輸送，這是因為高分子絮凝劑經高速旋轉葉輪剪切后，分子鏈會被剪短，從而影響絮凝效果。若不得不用泵輸送，應選用柱塞泵。
2.4 混合
絮凝劑水溶液與煤泥水進行充分混合很有必要，可用以下數(shù)字進行簡要說明：設絮凝劑水溶液的濃度為0.05%，單位用量為1g（純絮凝劑）/m3（煤泥水）。則每立方米煤泥水需添加2L絮凝劑水溶液，二者混合比例為500:1，就純絮凝劑而言，其混合比例為50萬:1。
表2量筒翻轉次數(shù)對沉降效果的影響
| 翻轉次數(shù) | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| 澄清水濃度/mg.L-1 | 61 | 40 | 34 | 35 | 39 | 42 |
煤泥水濃度：40g/L;絮凝劑用量：4g/m3；陰離子型聚丙烯酰胺分子量：1000萬。
為了達到充分混合的目的，通過一系列試驗研究了量筒翻轉次數(shù)對澄清水濃度的影響，試驗結果見表2和圖6。由試驗數(shù)據(jù)可以清楚地看到，量筒需翻轉15次（混合時間18s），才能將絮凝劑的作用較充分的顯示出來。但翻轉次數(shù)過多，將破壞絮團，影響澄清效果，而絮團的強度與煤泥及絮凝劑性質有關，不同選煤廠的煤泥水與絮凝劑水溶液的混合程度可能有所區(qū)別。理想的情況是煤泥水進入澄清濃縮設備之前，不但與絮凝劑進行充分混合，而且能形成大量絮團，這樣才能充分發(fā)揮設備的潛力。為此，應該做到以下幾點：
① 適當延長水溶液添加點到濃縮機的距離；
② 根據(jù)具體情況，盡可能多設添加點；
③ 減小入料溜槽（或入料管）的坡度，并相應增加其過水斷面，延長混合時間。在許可的條件下，在入料溜槽底部逆水流方向垂直焊接若干塊交錯排列的帶篩孔的隔板，使其產生渦流，達到充分混合的目的（見圖7）。
3、影響絮凝效果的因素
3.1 煤泥水的pH值
一般高分子絮凝劑不易受懸浮液pH值的影響，聚丙烯酰胺也是如此。不同pH值水樣的絮凝沉降試驗結果見表3和圖8。從圖表可以看出，在水樣pH值為3-11的酸堿度范圍內，按數(shù)理統(tǒng)計在95%的置信區(qū)澄清水濃度為74±2.2mg/L（去除試驗測定誤差）。這表明聚丙烯酰胺能在很寬的pH值范圍內使用，我國多數(shù)選煤廠生產用水屬中性水，少數(shù)廠呈酸性或堿性，選煤廠不必為此擔憂。
表3不同pH值時的澄清水濃度
| pH值 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 平均值 |
| 澄清水濃度/mg.L-1 | 75 | 69 | 72 | 75 | 71 | 75 | 77 | 78 | 73 | 74 |
注：煤泥水濃度：40g/L；陰離子型聚丙烯酰胺分子量：100萬，用量4g/m3。
3.2 煤泥水的溫度
水體溫度對絮凝沉降效果的影響非常明顯，試驗結果見表4。從表中可以看出，隨著溫度的升高，澄清水濃度大幅度降低，這是因為水溫升高，水分子熱運動加劇，促使絮凝劑分子分散并與顆粒粘附，加速架橋速度，增加了絮團；另外溫度高使水的粘度降低，絮團沉降阻力減小。因此，選煤廠要根據(jù)溫度影響絮凝效果的規(guī)律，隨季節(jié)變換適當調整絮凝劑的添加量。
表4溫度對絮凝沉降效果的影響
| 溫度/℃ | 0 | 6 | 14 | 21 | 28 | 34 |
| 澄清水濃度/mg.L-1 | 768 | 583 | 446 | 228 | 123 | 36 |
注：煤泥水濃度：40g/L；陰離子聚丙烯酰胺分子量：1000萬，用量4g/m3。
3.3 煤泥水的濃度
（1）在絮凝劑添加量相同的條件下，隨著煤泥水濃度的增加，澄清水的濃度也隨之增高（見表5、圖9）。從圖9可看出，對于本次試驗粒度很細的煤泥，當煤泥水濃度在10-40g/L時，澄清水濃度增幅較平緩；而超過40g/L后，澄清水濃度大幅增加。
