陽離子聚丙烯酰胺的溶解性研究

蔡文雄

(上海友聯竹園第一污水處理投資發展有限公司，上海 200137)

聚丙烯酰胺(PAM)是一種線型高分子聚合物，具有優良的增稠絮凝、沉降、過濾、增黏、助留、凈化等多項功能，按離子特性分為非離子、陰離子、陽離子和兩性離子型四種類型［1］。其中陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)是由一種陽離子單元和丙烯酰胺非離子單元構成的共聚物，其分子鏈上帶有可以電離的正電荷基團(—CONH2)，在水中可以電離成聚陽離子和小的陰離子，能與分散于溶液中的懸浮粒子吸附和架橋，有著極強的絮凝作用［2］。它在工業和農業中應用廣泛［3］，特別適用于城市污水、污泥及其他工業污泥的脫水處理［4］。

在采用活性污泥工藝運行的污水處理設施中，由于其排出生物處理系統的剩余污泥有機物含量高，在后續脫水處理中一般選用陽離子有機高分子絮凝劑如陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)進行加藥調理。CPAM在投加之前必須事先配制成一定濃度的水溶液［5］。

然而，在污泥脫水系統實際運行過程中，往往冬季藥耗會大幅增加。例如上海市竹園第一污水處理廠2012年相對氣溫較高的4～10月污泥脫水CPAM平均藥耗為6．6 kg/t DS，而相對氣溫較低的其他月份平均藥耗為8．5 kg/t DS，后者相比前者高出28．8%。其主要原因是:CPAM受冬季低溫影響溶解不完全，且低溫對CPAM的絮凝效果有一定影響。因此，低溫不僅會增加污泥脫水藥耗，降低污泥脫水效率，還會大幅提高污水處理設施的運行成本。所以在冬季低溫天氣時，污泥脫水處理過程中實現CPAM的高效低耗利用已經顯得十分迫切。

針對以上問題，擬從影響CPAM溶解性的因素如溶解溫度、攪拌條件、溶解助劑用量等進行實驗分析，總結在不影響CPAM藥性前提下的最佳溶解條件。

1 試驗部分

1．1 試驗藥品與儀器

本試驗使用的藥品、儀器及其型號規格如表1所示。

表1 藥品、儀器名稱及型號規格Tab．1 Drugs and Equipment

1．2 試驗方法

1．2．1 試驗材料及污泥來源

本試驗選用竹園第一污水處理廠脫水機房現用的陽離子聚丙烯酰胺干粉為研究對象。其基本特性如表2所示。

表2 現用CPAM基本特性Tab．2 Basic Characteristics of CPAM

本試驗使用的污泥選用竹園一廠重力濃縮和機械濃縮后的調節池污泥，其含水率在97．0%左右。

1．2．2 試驗裝置

本試驗采用可調節式恒溫恒速磁力攪拌方式對陽離子聚丙烯酰胺進行溶解試驗。溶解裝置主要由恒溫恒速攪拌器、磁攪拌子、溫度傳感器、固定支架、燒杯等組成，如圖1所示。

1．2．3 試驗步驟

量取200 mL水置于500 mL燒杯中，加入磁攪拌子后放在數顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器上，開啟攪拌，調節至預定轉速(150～450 r/min)，并加熱水溫至預定溫度(20～80℃)后，稱取0．4 g CPAM干粉于500 mL燒杯中，將加熱恒溫水連同攪拌子小心地徐徐倒入盛有CPAM的燒杯中，并將其放于試驗裝置上溶解。記錄所需溶解時間，溶液為略顯沉濁或極少量細微凝膠的黏稠溶液，即合格。另外，在做乙醇用量與溶解時間關系試驗時，在盛有CPAM干粉的燒杯中預先加入一定量的無水乙醇進行潤濕助溶，10 min后再進行溶解。

圖1 陽離子聚丙烯酰胺溶解裝置Fig．1 Dissolver of CPAM

CPAM溶解后，關閉數顯恒溫恒速多頭磁力攪拌器。經溶解后的CPAM溶液需要“熟化”30 min后才能使用。量取160 mL污泥樣于250 mL燒杯中，然后用15 mL的移液管移取12 mL CPAM溶液加入250 mL燒杯中(按5．0 g/kg DS的投藥量計算用藥量)，用玻璃棒均勻攪拌1 min，攪拌速度60 r/min，再用離心沉淀機離心10 min后(轉速2 500 r/min)，濾去上清液，測量其污泥含水率。最后總結出在滿足平穩的脫水效果的前提下，CPAM的最佳溶解條件，即最適宜的溶解溫度、攪拌速度及助溶劑用量等。

1．2．4 分析方法

污泥含水率測定方法:水分快速測定儀。

2 結果與討論

2．1 水溫對CPAM溶解時間的影響

水溫的高低直接影響CPAM的溶解速度。水溫越高，其溶解速度越快，但水溫過高CPAM的分子鏈結構可能會被破壞，會影響最終污泥脫水效果。CPAM在不同水溫下溶解時間及污泥脫水含水率如表3所示，其中12℃是本試驗進行時的自然水溫。

表3 水溫與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系表Tab．3 Relation between Dewatering Rate and Temperature as well as CPAM Dissolution Time

續 表

根據表3的數據繪制出水溫與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系曲線，如圖2所示。

圖2 水溫與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系圖Fig．2 Relation between Dewartering Rate and Temperature as well as CPAM Dissolution Time

由圖2可知隨著水溫升高，CPAM的溶解速度明顯加快。水溫從12℃上升到60℃，CPAM的溶解時間減少較迅速，而從60℃上升到80℃，CPAM的溶解時間減少較緩慢。

