水分散型阳离子聚丙烯酰胺的合成与表征

水分散型阳离子聚丙烯酰胺的合成与表征

胡丽芳1,2   汪艳1

1.安徽天润化学工业股份有限公司，安徽  蚌埠 233002

2.安徽理工大学化工与爆破学院，安徽  淮南 232001

摘要：本研究以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）为阳离子单体，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为稳定剂，硫酸铵为反应介质，偶氮二异丁脒盐酸盐（V-50）为引发剂，通过水分散聚合的方法，制备了流动性较好的阳离子聚丙烯酰胺。考察了温度和稳定剂的用量对实验的影响，在反应温度45℃，单体总浓度15%，m（AM：DMC）=4：1，硫酸铵浓度24.5%，稳定剂浓度（占总单体）4.7% 的条件下得到分子量高达429.5万，固含量39.87%的阳离子聚丙烯酰胺。并通过傅立叶变换红外光谱、X-射线衍射分析仪、扫描电镜、热重分析对产品的结构进行了表征。

关键词：水分散聚合；阳离子聚丙烯酰胺；絮凝性；水处理

0.引言

在当今高科技时代，工业化进程加快，用水量迅速增加，与此同时，大量的工业废水导致了严重的水污染问题。如石油工业领域对石油消耗量不断上升，在石油开采、石油储存、运输等过程中都需要处理产生的含油废水[1]。开发出一种经济、高效的水处理技术是消除水中污染物的重要途径。为了解决水污染问题，相关科研工作者研发了一系列的废水处理方法，它们包括絮凝法、吸附法、膜过滤法、氧化还原法、化学沉淀法、生物法等，其中，絮凝法因其具有简便、经济的优势而成为应用最广泛的水处理方法。废水中通常含有悬浮固体、胶体粒子、重金属和其他污染物，如果处理不当，可能会破坏生态系统，甚至危害人类健康[2]。絮凝剂的基本原理是通过向废水中投加絮凝剂，使水中的胶体物质或其他污染物发生凝聚和沉淀，从而达到去除杂质和净化水质的目的。絮凝性能的好坏决定了水处理的效果。

目前絮凝剂品种繁多，大致可分为有机絮凝剂、无机絮凝剂、微生物絮凝剂和复合型絮凝剂。合成有机高分子絮凝剂由于其絮凝效率高、易溶于水、后续处理方便等特点，得到了大范围的应用，聚丙烯酰胺生产成本较低，易修饰改性，具有很强的吸附性能，用量少且形成的絮体大，是目前消耗量最大的絮凝剂之一[3]。由于废水中微粒大部分是带负电荷的，因此阳离子聚丙烯酰胺在废水处理中较为常用。

一、实验部分

1.阳离子聚丙烯酰胺的制备。

将一定量的AM、DMC、PVP和硫酸铵溶于去离子水中配成100mL均相溶液，搅拌均匀，通氮气除氧30min，用移液枪将引发剂5g/L的V-50溶液加入反应体系中，继续搅拌30min，升温至反应温度，30min左右，体系变粘稠，反应8个小时左右停止搅拌，冷却至室温，可以得到乳白色、流动性好的CPAM“水包水”乳液。制备好的乳液中含有大量的硫酸铵，其存在将会影响对阳离子聚丙烯酰胺的相对分子量的测定，必须把硫酸铵去除。具体提纯步骤如下：首先将制备的乳液溶解去离子水中，然后加入大量的乙醇，此时会产生成团的白色絮状物，再用大量丙酮洗涤，反复操作三次左右，即可去除硫酸铵和未反应的单体。取少量洗涤的透明液体，用氯化钡溶液滴定至无白色沉淀，证明硫酸铵已经脱除完全。将提纯后的样品在70℃下烘干4个小时左右，粉碎可得阳离子聚丙烯酰胺白色粉末样品。

