聚丙烯酰胺的合成和應(yīng)用及其發(fā)展

1、聚丙烯酰胺（PAM）的合成和應(yīng)用及其發(fā)展（專業(yè)：環(huán)境科學(xué) 班級：101班 姓名：張亞峰 學(xué)號：101505019） 摘要：本文主要介紹聚丙烯酰胺（PAM）的合成、應(yīng)用及其發(fā)展。關(guān)鍵詞：PAM 合成 應(yīng)用 發(fā)展前言隨著上世紀(jì)工業(yè)的迅速發(fā)展，資源等人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)被大幅度地不合理利用或破壞，某些稀有資源線已出現(xiàn)枯竭的局面。步入二十一新世紀(jì)，全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，致使人類社會所面臨的人口增長、環(huán)境污染、資源匱乏等全球性問題日益趨于明顯和嚴(yán)峻，并引發(fā)和激化了諸多方面的矛盾和危機(jī)，為了緩解或者解決這些問題，人們把希望寄托于科技。著有“百業(yè)助劑”之稱的聚丙烯酰胺（Polyacrylamide, 簡稱PA

2、M）因其優(yōu)良的性能和現(xiàn)階段人們可以承受的經(jīng)濟(jì)水平，作為一類重要的具有多方面應(yīng)用的絮凝劑、增稠劑、減阻劑、泥漿處理劑、表面活性劑、土壤改良劑、水土保濕劑、種子包衣劑、紙力增強(qiáng)劑等被廣泛用于石油開采、水處理、紡織、造紙、選礦、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。本文首先介紹PAM的合成，其次著重闡述PAM在上述行業(yè)方面的應(yīng)用和發(fā)展。1 PAM概述聚丙烯酰胺是丙烯酰胺（AM）均聚或與其它單體共聚而成的含量在50%以上的線型水溶性高分子化學(xué)品的總稱。聚丙烯酰胺有粉末狀、膠體狀和乳液狀三種產(chǎn)品，無色無味、無臭，外觀呈白色或微黃色，易溶于水，幾乎不溶于苯、乙醚、酯類、丙酮等一般有機(jī)溶劑，其水溶液接近透明的粘稠液體，無毒、無

3、腐蝕性；固體PAM具有吸濕性，熱穩(wěn)定性良好，但在120以上會分解產(chǎn)生NH3、CO、H2 。由于單體丙烯酰胺 的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡虼丝梢栽谄潆p鍵及酰胺基處通過一系列的化學(xué)反應(yīng)引入不同的官能基團(tuán)，從而可以得到不同類型的聚丙烯酰胺。按其離子特性可分為陽離子型、陰離子型、非離子型、兩性聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺的分子結(jié)構(gòu)為： 結(jié)構(gòu)式中的n值為2×1049×104，故聚丙烯酰胺分子量一般為1.5×1066×106，可分為低分子量、中分子量、高分子量和超高分子量聚丙烯酰胺。2 PAM的合成目前，國內(nèi)外合成聚丙烯酰胺的方法普遍一致，其基本原理都是基于丙烯酰胺在引發(fā)劑的作

4、用下，發(fā)生自由基聚合反應(yīng), 生成聚丙烯酰胺。聚合方法按單體在介質(zhì)中的分散狀態(tài)分類主要有溶液聚合、乳液聚合、懸浮聚合和本體聚合。按單體和聚合物的溶解狀態(tài)分類可分為均相聚合和非均相聚合。其中，丙烯酰胺的自由基聚合主要分為均相水溶液聚合法、反相乳液聚合法、懸浮聚合法等。聚合過程中采用的引發(fā)劑主要是一些鍵能較低（通常為100150kJ/mol）、易分解的化學(xué)物質(zhì)（常見的有、(NH4)S2O8），它們可以在一些物理因素的作用下化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生自由基，進(jìn)而與丙烯酰胺單體進(jìn)行共聚或均聚反應(yīng)生成聚丙烯酰胺。后期還可通過聚丙烯酰胺中特殊的酰胺基所具有的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改性，引進(jìn)羧基等基團(tuán)形成其它類型的聚丙烯酰胺

5、。所涉及到的物理因素有各種輻射、光(可見光和紫外線)、超聲波、磁。2.1 合成機(jī)制工業(yè)上最早采用并且沿用至今的生產(chǎn)方法是丙烯酰胺的溶液聚合法。溶液聚合是由單體、引發(fā)劑、溶劑組成的聚合體系。該法生產(chǎn)聚丙烯酰胺有較長的歷史，由于其操作工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，操作安全方便，不必回收溶劑、環(huán)境污染少、且聚合物產(chǎn)率高、易獲得高特性粘數(shù)聚合物等多重優(yōu)點(diǎn)，迄今仍有不少生產(chǎn)廠家在沿用。下面以引發(fā)劑K2S2O8為例，通過化學(xué)反應(yīng)方程式說明聚丙烯酰胺的溶液聚合反應(yīng)過程。鏈引發(fā)階段： 鏈增長階段： 鏈終止階段： 顯然，聚丙烯酰胺的合成反應(yīng)自由基反應(yīng)。由于聚丙烯酰胺生產(chǎn)過程中的聚合熱難以散去，使體系溫度升高，為了獲得