表5煤泥水濃度與澄清效果
| 煤泥水濃度/g.L-1 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 絮凝劑用量 | 按體積計/g.m-3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 按干煤計/g.t-1 | 400 | 200 | 133 | 100 | 80 | 67 | |
| 澄清水濃度/mg.L-1 | 100 | 133 | 189 | 291 | 648 | 896 | |
注：試驗采用陰離子型聚丙烯酰胺，分子量1000萬。
（2）在實際生產中絮凝劑添加量與進入濃縮機的煤泥水量及干煤量有關，因此要根據(jù)入料流量的多少和濃度的高低，及時調整絮凝劑添加量。
（3）在煤泥水濃度和絮凝劑添加量相同的條件下，粗粒煤泥的絮凝沉降效果較細粒煤泥好得多。
（4）當煤泥水濃度過高，甚至添加很多的絮凝劑也無濟于事時，其原因有兩個，一是絮凝劑分子鏈無法在高濃度煤泥水中充分伸展；二是即使有絮團產生，在嚴重干擾沉降的條件下，固體顆粒和絮團的沉降速度相當緩慢。實現(xiàn)良好絮凝澄清的先決條件是所沉降的煤泥能夠及時回收，細泥不在煤泥水系統(tǒng)中循環(huán)積聚。
3.4 絮凝劑用量
為考察聚丙烯酰胺用量對絮凝效果的影響，在實驗室進行了系列對比試驗，試驗結果見表6和圖10。從圖表中可看出，當聚丙烯酰胺用量從1g/m3增至3g/m3時，澄清水濃度急劇下降，絮凝效果改善明顯。而后隨著絮凝劑用量的增加，澄清水濃度減幅平緩。當絮凝劑用量超過20g/m3時，澄清水濃度反而上升。因此，選煤廠應從技術經濟合理性角度考慮，絮凝劑的用量不超過5g/m3。
表6聚丙烯酰胺用量對澄清水濃度的影響
| 絮凝劑用量/g.m-3 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 | 12 | 20 | 24 | 32 | 40 |
| 澄清水濃度/mg.L-1 | 562 | 321 | 179 | 161 | 134 | 121 | 113 | 100 | 85 | 71 | 48 | 72 | 86 | 100 |
注：煤泥水樣濃度：40g/L；陰離子型聚丙烯酰胺分子量：800萬。
絮凝劑用量適當時，高分子吸附在顆粒表面，通過架橋作用，促進絮團形成（見圖11A）。而當過量時，顆粒表面吸附太多的絮凝劑分子后，沒有空余表面，達到過飽和狀態(tài)，不再吸附其他絮凝劑分子，不但起不到架橋作用，反而相互排斥，促進了分子間的分散（見圖11B）。
3.5 煤泥水的硬度
眾多選煤廠因為生產用水中溶有的鈣、鎂離子少，水質較軟，微細顆粒表面帶有同性負電而相斥，穩(wěn)定地懸浮在水中。這時需要添加凝聚劑，其溶解并電離的金屬正離子可降低微細顆粒表面的電動電位，促使它們在分子作用力下，形成小凝塊。這些小凝塊質量小，沉降速度慢，又需要絮凝劑線狀分子的架橋作用，形成質量大的絮團，加速其沉降。凝聚與絮凝協(xié)同作用示意圖見圖12。由此可見，添加絮凝劑、凝聚劑后在同一時段內產生協(xié)同效應，實現(xiàn)煤泥水澄清。
近年來，人們一直研究在大幅度減少絮凝劑用量的前提下實現(xiàn)煤泥水深度澄清。其機理是人為增加煤泥水中的鈣、鎂離子數(shù)量，提高水質硬度，從而大大強化凝聚-絮凝協(xié)同效應。實驗室凝聚-絮凝試驗結果見表7，從中可以看出，在絮凝劑用量相同的條件下，隨著水質硬度提高，澄清水濃度急劇下降。
表7水質硬度對澄清水濃度的影響
| 水質硬度（德國度） | 0 | 6.0 | 10.9 | 19.8 | 27.0 |
| 水質硬度范圍 | 較軟水 | 軟水 | 中等硬度水 | 硬水 | 較硬水 |