2.阳离子聚丙烯酰胺的的表征。

傅立叶变化红外光谱分析（FT-IR）：取少量阳离子聚丙烯酰胺粉末与溴化钾混合均匀，压片，在傅立叶变换红外光谱仪上测试，测试条件为，分辨率4cm-1 ，扫描次数32，扫描范围4000-400cm-1，根据红外光谱图对其结构进行分析。

X-射线粉末衍射分析(XRD)：测试干燥后的阳离子聚丙烯酰胺、AM和硫酸铵的XRD，对制备的共聚物的晶体形状进行分析。测试条件：CuKa射线(λ=1.5406Å)，管电压和管电流分别为40 kV和30mA，仪器扫描速度2 °/min，步长为0.01°，扫描范围为5-60°。

热重分析（TGA）：取阳离子聚丙烯酰胺粉末约20mg，在微机差热分析仪上测试其热稳定性。测试条件：氮气氛围，升温区间30-600℃，升温速率20℃/min。

二、结果与讨论

由图1可以看出，在波数为3334cm-1处出现了N-H的伸缩振动特征吸收峰；在波数3189cm-1处出现了H2O分子的吸收峰，这是由于阳离子聚丙烯酰胺具有较强的吸水性，干燥后的粉末含少量的结合水；在波数2953cm-1处的小吸收峰为甲基和亚甲基的非对称吸收峰；AM的C=O特征吸收峰在波数1661cm-1处出现；阳离子单体DMC中的-CH2-N-的亚甲基吸收峰在波数1455cm-1处出现；DMC中的C-O吸收峰出现在波数1085cm-1处；DMC中的-N-(CH3)3上的甲基吸收峰出现在波数954cm-1。AM和DMC的结构单元的特征吸收峰都在谱图中出现，表明阳离子聚丙烯酰胺P(AM-DMC)已经合成。

图1红外光谱图

通过测试样品的XRD可以表征其分子链的排列规则和紧密性，由图

2左图可以看出，单体AM具有结晶性，它的XRD谱图上出现了两个很窄的结晶衍射峰，而共聚物阳离子聚丙烯酰胺在谱图2右图上无较窄的结晶衍射峰，它在2θ=22℃附近出现了一个较宽的衍射峰，呈弥散状。表明制备的阳离子聚丙烯酰胺为无定形非结晶共聚物。

图2AM（左）和CPAM（右）的XRD图

由图3可知，该共聚物经历四次较明显的失重，第一阶段的失重温度在30～176℃之间，失重率为14.7%，这是由于样品具有较强的吸水性，这个阶段随着温度的升高，样品中的一些水分包括结合水和非结合水挥发；第二阶段失重温度在176～290℃，失重率17.7%，第三阶段失重温度在290～359℃，失重率19.4%，这两个阶段可能是发生了化学分解，酰胺分解以及甲基从季胺上脱去。第四阶段失重温度是359～600℃，失重率37.2%，由图可以看出，当温度上升至450℃左右，失重率几乎不再变化。这一阶段主要是由于主链断裂，失重率最大。综上可知，该产品在常温下不会发生分解，稳定性较好。

图3热重分析图

三、结论

通过傅立叶变换红外光谱和X-射线衍射分析证明了该产品是阳离子聚丙烯酰胺，且其具有非定形无规共聚物结构。通过扫描电镜可以观察到该产品表面有孔隙，且表面不平整，表面积较大，这说明其溶解性和絮凝性较好。通过热重分析可知，该产品在常温下很难分解，稳定性良好。

参考文献：

[1] 胡天佑, 唐瑾, 陈志莉. 石油工业含油废水处理进展 [J]. 水处理技术, 2021, 47(06): 12-7.

[2] 李鑫, 王岚, 苑丹丹. 油田含油污水处理技术研究进展 [J]. 能源化工, 2019, 40(04): 9-16.

[3] 周阜成. 阳离子聚丙烯酰胺水包水乳液的制备、扩试与应用 [D]; 华南理工大学, 2018.

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