6、高分子量的產(chǎn)品，人們將適用于不同溫度范圍的引發(fā)劑復(fù)合使用，即所謂的復(fù)合引發(fā)。該體系既可降低聚合前期的引發(fā)溫度，也可提高后期的聚合轉(zhuǎn)化率。如：NaHSO3、CH3NaO3S2H2O。2.2 合成工藝流程PAM產(chǎn)品主要有水溶液膠體、粉末狀和乳液三大劑型。但粉狀PAM產(chǎn)品因其使用、貯存和運(yùn)輸方便等原因，目前為國內(nèi)外所普遍使用。其一般生產(chǎn)工藝流程可用下圖表示：3 PAM的應(yīng)用3.1 陽離子型聚丙烯酰胺的應(yīng)用1用于水處理：污泥脫水時，可根據(jù)污泥性質(zhì)選用不用型號的陽離子型聚丙烯酰胺，它具有絮團(tuán)大，不粘濾布，壓濾時不散，泥餅較厚，脫水率高，泥餅含水率低等優(yōu)點(diǎn)，處理效率很高；處理生活污水和有機(jī)廢水，由于陽離子

7、型聚丙烯酰胺在酸性或堿性介質(zhì)中均呈正電性，而生活污水和有機(jī)廢水通常呈負(fù)電性，因此用陽離子型聚丙烯酰胺要比用陰離子、非離子型聚丙烯酰胺效果高數(shù)倍甚至數(shù)十倍；在凈化以江河水作水源的自來水時，用量少，效果好，成本低，特別是和無機(jī)絮凝劑共同使用效果更好，因此它將有望成為凈化長江、黃河及其它流域的自來水廠的高效絮凝劑。2用于造紙業(yè)：造紙用其作為增強(qiáng)劑或助劑，以提高填料、顏料等存留率，降低原材料的流失和對環(huán)境的污染；同時，它還可以提高紙張的強(qiáng)度和抗撕性以及多孔性。3用于紡織業(yè)：可以使上漿劑、漿液性能穩(wěn)定，降低，織物斷頭率低、改善織物布面光潔程度。3.2 陰離子型聚丙烯酰胺的應(yīng)用1工業(yè)廢水處理：對于懸浮顆粒

8、，粒徑較大、濃度高的帶正電粒子, pH呈中性或堿性的污水，鋼廠廢水，電鍍廠廢水和冶金廢水以及洗煤廢水等污水的處理效果好。 2飲用水處理：一般選用陰離子聚丙烯酰胺為宜。我國很多自來水廠的水源來自江河，泥沙及礦物質(zhì)含量高，比較渾濁，雖經(jīng)過沉淀過濾，但仍不能達(dá)到要求，還需投加陰離子聚丙烯酰胺作絮凝劑以提高飲用水水質(zhì)。3流失淀粉和蛋白的回收：現(xiàn)在很多淀粉廠的廢水內(nèi)含淀粉很多，投加陰離子聚丙烯酰胺，使淀粉微粒絮凝沉淀，然后將沉淀物經(jīng)壓濾變成餅狀，可作飼料；陰離子聚丙烯酰胺還用于飼料蛋白的回收、質(zhì)量穩(wěn)定、性能好，回收的蛋白粉對雞的成活率提高和增重、產(chǎn)蛋無不良影響。4造紙助劑：造紙行業(yè)中陰離子聚丙烯酰胺作燒

9、堿液的澄清，纖維分散劑，可改善打漿度，填料助留劑，紙張?jiān)鰪?qiáng)劑，亦可用于提高濾水率和清水才回收。在造紙前泵口式儲漿池中加入微量陰離子聚丙烯酰胺可使水中填料與細(xì)小纖維在網(wǎng)上存留提高2030%，每噸可節(jié)約紙漿2030kg。 5油田三次采油的驅(qū)油劑：陰離子聚丙烯酰胺可以調(diào)節(jié)注入水的流變性，增加驅(qū)動液的粘度，改善水驅(qū)波及效率，降低地層中水相滲透率，使水和油能勻速地向前流動。在石油開采方面主要用于油田的三次采油，相關(guān)數(shù)據(jù)表明：每注入一噸高分子聚丙烯酰胺產(chǎn)品，可多采原油100150噸左右。 6鉆井泥漿材料：在油田的勘探開發(fā)及地質(zhì)、水利、煤炭的勘探中，陰離子聚丙烯酰胺用作鉆井泥漿材料的添加劑，可以增加鉆頭的使

