聚丙烯酰胺的處理方法研究進展

蔡凌云, 潘 一, 楊雙春

（遼寧石油化工大學, 遼寧 撫順 113001）

聚丙烯酰胺（PAM）是具有良好絮凝性的水溶性高分子聚合物，在石油開采水處理、造紙、農業等行業具有廣泛的應用，有“百業助劑”之稱。我國《十二五規劃》明確規定要新增污泥處理能力4.7萬t/d，對應對陽離子聚丙烯酰胺需求約9 萬t，造成聚丙烯酰胺在環境中的殘留量很大。然而，聚丙烯酰胺在環境中的殘留、遷移和降解對環境造成嚴重的污染，尤其是降解后的單體丙烯酰胺對人類的神經系統有很大的危害。因此，對聚丙烯酰胺降解[1]的研究是很有必要的。目前，國內外學者對聚丙烯酰胺的研究集中在PAM 絮凝劑的合成、PAM 的降解機理及降解率上。筆者介紹了聚丙烯酰胺的降解機理和降解方法，如生物降解、酶降解、納米光催化降解、高級氧化降解、微波降解、絮凝降解和超聲波降解的現狀，以期為相關研究提供一定參考。

1 聚丙烯酰胺的處理方法研究

1.1 生物法

1.1.1 細菌降解

利用細菌降解PAM 具有效率高，無二次污染等特點，因而成為目前國內外學者研究的重點，隨著研究的日益深化，技術也逐漸趨于成熟。包木太等[2]研究了AS-2海球菌對聚丙烯酰胺生物降解的最佳條件。當降解時間為5 d，pH=8，溫度為40 ℃，碳源為原油，氮源為NaNO3，原油和NaNO3的含量分別為2.5，1.4 g/L 時，AS-2 對聚丙烯酰胺的降解率達到45.23%，其機理為聚丙烯酰胺側鏈的酰胺基被降解為羧酸和游離的氨基。常帆[3]檢測 CJ419 假單胞菌、FA16 枯草芽抱桿菌兩種菌協同降解PAM 的降解能力的，假單胞菌和枯草芽抱桿菌1︰1 接種，前4 d 菌種沒有協同作用，第5 d 開始假單胞菌與枯草芽抱桿菌協同降解聚合物，第2l d 對PAM 降解率達到80.3%。張慧超[4]研究了6 株細菌利用PAM作為C 源或N 源的難易程度，結果表明，N 源更容易被細菌利用；W-16 與B2-2 的混合菌劑WB16-22效果好于兩種單菌；而作用時間為120 h 時，混合菌與單株菌作用差別不大，培養120 h 時，對200 mg/LPAM 的去除率可達到50%。陳慶國[5]探討蠟樣芽胞桿菌、枯草芽孢桿菌、蒼白桿菌三株好氧菌種對PAM 的利用情況，結果表明，PAM 既可以作為氮源利用也可以作為碳源利用，微生物好氧降解PAM 的機理是其分泌的胞外酰胺酶的作用下聚丙烯酰胺先被作為氮源利用，在其生長和代謝過程中，聚丙烯酰胺被斷裂為小分子有機物，又可以作為碳源被細菌利用。

1.1.2 酶降解

王娟等[6]研究了特異酶對聚合物驅分子量為 1 400×104聚丙烯酰胺的降解。結果表明，該特異酶的加量為聚丙烯酰胺濃度的3 倍、溫度為50 ℃時對聚丙烯酰胺的降解為 70%。藍強等[7]采用粘度法考察了生物酶和硫酸鹽還原菌對聚丙烯酰胺溶液降解的過程。研究發現，淀粉酶 F、纖維素酶 C、糖化酶、復合酶對聚丙烯酰胺溶液的降解均有明顯的促進作用，其中復合酶降黏率 31.8%，十六甲基三甲溴化銨的協同降黏度效果略好，硫酸鹽還原菌對聚丙烯酰胺的降黏率可高達27.5%～46.4%。

1.2 化學法

1.2.1 納米光催化降解

納米光催化可以徹底降解PAM，而且反應速率快，不會對環境造成二次污染，是一種環境友好的處理技術。黃瑜等[8]采用納米TiO2降解聚丙烯酰胺，結果表明，Ti4+濃度為0.2 mol/L，pH=2，m(DBS)/m(Ti4+)=1︰10，煅燒溫度為600 ℃時，PAM降解率達84.37%。李凡修等[9]研究了在紫外光作用下催化條件對光催化降解部分水解聚丙烯酰胺的影響，結果表明，在催化劑TiO2用量為0.5 g/L，PAM溶液的初始濃度為100 mg/L的條件下，經180 min光催化處理后的PAM降解率可達到91.3%以上。王福曉等[10]研究了納米ZnO顆粒其對聚合物驅油后產出含聚污水中水解聚丙烯酰胺的光催化降解性能。將其應用到低質量濃度的PAM光催化處理過程中，實驗測得催化劑最佳用量為0.5%，且在溶液pH值為6時，ZnO的光催化性能最好，PAM降解率可達80%。季佳秀等[11]使用溶膠凝膠法制備了鑭摻雜納米二氧化鈦，并用它來光催化降解聚丙烯酰胺。研究表明，光催化PAM發生的主要反應是PAM斷鏈，變成更小的PAM分子，繼而使小分子PAM氧化成單體和丙烯酸，最后光降解生成無機物。此外，改性納米二氧化鈦還可使500×10-6的聚丙烯酰胺水溶液的粘度從17 mPa·s降到1.4 mPa·s，接近于水的粘度，能完全達到工業需求。

