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创建于04.23
水処理におけるポリアクリルアミド（PAM）の応用とメカニズムに関する研究
I. はじめに
ポリアクリルアミド（略してPAM）は、線形高分子ポリマーです。1950年代に工業生産が実現して以来、水処理分野で最も重要な化学薬品の一つとなっています。その独自の分子構造と調整可能な性能により、PAMは飲料水の浄化、下水処理、産業廃水処理、スラッジ脱水のプロセスにおいて欠かせない役割を果たしています。環境保護規制がますます厳しくなり、水資源不足の問題が深刻化する中で、水処理におけるPAMの応用研究は継続的に深化しており、新しい改良PAM製品の開発も顕著な進展を遂げています。
Ii. PAMの基本的な特徴と分類
1. 化学構造と物理的特性
PAMは、アクリルアミドモノマーの自由ラジカル重合によって形成される高分子化合物です。その分子鎖には多数のアミド基（-CONH2）が含まれており、これらの極性基はPAMに優れた水溶解性と化学活性を与えます。PAMの平均分子量は通常100万から2000万の間です。必要に応じて重合度を調整することで、異なる分子量の製品を得ることができます。
2. PAMの主な種類
イオン特性に基づいて、PAMは3つの主要なカテゴリに分類されます：
●非イオン性PAM（NPAM）：分子鎖は帯電しておらず、主に水素結合とファンデルワールス力を介して作用します。高塩分または高pH値の環境に適しています。
●陰イオンPAM（APAM）：加水分解または共重合を通じてカルボキシル基などの陰イオン基を導入することにより、正に帯電したコロイド粒子に対して優れた凝集効果を持ち、都市下水や鉱物処理廃水の処理に広く使用されています。
●カチオン性PAM（CPAM）：四級アンモニウム塩などのカチオン性基を導入することによって調製され、スラッジ脱水や製紙廃水などの分野で負に帯電した有機コロイドに特に適しています。
さらに、処理対象の特性に応じて分子設計が可能な両性PAMや改良PAMなどの特別な種類があります。
Iii. 水処理におけるPAMのメカニズム
1. 凝集メカニズム
PAMは主に以下の3つの方法で懸濁固体の集約を実現します：
●電気中和：帯電したPAM分子は、静電相互作用を通じてコロイド粒子の表面電荷を中和し、ζポテンシャルを低下させ、コロイドの安定性を損ないます。
●吸着架橋効果：長鎖PAM分子が同時に複数の粒子を吸着し、「粒子-ポリマー-粒子」のフロック構造を形成します。これは高分子フロック剤の独自の作用モードです。
●ネットキャプチャとスウィーピング効果：PAMによって形成された三次元ネットワーク構造は、沈降プロセス中に微細な粒子を機械的に捕らえることができます。
2.フロック形成効果に影響を与える主要な要因
●分子量: 一般的に、分子量が大きいほど架橋能力が強くなりますが、溶解度は低下します。
●イオン度: それは電荷密度を決定し、電気中和の能力に影響を与えます。
●用量：最適な値があります。過剰な用量はコロイドが再安定化する原因となる可能性があります。
●溶液pH値：PAMのイオン化度と粒子の表面電荷特性に影響を与えます。
●攪拌条件：適度な攪拌はフロックの形成に寄与しますが、過度な攪拌はフロックを損なうことになります。
Iv. PAMの異なる水処理分野での応用
1. 飲料水処理
水処理において、PAMは主にアルミニウムまたは鉄塩凝固剤と組み合わせて凝固助剤として使用され、無機凝固剤の投与量を30-50%削減し、排水の質を大幅に改善することができます。研究によると、APAMの最適な使用は、沈殿槽からの排水の濁度を0.5NTU未満に低下させ、水中の微量有機物や藻類を効果的に除去することができます。
2.都市下水処理
二次処理では、PAMが活性汚泥の沈降を促進し、二次沈殿槽の効率を改善できます。三次高度処理では、PAM補助ろ過がリンや懸濁固体をさらに除去できます。ある下水処理場がCPAMを導入した後、スラッジ体積指数（SVI）は150mL/gから80mL/gに減少し、処理能力は約40%増加しました。