此外，使用水溫更高的CPAM溶液，經脫水后的污泥含水率相對更低些，說明水溫高，CPAM溶解得更充分。但總體上隨著水溫變化，脫水后污泥的含水率沒有明顯波動，可見溶解水溫在80℃以下時對CPAM的分子結構破壞程度不明顯。

2．2 攪拌速度對CPAM溶解時間的影響

攪拌的速度對CPAM的溶解速度影響較大。攪拌越快，其溶解速度越快，但是過快的攪拌速度產生的過強剪切力會造成CPAM的分子鏈發生斷裂，從而影響最終污泥脫水效果。CPAM在不同攪拌速度下的溶解時間及污泥脫水含水率如表4所示。

表4 攪拌速度與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系表Tab．4 Relation between Dewatering Rate and Agitation Speed as well as CPAM Dissolution Time

續 表

根據表4的數據繪制出攪拌速度與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率的關系曲線，如圖3所示。

圖3 攪拌速度與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系圖Fig．3 Relation between Dewatering Rate and Agitation Speed as well as CPAM Dissolution Time

由圖3可知隨著攪拌速度的加快，CPAM的溶解速度明顯加快。攪拌速度從150 r/min增加到300 r/min，CPAM的溶解時間減少較迅速;從300 r/min增加到450 r/min，CPAM的溶解時間減少較緩慢。

此外，由圖3可知，使用攪拌速度更快的CPAM溶液，脫水后的污泥含水率相對更低，說明攪拌速度快CPAM溶解得更充分。但總體上隨著攪拌速度的改變，脫水后污泥的含水率沒有明顯波動，可見采用磁力攪拌條件，攪拌速度在450 r/min以下時，對CPAM的分子結構破壞程度不明顯，這可能是因為本試驗選用的CPAM具有較高分子量，其制備的溶液會更耐剪切。

2．3 乙醇用量對CPAM溶解時間的影響

在水溶CPAM之前，使用醇類對CPAM干粉進行潤濕一段時間，然后加水溶解，由于醇類等有機小分子物質除了對CPAM顆粒進行吸附、潤濕、滲透等物理作用外，其對CPAM水化和氫鍵的形成還有一定作用，加入醇類等助溶劑可改善CPAM的溶解性［6］。本試驗采用無水乙醇作為溶解助劑，在稱取的0．4 g CPAM干粉中添加適量的乙醇，經過10 min潤濕后，再加入200 mL水，并調整攪拌速度為200 r/min，水溫控制為50℃進行溶解試驗。CPAM在不同乙醇用量時的溶解時間及污泥脫水含水率如表5可知。

表5 乙醇用量與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系表Tab．5 Relation between Dewatering Rate and Dage of Alcohol as well as CPAM Dissolution Time

根據表5的數據繪制出乙醇用量與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率的關系曲線，如圖4所示。

圖4 乙醇用量與CPAM溶解時間及污泥脫水含水率關系圖Fig．4 Relation between Dewatering Rate and Dosage of Alcohol as well as CPAM Dissolution Time

由圖4可知乙醇用量為0．2% ～0．4%的溶解水量時，溶解速度有所加快，而繼續增加乙醇用量，溶解時間減少不明顯，這可能是因為在一定條件下，醇類對CPAM水化和氫鍵等形成的促進作用已基本達到平衡。

因此，考慮到經濟因素，本試驗乙醇用量宜取水量的0．2% ～0．4%。此時，CPAM的溶解速度相對較快，污泥脫水效果比較理想，而乙醇用量并不多。

3 結論

對于污水處理廠污泥脫水過程中使用的陽離子聚丙烯酰胺的溶解性，根據上述的研究結果，可以得出以下結論:

(1)CPAM溶解水溫越高、攪拌速度越快，其溶解速度越快，但增大到一定程度后，溶解時間減少不明顯，而此時能耗明顯增大，因此，可確定一個適宜區間為:水溫控制在30～50℃，攪拌速度宜取200～300 r/min。

(2)助溶劑乙醇的使用對于CPAM的溶解性具有一定效果。但乙醇用量控制在溶解水量的0．2% ～0．4%時，其溶解速度加快明顯，此后隨著乙醇用量的增加，CPAM的溶解速度無明顯加快，考慮到經濟因素，乙醇用量宜取溶解水量的0．2%～0．4%。

(3)鑒于試驗研究結果，污水處理廠在冬季運行時只需增加少量投資，添加一套可調溫加熱裝置對CPAM溶解用水進行適當加熱，并在低溫天氣時適當提高攪拌速度，且有條件情況下，在CPAM干粉加水溶解之前預先加入少量助溶劑潤濕一段時間，就能有效提高CPAM溶解速度及溶解程度。因此，本試驗結果對指導污水處理廠在冬季氣溫較低時，通過污泥脫水設施的工藝調整及技術改造，以降低藥耗、控制污水處理成本具有較高的實用價值。

［1］郭艷麗．共聚合陽離子聚丙烯酰胺的合成及性能測試［D］．北京:北京化工大學，2003．

［2］宋金鳳，劉鵬飛．陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)生產工藝報告［D］．天津:天津科技大學，2010．

［3］石少波，胡仰棟，韋欽勝．聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關系［J］．石油煉制與化工，2005，36(11):66．

［4］王雅瓊，陳秉銓，趙立君．陽離子絮凝劑的制備及絮凝性能［J］．水處理技術，1994，20(5):294-297．

［5］北京市市政工程設計研究總院．給水排水設計手冊，第五冊，城鎮排水(第二版)［M］．北京:中國建筑工業出版社，2003，548-550．

［6］陳忠祥，陳啟厚．提高聚丙烯酰胺(PAM)相對分子質量和溶解性的措施［J］．精細石油化工進展，2001，2(11):26．