反相乳液聚合和水分散聚合制备阳离子聚丙烯酰胺及其絮凝性能研究

论文摘要

本文以丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMc）为原料,采用反相乳液聚合和水分散聚合制备了阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）,并通过FT-lR对所得聚合物的结构进行了表征,利用激光粒度分布仪、透射电子显微镜对聚合物粒子粒径和形貌进行了测试分析,同时研究了阳离子聚丙烯酰胺产品的絮凝性能。系统地考察了反相乳液聚合制备阳离子聚丙烯酰胺的各影响因素,详细研究了乳化剂种类和浓度、引发剂种类和浓度、单体浓度、pH值、反应温度、阳离子度、油水比、反应时间、通N2时间、干燥温度和时间、增链剂种类和浓度、络合剂种类和浓度等因素对聚合物分子量、溶解速率和粒子粒径的影响,探讨了加料方式、加料速度和搅拌速度对乳液稳定性的影响,得到了较佳的合成条件。在此基础上对产品的絮凝性能进行了评价。得到的较佳合成条件为:乳化剂（span-80/Tlween-80）浓度为7.3%、引发剂（K2S2O8/CH3NaO3S·2H2O）浓度为200mg·Kg-1、氧化剂与还原剂质量比1:l、单体浓度45%pH=3、反应温度45℃、阳离子度25%、油水质量比1:2、反应时间4h、通N2时间30min、干燥温度40℃、干燥时间12h、增链剂浓度60mg·Kg-1、EDTA·2Na浓度2mg·Kg-1、采用单体滴加法、单体滴加速度为40～60滴/分钟、搅拌速度450rpm,在此条件下,得到的聚合物分子量为339.2x104,粒子平均粒径70NM左右。较佳的絮凝条件为:聚合物用量0.057%、污泥pH=6、聚合物分子量339.2×104、阳离子度25%,在此条件下,所得絮凝清液的透光率达92.5%,污泥的絮凝率为62.2%,脱水率为82%。采用水溶性偶氮化合物2,2-偶氮二[2-（2-咪唑啉-2-代）丙烷]二氢氯化物（VA-044）作为引发剂,通过水溶液聚合制各了聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC）作为水分散聚合反应的稳定剂。主要研究了引发剂浓度、反应温度、DMc浓度、pH值、反应时间、干燥温度、干燥时间对PDMC分子量和水溶性的影响,确定了制备分子量为20×104100×104的PDMc的适宜条件。得到的适宜条件为:引发剂浓度为2500-400mgKg-1、反应温度45℃～75℃、DMc浓度60%、pH=5、反应时间4h、干燥温度50℃～60℃、干燥时间为10h～11h,并通过FT-IR对所得到的PDMC结构进行了表征。系统地考察了水分散聚合制备阳离子聚丙烯酰胺的各影响因素,采用低分子量PDMC作为水分散聚合反应的稳定剂,详细的研究了无机盐种类和浓度、稳定剂分子量和浓度、引发剂种类和浓度、溶剂叔丁醇（TBA）浓度、反应温度、pH值、单体浓度、阳离子度、反应时间等因素对聚合物分子量和粒子粒径的影响,得到了较佳的合成条件,在此基础上,考察了聚合物用量、污泥pH值、污泥温度、聚合物分子量及其阳离子度等因素对产品絮凝性能的影响,确定了较佳的絮凝条件。研究得到的较佳合成条件是: （ NH 4 ）2 S O4浓度3 0 . 0 %、P DM C分子量40×104～50×104、PDMC。浓度2.5%、引发剂浓度150mgKg·-1、v（TBA）:v（H2O）=0.2:1、反应温度50℃、pH=7、单体浓度10%、阳离子度10%、反应时间8h,在此条件下,得到的聚合物分子量为580.2×104,粒子平均粒径200nm左右。得到的较佳絮凝条件是:聚合物用量0.020%、污泥pH=5、聚合物分子量550×104、阳离子度12%,在此条件下,所得絮凝清液的透光率达97.7%,污泥的絮凝率为64 2%,脱水率达到85%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 阳离子聚丙烯酰胺的制备方法
• 1.1.1 聚丙烯酰胺的阳离子改性法
• 1.1.2 丙烯酰胺与阳离子单体共聚法
• 1.1.3 共聚法和改性法生产工艺的比较
• 1.2 阳离子聚丙烯酰胺的共聚方法
• 1.2.1 水溶液聚合
• 1.2.2 反相乳液聚合
• 1.2.3 水分散聚合
• 1.2.4 不同聚合方法及不同剂型之间的比较
• 1.3 阳离子聚丙烯酰胺的自由基聚合机理
• 1.4 阳离子聚丙烯酰胺的应用
• 1.4.1 水处理工业中的应用
• 1.4.2 造纸工业中的应用
• 1.4.3 石油开采中的应用
• 1.4.4 其他方面的应用
• 1.5 本研究的目的和主要内容
• 第二章 反相乳液聚合制备阳离子聚丙烯酰胺及其絮凝性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂及仪器
• 2.2.1.1 实验试剂
• 2.2.1.2 实验仪器
• 2.2.2 聚合实验方法
• 2.2.3 聚合物分子量的计算
• 2.2.4 单体转化率的计算
• 2.2.5 乳液产品溶解性的测定
• 2.2.6 红外光谱表征
• 2.2.7 聚合物粒子粒度分布测定
• 2.2.8 聚合物粒子观察
• 2.2.9 聚合物的絮凝性能评价
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 乳化剂体系的选择
• 2.3.1.1 乳化剂HLB 值范围的选择
• 2.3.1.2 不同乳化剂对聚合反应结果的影响
• 2.3.2 引发剂体系的选择
• 2.3.2.1 引发剂种类对聚合反应结果的影响
• 2.3.2.2 不同引发体系各浓度对聚合物分子量的影响
• 2.3.2.3 氧化剂／还原剂质量比对聚合物分子量的影响
• 2.3.3 正交试验