10、用壽命，提高鉆速和進(jìn)尺，減少換鉆時的堵塞，防井塌效果明顯。此外，它還可作油田的壓裂液及調(diào)剖堵水的堵水劑。3.3 非離子型聚丙烯酰胺的應(yīng)用1. 主要用作絮凝劑：由于其分子鏈中含有一定量的極性基團(tuán)，可以吸附水中的懸浮顆粒，使原先分散的小顆粒間形成整體粒徑較大的絮凝體，加快水中分散小顆粒的沉降速度，促進(jìn)過濾等效果。廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)廢水、廢液的處理和市政污水的處理，尤其當(dāng)污（廢）水呈酸性時，采用本產(chǎn)品更為適宜。與無機(jī)絮凝劑鐵鹽、鋁鹽配合使用效果更好。2. 用于石油工業(yè)：用于采油、鉆井過程中產(chǎn)生的泥漿的處理；同時，防止水竄、降低摩阻、提高采收率、促進(jìn)三次采油。3用于紡織工業(yè)：在紡織化學(xué)上漿料時，非離子

11、型聚丙烯酰胺可以增強(qiáng)物料的附著力，而且這種情況下紡織品也不會有靜電作用，因此，它可以降低紡織品的斷頭率，提高上漿率，改善表面光潔程度。4用于造紙工業(yè)：一是提高填料、顏料等的存留率，以降低原材料的流失和對環(huán)境的污染；二是提高紙張的強(qiáng)度（包括干強(qiáng)度和濕強(qiáng)度）；三是提高紙張的抗撕性和多孔性，以改進(jìn)視覺和印刷性能。主要用于牛皮紙、地圖紙、廣告紙和食品、茶葉包裝紙。3.4 兩性聚丙烯酰胺的應(yīng)用兩性聚丙烯酰胺分子內(nèi)兼有陽離子和陰離子，它除了具備一般陰、陽離子絮凝劑的特點(diǎn)外，而且使用pH范圍廣，表現(xiàn)了更優(yōu)異的性能。1. 金屬離子吸附劑：兩性高分子聚丙烯酰胺分子內(nèi)的陰、陽離子基團(tuán)能與金屬離子發(fā)生螯合作用,而在

12、等電點(diǎn)時又可將其釋放出來,利用此性質(zhì)可將金屬離子分離回收。因此，它可以作為金屬離子吸附劑來回收利用工業(yè)廢水中的金屬離子及篩選礦石中的金屬。2. 油田領(lǐng)域：兩性聚丙烯酰胺可作為油田調(diào)剖堵水劑，與交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑、促凝劑聯(lián)合作用，生成具有重要聚合凝膠和樹脂凝膠的高強(qiáng)凝劑膠堵水劑。它通過吸附、物理堵塞等作用堵塞地層孔隙和裂縫，調(diào)整比例，可控制凝膠時間，以適應(yīng)不同地質(zhì)清況。還可用作鉆井液的增稠劑、泥漿的降粘劑、降濾失劑和驅(qū)油劑等。3. 水處理方面：兩性聚丙烯酰胺因其具有較高的濾水量，較底的濾餅含水率等優(yōu)良性質(zhì)，可用于污泥脫水和各種含油污水、有機(jī)污水、無機(jī)污水、復(fù)雜污水的處理。4. 其他方面：兩性聚丙烯酰

13、胺也可應(yīng)用于高吸水性樹脂、皮革復(fù)鞣劑、表面活性劑和土壤改良等方面。4 PAM的發(fā)展與研發(fā)4.1 我國PAM的發(fā)展?fàn)顩r 目前, 我國PAM的生產(chǎn)與國外先進(jìn)水平相比，在專用性產(chǎn)品和各類不同基團(tuán)共聚接枝改性衍生物的品種、數(shù)量和性能上有較大的差距, 在工業(yè)生產(chǎn)及科技水平總體上還比較落后，主要表現(xiàn)在: 1. 總體規(guī)模小，單機(jī)生產(chǎn)能力低以美國、西歐、日本為主的工業(yè)發(fā)達(dá)國家同行業(yè)企業(yè)PAM生產(chǎn)能力達(dá)幾萬噸, 如美國賽特公司達(dá)5萬噸。英國聯(lián)合膠體公司為2.5萬噸, 日本日東化學(xué)公司為2萬噸。PAM生產(chǎn)規(guī)模為40000噸/年左右。而我國PAM的總生產(chǎn)能力僅1萬噸左右。最大生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)規(guī)模也只有500噸/年，且

