單體丙烯酰胺是;不飽和胺,帶有兩個活性中心(一個乙烯基團和一個胺基基團),其基元反應(yīng)可分為:鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止反應(yīng)。除3種基元反應(yīng)外,還常伴有鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng),使分子鏈增長終止。因此,丙烯酰胺可以和多種化合物反應(yīng)而產(chǎn)生許多聚丙烯酰胺的衍生物,而這些衍生物具有多種性能,如絮凝性,增黏(稠)性,表面活性等。聚丙烯酰胺產(chǎn)品按離子形式可分為3類,非離子型、陰離子聚丙烯酰胺型和陽離子型。非離子聚合物非離子型聚丙烯酰胺與膠料HSiO3-之間的作用靠氫鍵結(jié)合。聚丙烯酰胺雙電層作用機理是根據(jù)凝聚物理理論,著重?zé)o機鹽對膠粒的靜電作用,壓縮擴散層、降低ζ電位,從而降低或消除排斥勢能峰,促成膠粒靠近發(fā)生凝聚。它著重中和膠粒電荷脫穩(wěn),忽略電荷變號和再穩(wěn)定現(xiàn)象。吸附架橋機理著重于膠粒與聚合物間的強烈吸附作用,通過吸附架橋促成微粒聚集而發(fā)生絮凝。這兩種作用反映了凝聚和絮凝的典型作用,實際中兩者常常是不能分開的。根據(jù)上述絮凝機理可以得出高分子結(jié)構(gòu),對絮凝過程有著重要影響,如相對分子質(zhì)量及其分布、離子度、分子形狀等。;許多研究指出,HPAM當(dāng)水解度為3%時絮凝效果*大,相對分子質(zhì)量越高,絮凝能力越大,PAM、HPAM對黏土絮凝的研究表明,相對分子質(zhì)量小于(1-3)*10^6時除濁效果很差,而當(dāng)相對分子質(zhì)量等于(7-13)*10^6時其絮凝效果較前者可以提高2-8倍。但是,隨著相對分子質(zhì)量的增大,*佳有效添加量范圍變窄,這將給應(yīng)用帶來困難。尤其是對污泥脫水率,隨著相對分子質(zhì)量的增大出現(xiàn)*大值后減小。不少工作指出,相對分子質(zhì)量未必總是越高越有利。絮凝劑的相對分子質(zhì)量分布對絮凝效果影響的研究表明,產(chǎn)品中高相對分子質(zhì)量級分對絮凝起主導(dǎo)作用。當(dāng)添加量在*佳用量范圍以下時,低相對分子質(zhì)量級分的分散作用不明顯;當(dāng)添加量大于*佳用量范圍時,低相對分子質(zhì)量級分將起分散保護作用。另外,為了達到高除濁率,對低相對分子質(zhì)量產(chǎn)品將隨相對分子質(zhì)量增高而用量范圍增大,到某一限度后,相對分子質(zhì)量再增高則其用量范圍縮小,所以總的情況將是相對分子質(zhì)量分布寬些是有利的。至于有些場合(如鉆井液用HPAM處理)特意選擇相差懸殊的低、高相對分子質(zhì)量的HPAM配伍,而窄分布的應(yīng)用(如HPAM用于紙的增強)則屬于特殊技術(shù)需要。當(dāng)平均相對分子質(zhì)量相當(dāng)時,長直鏈形大分子較支鏈形大分子有更好的絮凝能力。自從Lamer提出吸附架橋模型以來,關(guān)于高分子絮凝劑作用的理論研究迄今進展不多,但結(jié)合實際應(yīng)用的工作不少。實踐表明,絮凝進程是復(fù)雜的,高分子結(jié)構(gòu)、性能也是變化很多的,兩者結(jié)合在一起,有許多作用因素需要細(xì)致地分析研究,如高分子絮凝劑的親水-親油力比,溫度、無機鹽對大分子形態(tài)的影響(轉(zhuǎn)而影響大分子的作用),磁性的影響和利用,大分子上功能基團對某些對象的專屬吸附等,這些方面都正受到關(guān)注和研究。這些工作將推動高分子絮凝理論的不斷發(fā)展和完善,并致使一些新的絮凝劑及絮凝技術(shù)的出現(xiàn),如熱敏性絮凝劑、磁性絮凝等。主要有聚丙烯酸、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物及聚丙烯酰胺的部分水解物。雖然還有其他含羧基的單休,但都不能聚合到足夠高的相對分子質(zhì)量(如馬來酸酐)。