| 絮凝劑用量1g/m3時，澄清水濃度/mg.L-1 | 3263.0 | 820.7 | 214.5 | 184.5 | 155.1 |
| 絮凝劑用量3g/m3時，澄清水濃度/mg.L-1 | 2087.2 | 167.6 | 68.2 | 67.0 |
注：煤泥水濃度：40g/L；陰離子型聚丙烯酰胺分子量：1000萬。
生產實踐證明，以鈣、鎂離子類無機凝聚劑為主，高分子絮凝劑為輔的聯(lián)合添加方式可大大節(jié)省藥劑費用。聚丙烯酰胺一般約1.5萬元/t。而鈣、鎂無機凝聚劑每噸單價僅幾百元。據(jù)測算，兩者聯(lián)合添加的費用約為0.10元/t原煤，而單獨添加聚丙烯酰胺的費用約為0.15元/t原煤。
對于實現(xiàn)洗水閉路循環(huán)的選煤廠，如果循環(huán)水中殘留的聚丙烯酰胺過多，還可能產生以下情況：①煤粒表面粘附的絮凝劑分子達到過飽和狀態(tài)，絮凝沉降效果急劇變壞；②煤泥在浮選機中無選擇性絮凝，致使精煤灰分增高；③絮團發(fā)粘，若沉淀在斜管濃縮機的斜管上，因粘附不下滑，惡化工作效果，若粘附在濃縮機底流管道中，會發(fā)生堵塞現(xiàn)象；④絮團親水性增加，影響后續(xù)脫水回收作業(yè)的工作效果。
4、單體丙烯酰胺的毒性
聚丙烯酰胺本身是無毒的，但聚合時所用的原料單體丙烯酰胺能使神經肌肉功能失調，對皮膚有刺激性。生產制造聚丙烯酰胺的過程中，單體丙烯酰胺不可能全部聚合，總會有較少量的殘留。表8列出了國產聚丙烯酰胺對白鼠的毒性試驗結果，從表中看出，隨著單體丙烯酰胺含量增加，病變情況也隨之加劇，故單體含量的多少也是聚丙烯酰胺的一項重要質量指標。
表8白鼠毒性試驗結果
| 飲用水中聚丙烯酰胺濃度/mg.L-1 | 單體丙烯酰胺平均日攝入量/mg.kg-1（鼠重） | 病理變化 |
| 80 | 0.18 | 白鼠成活和屠宰后均為發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象 |
| 400 | 0.96 | 坐骨神經和甲狀腺出現(xiàn)病理變化 |
| 1600 | 4.04 | 白鼠生產發(fā)育遲緩，體重降低，部分白鼠坐骨神經和甲狀腺出現(xiàn)病變 |
在GB17514-1998中，對聚丙烯酰胺中殘留的單體丙烯酰胺含量作了明確規(guī)定（見表9）。其中，優(yōu)等品是國際標準的指標，一等品是向國際標準接軌的過渡產品，考慮到我國國情，要求需要達到的較低指標。
表9聚丙烯酰胺產品中丙烯酰胺單體含量指標
| 聚丙烯酰胺用途 | 飲用水用 | 污水處理用 | |
| 級別 | 優(yōu)等品 | 一等品 | 合格品 |
| 單體丙烯酰胺含量（干基）/% | 0.05 | 0.1 | 0.2 |
綜上所述，建議選煤廠按照以人為本、建設和諧社會的基本國策，盡量選用優(yōu)等品或一等品的聚丙烯酰胺。針對單體丙烯酰胺的特性，加強相關的勞動保護、防范措施，如操作人員使用乳膠手套，不得用手直接觸摸聚丙烯酰胺及其水溶液等。若選煤廠用循環(huán)澄清水作為清掃水，要求職工餐前、班后需要洗手。
5、結語
（1）聚丙烯酰胺是一種廣泛應用于選煤廠的絮凝劑。為了達到良好的絮凝效果和降低生產成本，需要使用分子量、水解度達標的產品。結合生產實際和影響絮凝沉降的因素，通過實驗室試驗，確定科學合理的水溶液制備和添加制度。
（2）聚丙烯酰胺是一種價格較貴的絮凝劑。建議采用以添加鈣、鎂離子型無機凝聚劑為主，絮凝劑為輔的煤泥水澄清技術，用提高水質硬度的方法來減少絮凝劑用量。這樣，不但可節(jié)省費用，還能有效實現(xiàn)煤泥水深度澄清、清水選煤。
（3）選用優(yōu)良產品。根據(jù)聚丙烯酰胺的分子量、水解度和丙烯酰胺單體含量的指標，優(yōu)選生產工藝完善、質量良好、誠信度高的廠家產品。
