刚利超

在现代水处理工艺中，混凝技术占有非常重要的地位。阳离子絮凝剂是污水处理中使用效果最好、应用最广泛的水处理剂之一。因此，开发新技术，新工艺，生产高效无毒，质量高，效果好，成本低，批量化的阳离子有机高分子絮凝剂对于提高我国水处理能力具有十分重要的现实意义。DMC的均聚物与丙烯酰胺（AM）合成产生的共聚物聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（CPF）是一种多功能、高活性的阳离子高分子絮凝剂。本文主要研究的是DMC的均聚物PDMC的合成及最佳合成工艺的确定。

1 合成实验仪器和药品

实验仪器：JJ-1电动搅拌器，电热恒温水浴锅，四口瓶，冷凝管，DTG160电子天平，秒表，N2气。

实验药品：甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC），（工业级，质量分数≥78%，）过硫酸钾（K2S2O8）（分析纯）亚硫酸氢钠（NaHSO3）（分析纯），实验用水为蒸馏水。

2 合成实验的装置

实验的主要内容为阳离子絮凝剂的合成、合成絮凝剂的性质评价及应用评价。其中合成装置如下图所示。合成过程是将原料按照配方配置好加入四口烧瓶中，分别装好搅拌器、冷凝管、温度计、氮气通入管，并将四口烧瓶置于恒温水浴中。

3 合成实验的内容

在药品称量完毕后遂将四口瓶的四个口用滤纸暂时封住。然后依次将事先用蒸馏水清洗干净的搅拌器、温度计、冷凝管和氮气通入管装在四口瓶的四个口上。搅拌器事先套入液封玻璃管并加水液封，装入四口瓶固定，调整位置，打开搅拌开关，确保搅拌过程不会与四口瓶壁、瓶底以及温度计、氮气通入管彼此不干扰。

反应装置安装完整并稳固之后，打开冷凝管，将冷凝水流速控制在微小流动的范围内，这个范围足以对反应的四口瓶进行冷凝，同时又节约了水源。同时打开氮气瓶，观察氮气量的大小，将气泡控制在每秒一到两个的范围内。然后在水浴锅内加入自来水，水量控制在液面高度没过四口瓶瓶身接近瓶颈的范围内，因为水浴锅的加热装置位于锅底，所以液面高度控制在这个范围内有利于水浴温度均匀的扩散到四口瓶内。加水完毕后打开温度控制开关，按预先设定的合成方案调整温度值。

待通入氮气并加热10分钟后，将预先称好的引发剂通过氮气通入的胶管打入四口瓶内，加入顺序为先氧化剂后还原剂。这个过程要密切注意整个体系的温度变化情况，随时记录预设温度，水浴温度和温度计显示温度，留待以后对比分析。

通常要记录大约十分钟的温度变化情况。待温度变化稳定之后，开始计时，通常这个时候也同时停止通入氮气。然后将冷凝管用滤纸封口，留缝，以保证装置的密封。

开始计时后，每隔一个小时测一次粘度值。待到开始计时四个小时之后，终止反应，将合成产品装入事先清洗干净的塑料瓶中备用。然后拆散反映装置并清洗干净。

根据合成产品的特性表征，可以得到PDMC的最佳配方如下：最适反应温度为53℃-57℃；最佳引发剂用量为整个体系的1.54%（wt）；最适质量浓度为30%-33%（wt）。由于本次实验主要完成的就是DMC的均聚以及其性能表征，而DAC得均聚只是一种参照，所以并未将DAC的均聚产物及应用性能做详细的剖析，但从合成的数据以及产品的性能表征可以看出DAC的均聚条件相对DMC较容易。

4 合成条件的确定

合成PDMC的主要影像因素为反应温度、单体浓度、引发剂用量。本实验在确定最佳合成工艺参数时采用两个指标进行比较，即絮凝剂的阳离子度和絮凝剂的絮凝效果对比。

4.1 反应温度的确定

通过对比不同温度下产品的阳离子度、粘度和絮凝效果可以得到如下结论：阳离子度随温度的升高而增大，这同粘度随温度的变化趋势一致。在57℃条件下出现了波动（Y-09-10），这可能是由于合成实验进行到一定程度时，第一批药品已经用尽，所以不得不使用第二批药品进行合成。由于时间和条件的限制，没有对这个问题进行论证。对于絮凝效果的比较而言，53℃-57℃时，ABS和浊度都有最大的去除率，而COD最大去除率出现在57℃的条件下。因为用恒温水浴锅合成产品的过程中，难免要产生上下两度的温差，所以我们可以将最适反应温度定为53℃-57℃。

4.2 单体浓度确定

通过对比不同单体浓度下产品的阳离子度和絮凝效果可以得到如下结论：阳离子度随温度的升高而增大，粘度与之变化相同。随着单体浓度的增加，共聚物絮凝效果先是呈上升趋势然后下降。这主要是由于单体浓度的改变对聚合物的平均聚合度产生影响，随单体浓度的增加，共聚物相对分子质量先增加后减少。单体浓度过低时，单体之间接触和碰撞的几率小，不利于分子链的增长，且反应速率慢，时间长，聚合不完全。单体浓度的升高有利于反应的进行，这主要是由于单体浓度增加后，单体分子与活性链碰撞机会增加致使聚合反应速率加快，共聚物相对分子质量出现极大值。当单体浓度继续增高时，聚合放出的热量不能及时移走，聚合体系内温度升高，引发速度加快，甚至出现交联，使聚合物相对分子质量降低。单体含量越高，这种现象越明显。因此，实验最佳单体浓度确定为30%-33%（wt）。

4.3 引发剂用量的确定

在不同的引发剂用量条件下进行合成实验，然后对合成产物的阳离子度及其对高浊度水的絮凝效果进行对比，从而确定最好的反应温度，实验结果如图2所示：

通过对比不同引发剂用量下產品的阳离子度和絮凝效果可以得到如下结论：阳离子度随发剂用量的升高而增大，呈现出先增大后减小的趋势，粘度随引发剂用量的变化趋势与之相同。随着引发剂用量的增加，共聚物絮凝效果呈上升趋势然后下降。实验结果表明，当引发剂用量很少时，单体转化率不高，絮凝效果不好；当引发剂增至适当浓度.，聚合反应完全，絮凝效果好；而引发剂浓度再升高时，体系中自由基浓度增加，使得温升速率过大，反应热增加，致使分子链断裂，影响絮凝效果。实验结果符合自由基聚合反应规律。因此实验确定的合成反应引发剂最佳用量为1.54%。

参考文献

[1]汤鸿霄等.我国无机高分子絮凝剂产业的发展现状与规划[J].工业水处理2000，20（11）：1～6