3.産業廃水処理
●製紙廃水：CPAMは高濃度有機廃水を効果的に処理でき、COD除去率は85％以上です。
●電気めっき廃水：APAMは重金属イオンとフロックを形成し、ニッケル、クロムなどの除去率は99％を超えます。
●油田廃水：PAMは油性廃水の処理に使用され、油分は1000mg/Lから10mg/L未満に減少させることができます。
4.スラッジ脱水
PAM条件付けは、スラッジの脱水性能を大幅に改善し、スラッジの水分含量を98%から80%未満に減少させ、スラッジの体積を大幅に減少させることができます。高度な自動投薬システムは、スラッジの性質に応じてCPAMの投与量とイオン化度をリアルタイムで調整し、最良の脱水効果を達成します。
V. PAM使用の最適化と革新
1. 複合技術
PAMと無機凝集剤（PACなど）、酸化剤（過硫酸塩など）、または他の有機フロック剤を組み合わせて使用することで、相乗効果を生み出すことができます。例えば、PAMとPACを組み合わせて印刷および染色廃水を処理すると、色除去率が20-30%向上する可能性があります。
2. 修正PAMの開発
●高温および塩耐性PAM：スルホン酸基などの強い親水性基を導入することにより、高温および高塩環境における安定性が向上します。
●環境に優しいPAM：製品中の残留モノマー（アクリルアミド）の含有量を減少させ、生分解性を向上させます。
●ナノ複合PAM：ナノシリカ、カーボンナノチューブなどが添加され、機械的強度とフロック性能を向上させます。
3.インテリジェント制御技術
オンラインモニタリングに基づくインテリジェントな投薬システムは、ゼータ電位、フロック粒子サイズなどを考慮し、リアルタイムでPAM投薬パラメータを最適化し、化学薬品の消費を15-30%削減できます。あるインテリジェントな水処理プラントは、AIアルゴリズムを採用してPAMの添加を制御し、年間50万元以上のコストを節約しています。
Vi. PAMの使用に関する注意事項
1. 溶解プロセス: PAMは清水にゆっくりと振りかけ、適度にかき混ぜて「魚の目」状の不溶性物質の形成を避けるべきです。通常、0.1-0.5%の溶液が調製され、調製後すぐに使用されます。
2.安全性と環境保護：アクリルアミドモノマーは神経毒性があります。高品質で残留物が少ない単一製品（<0.05%）を選択するべきです。廃棄PAM溶液は適切に処理し、水域に直接排出されないようにする必要があります。
3.保管条件：固体PAMは、湿気の吸収や塊になるのを防ぐために、密閉容器に入れて涼しく乾燥した場所に保管する必要があります。溶液は48時間以上保管してはいけません。
Vii. 将来の発展動向
1. グリーン合成技術：エネルギー消費と廃棄物生成を削減するために、バイオ酵素触媒重合などの環境に優しい生産プロセスを開発する。
2.機能設計：新興汚染物質（マイクロプラスチックや薬物残留物など）に特化したPAM分子設計。
3.デジタル管理：モノのインターネットとビッグデータ分析を統合することにより、PAMの正確でインテリジェントな利用を実現します。
4.資源回収：PAMフロックを利用して、廃水中の希土類元素や貴金属などの貴重な物質を濃縮します。
Viii. 結論
水処理分野の「多才なプレーヤー」として、PAMはその高効率、経済性、広い適応性のおかげで、世界の水資源保護と汚染管理において重要な役割を果たし続けています。材料科学と環境技術の進歩に伴い、優れた性能とより環境に優しい新しいPAM製品が引き続き登場し、複雑な水処理の課題に対するより多くの解決策を提供します。PAM技術の将来の発展は、効率向上と環境への配慮のバランスにもっと注意を払い、水処理業界がより効率的で持続可能な方向に発展することを促進すべきです。
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