14、由多條生產(chǎn)線組成。 2. 技術(shù)水平低具體表現(xiàn)在產(chǎn)品品種少、質(zhì)量較低，國外先進(jìn)PAM生產(chǎn)廠家有乳液、水溶液、懸浮液、粉狀及珠狀等多種形式的產(chǎn)品，產(chǎn)品分子量超過1800萬,性能優(yōu)越,而我國PAM工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是粉末狀和膠體狀。分子量一般在600萬以下,個別達(dá)1000萬以上的,其分子量分布范圍較寬, 抗礦化度及耐溫耐剪切能力低。3. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)落后我國PAM生產(chǎn)的勞動生產(chǎn)率為0.5噸/人，每噸產(chǎn)品消耗電約10001500kW·h，而國外先進(jìn)水平分別為660噸/人和500 kW·h。總之, 正因?yàn)槲覈鳳AM 生產(chǎn)企業(yè)存在著多方面的問題, 產(chǎn)品劑型少,分子量不高,總體水平低。

15、因此迅速提高PAM 的生產(chǎn),技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平已成為時代發(fā)展的迫切需要。4.2 PAM的發(fā)展前景縱觀PAM的發(fā)展歷程和本文對其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，我們可以很明顯的看出PAM幾乎被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各方面，而且隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的推動和國內(nèi)日益漸增消費(fèi)需求的刺激，在未來的生產(chǎn)實(shí)踐中仍然會扮演越來越重要甚至不可替代的作用。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2012年我國PAM的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槭烷_采、水處理、造紙、高吸水性樹脂、冶金和洗煤等。其消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：石油開采占81%、水處理占9%、造紙占5%、礦山占2%,其他占3%。不難看出石油開采是目前我國PAM最大的消費(fèi)領(lǐng)域，其次是水處理領(lǐng)域，而我國城市污水處理率不足30%，工業(yè)水的

16、重復(fù)利用率為60%，工業(yè)廢水處理率為77%，與發(fā)達(dá)國家相比差距很大。因此，PAM作為絮凝劑在我國城市污水處理以及化工、冶金、造紙、印染、制糖、味精、煤炭、建材等行業(yè)的廢水處理的用量將不斷增加，在高吸水性樹脂、水泥增強(qiáng)劑、粘合劑、皮革復(fù)鞣劑等領(lǐng)域也會不斷增加。預(yù)計(jì)，20122018年，PAM在石油開采、采礦、造紙及水處理四大應(yīng)用的市場將以7.2%的年均增長率持續(xù)增長。4.3 PAM研發(fā)及應(yīng)用的幾點(diǎn)建議1. 大力開發(fā)高分子量，低殘留、速溶的PAM產(chǎn)品，使其盡可能地實(shí)現(xiàn)多樣化、無毒化。 2. 應(yīng)盡快提高生產(chǎn)規(guī)模，形成規(guī)模效應(yīng)。3. 大力開發(fā)各種專用性強(qiáng)的產(chǎn)品，如適用于高溫高礦化度油田以及三次采油技術(shù)

17、。4. 深入研究PAM的應(yīng)用技術(shù)。5 結(jié)束語 通過對本課程的學(xué)習(xí)和寫該論文過程中查閱相關(guān)資料，我深深意識到科學(xué)技術(shù)對生產(chǎn)實(shí)踐，尤其是工業(yè)領(lǐng)域的重要性；可以說，科學(xué)技術(shù)才是一個國家硬實(shí)力的真正體現(xiàn)，在一定程度上，它的發(fā)展水平?jīng)Q定著一個國家的經(jīng)濟(jì)是否能走上良性、穩(wěn)定、持久發(fā)展的道路。即使僅僅是科學(xué)上的一點(diǎn)突破，倘若能轉(zhuǎn)換成社會需要的，并在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件下能為大眾所接受的某種技術(shù)或產(chǎn)品，勢必會促進(jìn)國家的發(fā)展和強(qiáng)大。盡管我國是世界上PAM的消費(fèi)大國，但限于現(xiàn)階段的科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)水平，迄今為止，國內(nèi)生產(chǎn)的PAM產(chǎn)品卻不能滿足特殊領(lǐng)域的要求和需求。因此，我國應(yīng)加大在科技方面的投資，潛心自主創(chuàng)新、求真務(wù)實(shí)、實(shí)事求是地投入科學(xué)研究；同時，積極加強(qiáng)與發(fā)達(dá)國家的交流與合作，共同攻克科學(xué)難題，共同研發(fā)新技術(shù)，為國家的長期發(fā)展