1.2.2 高級氧化降解

高級氧化法是利用強氧化劑來氧化降解PAM，最終將其轉化為無機物。目前國內外研究較多的氧化劑主要有Fenton試劑和高錳酸鉀等等。顧雪凡等[12]研究了H2O2用量對降解聚丙烯酰胺效果的影響。通過對比實驗發現，當H2O2用量為聚丙烯酰胺的20%時，聚丙烯酰胺的降解效果最好，黏度大大降低。韓冰等[13]以Fenton試劑為氧化劑氧化水體中的過量PAM，他們發現在去除PAM過程中，H2O2與COD比值，pH值，H2O2與Fe2+比值以及反應時間均會對去除效果產生影響。實驗得出最佳的氧化條件為:H2O2/COD=2.5，pH=4，Fe2+/H2O2=1/10，反應時間90 min，此時的PAM去除率為89.62%。尤宏等[14]采用O3/ H2O2/UV聯用技術在新型多光源化學反應器內對PAM溶液進行降解。發現在任何特定反應條件下，PAM的降解速率均與PAM的質量濃度成正比。O3與H2O2最優投加量分別為25 mg/min，13.8 mg/min。盧永芹[15]采用U V/ Fenton氧化處理水解聚丙烯酰胺污水，結果表明，室溫下，pH =3，Fe2+/ H2O2為1︰10，H2O2濃度分別為6 mmol/L，經紫外燈照射30 min后，PAM的降解率能達到91.54%。

1.3 物理法

1.3.1 微波降解

微波降解法是利用微波輻射進行污水處理的一種較為先進的新型技術。胡小銳等[16]采用了先進環保的微波法對聚丙烯酰胺進行降解，實驗結果表明，在pH=3，H2O2=5 mL，中高火5 min 時，PAM 的粘度降到1.056 75 mm2/s，濃度降到439.1 mg/L。

1.3.2 吸附降解

朱洪標等[17]研究了改性凹凸棒土對PAM的吸附性能、吸附過程的影響因素。研究表明，250 mg/L的PAM溶液振蕩吸附1 h后，酸改性凹凸棒土的吸附效率高于提純和熱改性凹凸棒土，吸附率達90.08%。李金雄等[18]采用膨潤土對水中的PAM進行吸附處理。研究了在膨潤土和非離子聚丙烯酰胺的質量比為10︰1，溫度為30 ℃，pH＜9，吸附時間為1 h時，0.1 g膨潤土對100 mg／LPAM的吸附量為59 mg／g。其吸附行為符合Langmuir吸附等溫模型和HO準二級動力學方程式。

1.3.3 超聲波降解

雷國明等[19]研究了超聲波-曝氣協同工藝降解聚丙烯酰胺溶液的條件和效果。結果表明，與單純超聲相比，在超聲波處理聚丙烯酰胺溶液過程中引入曝氣會有效的提高聚丙烯酰胺的降解效率。柳宗偉[20]探討了解PAM的超聲等方式降解的路徑和機理，結果發現超聲波降解PAM有其獨特的機理，聚合物優先在聚合物鏈的中點發生斷裂不像熱降解聚合物隨機發生斷裂。

1.3.4 絮凝降解

王玉嬋等[21]分別考察了絮凝劑單劑和多種絮凝共同使用的情況下聚驅污水的處理效果，并對處理后污水中殘余的聚丙烯酰胺濃度進行測定。結果表明，采用無機絮凝劑處理聚驅污水時，殘余PAM質量濃度隨絮凝劑劑量增加先減小后增大；采用有機絮凝劑處理聚驅污水時；殘余PAM質量濃度隨絮凝劑劑量增加而線性增加。劉明丹等[22]采用絮凝法去除模擬廢水中的聚丙烯酰胺。在絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)投加量300 mg/L、pH值為中性、快攪時間1.5 min、慢攪時間15 min、沉降時間15 min的條件下，PAM去除率達96.88%，廢水中PAM濃度降到3.74 mg/L。

2 結 論

含高聚物廢水的處理已成為水處理工業中的難點。目前我國現有的廢水處理設施難以有效去除PAM，導致生態環境急劇惡化。我國已經在含聚廢水方面進行了一些探索，筆者建議今后需要在以下幾個方向研究：深入研究聚丙烯酰胺降解機理；已經篩選出的PAM降解菌降解率不高，需要找到更高效降解菌種；超聲波技術技術先進但還不成熟，有必要加深對其研究。

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