I. Введение

Полиакриламид (сокращенно ПА) является линейным высокомолекулярным полимером. С момента его промышленного производства в 1950-х годах он стал одним из самых важных химических реагентов в области очистки воды. Благодаря своей уникальной молекулярной структуре и регулируемым характеристикам, ПА играет незаменимую роль в процессах очистки питьевой воды, очистки сточных вод, обработки промышленных сточных вод и обезвоживания осадков. С учетом все более строгих норм охраны окружающей среды и обострения проблем нехватки водных ресурсов, исследование применения ПА в очистке воды постоянно углубляется, а разработка новых модифицированных продуктов ПА также достигла значительного прогресса.

Ii. Основные характеристики и классификация PAM

1. Химическая структура и физические свойства

PAM является высокомолекулярным соединением, образованным свободнорадикальной полимеризацией мономеров акриламида. Его молекулярная цепь содержит большое количество амидных групп (-CONH2), и эти полярные группы наделяют PAM хорошей растворимостью в воде и химической активностью. Средняя молекулярная масса PAM обычно составляет от 1 миллиона до 20 миллионов. Продукты с различной молекулярной массой могут быть получены путем регулирования степени полимеризации по мере необходимости.

2. Основные типы PAM

Согласно ионным характеристикам, PAM можно классифицировать на три основные категории:

●Неионный ПААМ (NPAM): Молекулярные цепи не имеют заряда и в основном действуют через водородные связи и силы Ван дер Ваальса. Он подходит для сред с высокой соленостью или высокими значениями pH.

●Анионный ПАА (APAM): Вводя анионные группы, такие как карбоксильные группы, через гидролиз или сополимеризацию, он обладает отличным флокуляционным эффектом на положительно заряженные коллоидные частицы и широко используется в обработке городских сточных вод и сточных вод минеральной переработки.

●Катионный ПАА (CPAM): Подготовлен путем введения катионных групп, таких как четвертичные аммониевые соли, он особенно подходит для отрицательно заряженных органических коллоидов в таких областях, как обезвоживание осадка и сточные воды в производстве бумаги.

В дополнение, существуют специальные сорта, такие как амфотерный ПАМы и модифицированный ПАМы, которые могут быть молекулярно спроектированы в соответствии с характеристиками обрабатываемого объекта.

Iii. Механизм PAM в очистке воды

1. Механизм флокуляции

PAM в основном достигает агрегации взвешенных твердых частиц тремя основными способами:

●Электронейтрализация: Заряженные молекулы ПАМА нейтрализуют поверхностный заряд коллоидных частиц через электростатическое взаимодействие, уменьшая ζ-потенциал и нарушая стабильность коллоида.

●Эффект адсорбционного мостика: Длинноцепочечные молекулы ПАА одновременно адсорбируют несколько частиц, образуя флокуляционную структуру "частица-полимер-частица", что является уникальным механизмом действия высокомолекулярных флокулянтов.

●Эффект захвата и подметания сети: Трехмерная сетчатая структура, образованная PAM, может механически улавливать мелкие частицы в процессе осаждения.

2. Ключевые факторы, влияющие на эффект флокуляции

●Молекулярная масса: Обычно, чем больше молекулярная масса, тем сильнее способность к связыванию, но растворимость будет снижаться.

●Степень ионов: Она определяет плотность заряда и влияет на способность к электро-нейтрализации.

●Дозировка: Существует оптимальное значение. Чрезмерная дозировка может привести к повторной стабилизации коллоида.

●Значение pH раствора: Влияет на степень ионизации ПАМА и поверхностные зарядовые свойства частиц.

●Условия перемешивания: Умеренное перемешивание способствует образованию флоков, в то время как чрезмерное перемешивание повредит флокам.

Iv. Применение ПАА в различных областях очистки воды

1. Очистка питьевой воды

В водоснабжении ПАМы в основном используются в качестве вспомогательного коагулянта в сочетании с коагулянтами на основе алюминия или железа, что может снизить дозировку неорганических коагулянтов на 30-50% и значительно улучшить качество сточных вод. Исследования показывают, что оптимизированное использование АПАМы может снизить мутность сточных вод из осадочной емкости ниже 0,5 NTU и эффективно удалить следовые органические вещества и водоросли из воды.

2. Обработка сточных вод в городах

В процессе вторичной обработки ПАА может ускорить осаждение активного ила и улучшить эффективность вторичного осадительного резервуара. В процессе третичной дообработки, фильтрация с помощью ПАА может дополнительно удалить фосфор и взвешенные вещества. После того как на определенном очистном сооружении была внедрена CPAM, индекс объема ила (SVI) снизился с 150 мл/г до 80 мл/г, а мощность очистки увеличилась примерно на 40%.

