张雪 张鹏 任伯帜

(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

0 引言

近年来，随着工业、农业的快速发展以及生活水平的提高，大量的污染物被排入水体，导致水环境的持续恶化。我国的水污染情况已经达到了十分严重程度，有1/4的人口所使用的饮用水并没有达到卫生标准。保障饮用水安全，提高饮用水水质已经成为当前水环境工作者的主要职责，其中最关键的问题是对污染物的有效控制［1，2］。

在众多的水处理方法之中，絮凝法是水处理技术中最常用、最重要、最省钱的方法之一［3］。二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺共聚物(简称为PDA)是一种常见的有机高分子絮凝剂，因具有正电荷密度高、阳离子单元结构稳定、水溶性好、高效无毒、pH适用范围广等优点，而广泛应用于采矿、日用化工、石油开采、纺织印染以及水处理等领域中［3］。

1 絮凝剂的分类与发展

随着科学技术的快速发展，絮凝剂的种类、品种也越来越丰富，主要可以分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、生物絮凝剂以及复合絮凝剂［4］。无机絮凝剂可分为两种，无机低分子絮凝剂与无机高分子絮凝剂，后者比前者具有投加量少、凝聚性好、形成絮体速度快、密集质量大、沉降速度快等优点。有机高分子絮凝剂具有投加量少、效果好，形成的絮体大、强度大且不易破碎，降低热值，无腐蚀性和不增加污泥量等优点，但这类絮凝剂也存在着残留单体有毒、生物降解难等问题，常用的有机高分子絮凝剂有:聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠等，其中聚丙烯酰胺的应用最广泛。生物絮凝剂也属于天然高分子有机物，具有良好的絮凝作用、生成沉淀的作用以及脱色效果，具有使用范围广泛、易于生物降解、无二次污染等优点，主要组成有两性多聚电解质特性的糖蛋白、蛋白质以及DNA等生物高分子化合物。复合絮凝剂能够克服单一絮凝剂的不足之处，提高絮凝效果，具有脱污泥性好、净水效果好、适用范围广、pH使用范围大等优点，然而其成本较高、制备工艺复杂，并有可能存在二次污染。

由于水中污染物的种类和成分越来越复杂，因此，絮凝剂的发展也由原来的低分子量向高分子量发展;单一型向复合型发展;单功能向多功能发展，对不同的水体采用不同类型的絮凝剂，以便达到最佳的絮凝处理效果［5］。

2 PDA简介

二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物简称为PDA［6］，其化学结构如图1所示。PDA被广泛应用于采矿、日用化工、石油开采、纺织印染以及水处理等领域中。因此，研究开发高性能的PDA具有重要的意义。

图1 PDA的化学结构式

2.1 用于合成PDA的两种单体

1)二甲基二烯丙基氯化铵单体。

二甲基二烯丙基氯化铵(Dimethyl Diallyl Ammonium Chloride，简称DMDAAC)为高纯度、季胺盐、聚合级、高电荷密度的阳离子单体。DMDAAC水溶液为无色、无味、透明、稍微有粘稠度的液体，易溶于水、乙醇、异丁醇，可通过聚合反应形成线性聚合物以及共聚物［6］。

2)丙烯酰胺单体。

丙烯酰胺(Acrylamide，简称AM)是白色透明的片状晶体，主要用于产生聚丙烯酰胺、水的净化处理等。丙烯酰胺单体在常温状态下是稳定存在的，但是当周围温度达到其熔点、氧化条件以及紫外线的作用下时其不能够稳定存在，容易发生聚合反应。丙烯酰胺单体具有毒性，对中枢神经系统有危害，有致癌的可能性，而且对眼睛和皮肤有强烈的刺激作用。

2.2 PDA的合成方法

PDA的合成有很多种方法，但一般都采用水溶液聚合法、反相乳液聚合法、反相悬浮聚合法等方法［7，8］。

1)水溶液聚合法。水溶液聚合法是将DMDAAC与AM水溶液中加入一定量的引发剂，通入氮气，并保持适当的温度，经过一段时间后，便可以得到透明的、具有弹性的胶状产物PDA。由于水溶液聚合法工艺简单、生产操作安全、成本低、产品可直接使用等优点，所以水溶液聚合法是生产高聚物最常用的方法之一。但是水溶液聚合法也存在着一些不足之处，例如产物的特性粘度较低、固含量较低、溶解时间较长等。

2)反相乳液聚合法。反相乳液聚合法实际上是在乳液中进行的水溶液聚合，一般采用非极性溶剂作为连续相，使反应单体溶于水，在乳化剂的作用下，把DMDAAC单体与AM单体分散在油相中，从而形成“油包水(W/O)”型乳液进行聚合。该种方法具有聚合率高、产物的相对分子质量分布窄、相对分子质量高、体系粘度低、反应容易控制、在低温环境下可以进行反应、无污染等优点。

3)反相悬浮聚合法。反向悬浮聚合法与反相乳液聚合法有着许多相似之处，例如，利用该种方法制备出来的聚合物会呈现珠状形态;也存在着不同之处，例如，反相悬浮聚合法采用悬浮剂或者分散剂而不采用反相乳液聚合法中的乳化剂。反相悬浮聚合法具有很多的优点，例如:成本低、产品相对分子质量高、分布稳定、散热性好、后期处理工序要比反相乳液聚合法简单等。但是该方法也存在着溶剂回收需要破乳，生产效率低等缺点。