• 2.3.4 正交试验基础上的条件实验
• 2.3.4.1 乳化剂浓度对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.2 单体浓度对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.3 引发剂浓度对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.4 pH 值对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.5 反应温度对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.6 阳离子度（DMC 占单体总量的质量比）对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.7 油水质量比对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.8 反应时间聚合反应结果的影响
• 2.3.4.9 通N2 时间对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.10 加料方式和加料速度对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.11 搅拌速度对聚合反应结果的影响
• 2.3.4.12 干燥温度、干燥时间对聚合物分子量测定值的影响
• 2.3.5 各种助剂对聚合反应结果的影响
• 2.3.5.1 增链剂浓度对聚合物分子量的影响
• 2.3.5.2 络合剂浓度对聚合物分子量的影响
• 2.3.6 重复性实验
• 2.3.7 放置时间对粒子粒径及乳液稳定性的影响
• 2.4 产物的表征
• 2.4.1 所得聚合物的结构表征
• 2.4.2 聚合物粒子形貌观察
• 2.5 聚合物乳液絮凝性能测定
• 2.5.1 P（DMC-AM）用量对絮凝结果的影响
• 2.5.2 污泥pH 值对絮凝结果的影响
• 2.5.3 污泥温度对絮凝结果的影响
• 2.5.4 P（DMC-AM）分子量对絮凝结果的影响
• 2.5.5 P（DMC-AM）阳离子度对絮凝结果的影响
• 2.5.6 不同絮凝剂絮凝性能的比较
• 2.5.7 P（DMC-AM）与无机絮凝剂复配对絮凝结果的影响
• 2.6 小结
• 第三章 水分散聚合稳定剂——聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC） 合成条件研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.1.1 实验试剂
• 3.2.1.2 实验仪器
• 3.2.2 聚合实验方法
• 3.2.3 聚合物分子量的计算
• 3.2.4 单体转化率的计算
• 3.2.5 聚合物溶解性的测定
• 3.2.6 红外光谱表征
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 引发剂浓度对 PDMC 分子量和单体转化率的影响
• 3.3.2 反应温度对聚合反应结果的影响
• 3.3.3 DMC 浓度对聚合反应结果的影响
• 3.3.4 pH 值对聚合反应结果的影响
• 3.3.5 反应时间对聚合反应结果的影响
• 3.3.6 干燥温度、干燥时间对 PDMC 分子量的影响
• 3.4 所得聚合物的结构表征
• 3.5 小结
• 第四章 水分散聚合制备阳离子聚丙烯酰胺及其絮凝性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂及仪器
• 4.2.1.1 实验试剂
• 4.2.1.2 实验仪器
• 4.2.2 聚合实验方法
• 4.2.3 水分散体系中无机盐的脱除
• 4.2.4 聚合物分子量的计算
• 4.2.5 单体转化率的计算
• 4.2.6 水分散产品溶解性的测定
• 4.2.7 红外光谱表征
• 4.2.8 聚合物粒子粒度分布测定
• 4.2.9 聚合物粒子形貌观察
• 4.2.10 聚合物的絮凝性能评价
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 无机盐的选择
• 4.3.2 无机盐浓度对聚合反应结果的影响
• 4.3.3 稳定剂分子量对聚合反应结果的影响
• 4.3.4 稳定剂浓度对聚合反应结果的影响
• 4.3.5 引发剂的选择
• 4.3.6 混合溶剂的选择
• 4.3.7 叔丁醇浓度对聚合物分子量的影响
• 4.3.8 正交试验
• 4.3.9 正交试验基础上的条件实验
• 4.3.9.1 引发剂浓度对聚合物分子量和粒子粒径的影响
• 4.3.9.2 反应温度对聚合物分子量的影响
• 4.3.9.3 pH 值对聚合物分子量的影响
• 4.3.9.4 单体浓度对聚合反应结果的影响
• 4.3.9.5 阳离子度（DMC 占单体总量的质量比）对聚合反应结果的影响
• 4.3.9.6 反应时间对聚合物分子量和单体转化率影响
• 4.3.9.7 重复性实验
• 4.4 聚合物的表征
• 4.4.1 所得聚合物的结构表征
• 4.4.2 聚合物粒子形貌观察
• 4.5 聚合物絮凝性能测定
• 4.5.1 P（DMC-AM）用量对絮凝结果的影响
• 4.5.2 污泥pH 值对絮凝结果的影响
• 4.5.3 污泥温度对絮凝结果的影响
• 4.5.4 P（DMC-AM）分子量对絮凝结果的影响
• 4.5.5 P（DMC-AM）阳离子度对絮凝结果的影响
• 4.6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录