3. Обработка сточных вод промышленности

●Отходы бумажного производства: CPAM может эффективно обрабатывать сточные воды с высоким содержанием органических веществ, с уровнем удаления COD более 85%.

●Отходы электролитического осаждения: APAM образует флоки с ионами тяжелых металлов, а степень удаления никеля, хрома и др. превышает 99%.

●Нефтяные сточные воды: ПАМы используются для обработки нефтяных сточных вод, и содержание масла может быть снижено с 1000 мг/л до менее 10 мг/л.

4. Обезвоживание осадка

PAM кондиционирование может значительно улучшить производительность обезвоживания осадка, снижая содержание влаги в осадке с 98% до ниже 80%, и значительно уменьшая объем осадка. Совершенная автоматическая система дозирования может в реальном времени регулировать дозировку и степень ионизации CPAM в зависимости от природы осадка, достигая наилучшего эффекта обезвоживания.

V. Оптимизация и инновации в использовании PAM

1. Технология компаундирования

Совместное использование ПАМу с неорганическими коагулянтами (такими как PAC), окислителями (такими как персульфат) или другими органическими флокулянтами может привести к синергетическому эффекту. Например, когда ПАМ и PAC используются в комбинации для обработки сточных вод от печати и окрашивания, скорость удаления цвета может увеличиться на 20-30%.

2.Разработка модифицированного PAM

●Устойчивый к высоким температурам и солям PAM: Введение сильных гидрофильных групп, таких как сульфокислотные группы, повышает его стабильность в условиях высокой температуры и высокой солености.

●Экологически чистый PAM: Снижает содержание остаточного мономера (акриламида) в продукте и повышает биодеградируемость.

●Нанокомпозитный ПАМ: Нано-sio2, углеродные нанотрубки и т.д. добавляются для повышения механической прочности и флокуляционной активности.

3. Интеллектуальная контрольная технология

Интеллектуальная система дозирования, основанная на онлайн-мониторинге потенциала Зета, размера флоков и т.д., может оптимизировать параметры дозирования ПАА в реальном времени и снизить потребление химикатов на 15-30%. Определенный интеллектуальный водный завод использует алгоритмы ИИ для контроля добавления ПАА, экономя более 500 000 юаней в год.

Vi. Меры предосторожности при использовании PAM

1. Процесс растворения: ПАМы следует медленно посыпать в чистую воду и умеренно перемешивать, чтобы избежать образования нерастворимых веществ в форме "рыбьего глаза". Обычно готовят раствор 0,1-0,5% и используют его сразу после приготовления.

2. Безопасность и охрана окружающей среды: Мономеры акриламида обладают нейротоксичностью. Следует выбирать высококачественные и с низким остатком одиночные продукты (<0,05%). Отходы раствора ПАМ должны быть правильно утилизированы, чтобы избежать прямого сброса в водоемы.

3. Условия хранения: Твердый ПАМы следует хранить в герметичном контейнере в прохладном и сухом месте, чтобы предотвратить поглощение влаги и слеживание. Раствор не должен храниться более 48 часов.

Vii. Тенденции будущего развития

1. Технология зеленого синтеза: Разработка экологически чистых производственных процессов, таких как каталитическая полимеризация с использованием био-ферментов, для снижения потребления энергии и образования отходов.

2. Функциональный дизайн: Специфический дизайн молекул PAM для новых загрязнителей (таких как микропластик, остатки лекарств).

3. Цифровое управление: Интегрируя Интернет вещей и анализ больших данных, достигайте точного и интеллектуального использования PAM.

4. Восстановление ресурсов: Используйте флокуляцию PAM для обогащения ценными веществами в сточных водах, такими как редкоземельные элементы и драгоценные металлы.

Viii. Заключение

Как "универсальный игрок" в области водоочистки, PAM продолжает играть ключевую роль в глобальной защите водных ресурсов и контроле загрязнения благодаря своей высокой эффективности, экономичности и широкой адаптивности. С развитием материаловедения и экологических технологий новые продукты PAM с превосходными характеристиками и большей экологической дружелюбностью будут продолжать появляться, предоставляя больше решений для решения сложных задач водоочистки. Будущее развитие технологии PAM должно уделять больше внимания балансу между повышением эффективности и экологической дружелюбностью, способствуя развитию отрасли водоочистки в более эффективном и устойчивом направлении.