聚丙烯酰胺的水解,通常用Na2CO3于20-95℃下進行,反應(yīng)如下:
反應(yīng)進行中體系黏度增加,反應(yīng)速率起始很快,以后逐漸減慢,到水解度接近50%時,因鄰基效應(yīng)的緣故反應(yīng)難以進行。
丙烯酸與丙烯酰胺的共聚合速率依賴于pH值,丙烯酸的競聚率隨pH值的增大而減小。水解和共聚兩種方法制得的產(chǎn)物,其羧基在鏈上的分布經(jīng)研究表明是無規(guī)則的,使用中性能(如絮凝)也證明是無區(qū)別的。兩種方法都可制得高相對分子質(zhì)量的產(chǎn)物(達1000*10^4以上)。但共聚法中丙烯酸比例過大,則難以制得高相對分子產(chǎn)物。一般產(chǎn)物中按羧基含量范圍為2%-50%;應(yīng)用*多的為30%。據(jù)了解這一羧基含量使大分子鏈在水中有*大舒展,同時保留的酰胺基足夠起吸附作用,使絮凝效果達到*好。羧基為較弱的酸,其離解受pH值影響,一般pH大于5離解,表現(xiàn)為陰離子聚丙烯酰胺性質(zhì),使用中應(yīng)在中性到堿性。具體離解程度還與大分子上羧基密度(離子度)有關(guān)。圖3-1為離解率與pH值的關(guān)系。圖3-1中的實線為30%羧基,左側(cè)虛線為低含量羧基,右側(cè)虛線為聚丙烯酸。聚丙烯酰胺的分類與特性含磺酸基團的聚合物美Lubrizal Corp提出的2-丙烯酰胺基2一甲基丙烷基磺酸(AMPS),其均聚或與丙烯酰胺共聚,所得產(chǎn)物相對分子質(zhì)量高,用于絮凝。其制備如下:磺酸類聚合物為強陰離子型?;撬峄^羧酸基電離度大,酸性強,可在較低pH值下保持其離解而發(fā)揮絮凝功效。磺酸型絮凝劑應(yīng)用上不及羧酸型量大、普遍。主要應(yīng)用于Bayer法煉鋁中的;紅泥”處理、紙漿廢液處理、黏土工業(yè)廢液處理、鉆井液處理劑等。>聚丙烯酰胺Mannich反應(yīng)物這是利用大分子反應(yīng)的制備方法,由聚丙烯酰胺與甲醛、二甲胺反應(yīng),反應(yīng)式如下:聚丙烯酰胺的分類與特性
產(chǎn)物為叔胺型,用CH3Cl、(CH3O)2SO3等很容易季按化成季銨鹽型。這一產(chǎn)品原料易得,容易制備。相對分子質(zhì)量隨母體聚丙烯酰胺可有高低的變化。所以是使用方便、量較大的陽離子品種。其問題有:產(chǎn)物中要盡量減少醛、胺的殘留,因有毒,其產(chǎn)品不穩(wěn)定(甲醛交聯(lián));又由于聚丙烯酰胺水溶液黏度高,制備所用濃度不能高(一般只有1%-2%),產(chǎn)品貯運很不經(jīng)濟。此產(chǎn)品也不易做成干粉。*近發(fā)展做成膠乳狀,聚合物含量可提高。以丙烯酰胺共聚為基礎(chǔ)的陽離子型聚合物目前大多數(shù)高相對分子質(zhì)量的陽離子絮凝劑來自一些陽離子單體與丙烯酰胺的共聚物。陽離子單體由于價格昂貴其含量一般小于10%,為水處理用已夠。常用的陽離子單體有:聚丙烯酰胺的分類與特性以上兩種類型的單體,酯型使用中所含酯鍵于中性、堿性條件下易水解,有脫掉氨基失去陽離子性的危險,而酰胺型比較穩(wěn)定。
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