4)微波辐射聚合法。Williams N.H.早在1967年就报道了利用微波辐射技术加快某些化学反应的实验结果。Roymond J.Giguere等人在1986年发现利用微波辐射技术可以使反应速率提高1 240倍，并发现能够提高一定的产率。来水利等人［9］运用微波辐射技术合成PDA，并发现利用微波辐射技术能够大幅度的提高其反应速率，与常规化学法相比其效率有所增加，反应时间有所减少。由于微波辐射技术具有高效快速、节能省电、操作简单、能进行选择性加热、设备体积小、副产物少等优点被广泛的应用在各个研究领域中，运用微波辐射技术促进化学反应成为了一个新课题。

5)其他聚合法。Subramanian等运用γ射线技术合成PDA;罗慧运用光引发剂合成PDA;Hunter等运用双引发剂(即常用引发剂与光致还原剂)在有氧环境下，利用白炽灯引发合成PDA;Kiyoshi等运用荧光合成PDA。

2.3 PDA的应用

PDA因其特殊的性能而被广泛的应用于各个领域，例如水处理领域、日用化工领域、造纸领域、石油工业领域、采矿领域等［10］。

1)在水处理领域中的应用。在国外，PDA被广泛的应用于生活污水的处理、工业废水的处理以及饮用水的处理;而在国内却因质量不高、产量低等原因，其应用并不广泛。PDA能析出工业废水中的金属离子、回收煤粉、进行脱色等;能去除造纸废水中的油墨、对其进行除浊、脱色处理;能有效去除食品加工废水中的组织、脂肪等其他物质;还能进行污泥脱水。

2)在日用化工领域中的应用。PDA为表面活性剂，可作为一种添加剂用于洗发水、染发剂、烫发剂、沐浴液、洗涤剂、香皂等日用化学品的制备。添加有PDA的洗发水可使头发柔软有光泽;PDA可作为香皂、沐浴液等中的发泡剂。

3)在造纸领域中的应用。PDA在造纸工艺中可作为纸纤维的助留剂，提高填料和细小纤维的利用率，从而提高纸张的性能，改善工艺效率;也可作为白水回收剂、干湿增强剂、含纤维废水污泥的脱水剂、表面施胶剂等。

4)在石油工业领域中的应用。PDA在石油工业领域中的应用极其广泛，它可作为粘土稳定剂、泥浆处理剂、采油添加剂、地层封堵剂、油田水处理剂应用于石油工业领域中。PDA还可以处理含油废水中的悬浮物;作为溢流剂与其他共聚物一起使用，对石油进行回收;作为钻井液提高进钻的速度等。

5)在采矿领域中的应用。PDA在采矿和矿物加工领域中也经常被使用，常作为脱水凝聚剂用于处理矿物泥浆。由于PAD的絮凝性能，可使矿渣的沉降与凝结的速度加快，澄清泥浆水;回收尾矿水中的煤粉。

6)其他领域的应用。PDA在制药工业与制糖业中也有所应用，例如，能够提取抗菌素、助滤发酵液、澄清糖浆以及油质废水的脱乳化等。

3 结语

随着水环境中污染物成分的日趋复杂，对水处理剂的要求也逐渐提高，传统的絮凝剂已经不能满足当前的要求，迫切需要新型絮凝剂的开发。今后絮凝剂主要朝着高效低毒方向发展。这就要求我们开发新型絮凝剂的同时，注意控制合成絮凝剂单体的残留量问题，加强绿色环保絮凝的开发应用，比如天然高分子絮凝剂、微生物絮凝剂等。根据污水性质，有针对性地开发高效、无污染、价格低廉的絮凝剂。

［1］赵 辉.水中污染物对人体的危害［J］.科技信息，2009(31):31-32.

［2］世界水资源开发报告［R］.第三届水资源论坛大会，2012.

［3］牟洪燕，秦梦华.浅谈絮凝剂的研究进展［J］.造纸化学品，2006(6):96-98.

［4］张永超，冯 喆.有机絮凝剂的机理及进展［J］.塑料制造，2010(9):60-62.

［5］赵松梅，刘昆元.二甲基二烯丙基氯化铵/丙烯酰胺共聚物的合成［J］.北京化工大学学报，2005，32(4):30-32.

［6］张 鹏.PDA的制备及对水中有机污染物的絮凝去除［D］.重庆:重庆大学，2011.

［7］Boothe J E.Synthesis of dimethyl dially ammonium chloride［P］.US:3461163，1969-08-12.

［8］张跃军，顾学芳.二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺共聚物的研究进展［J］.精细化工，2002，19(9):521-527.

［9］来水利，靳光秀，胡益平.微波作用下P(AM-DMDAAC)的共聚反应及增干强性能的研究［J］.西南造纸，2004(7):50-51.

［10］Peng Zhang，Xue Zhang，Bozhi Ren，et al.Synthesis，Characterization and Flocculation Performance of Cationic Polyacrylamide P(AM-DMD)［J］.ASIAN JOURNAL OF CHEMISTRY，2014(13):68-69.