CN109679036A - 一种阳离子型高分子聚合物的制备方法和阳离子型高分子絮凝剂及其应用 - Google Patents

一种阳离子型高分子聚合物的制备方法和阳离子型高分子絮凝剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及絮凝剂领域，尤其涉及一种阳离子型高分子聚合物的制备方法以及一种阳离子型高分子絮凝剂及其应用。本发明在所述阳离子型高分子聚合物中引入高支化度的疏水单元，即含烯基聚氧乙烯醚单元，使本发明提供的阳离子型高分子聚合物同时具有阳离子带电基团的电中和性以及高支化聚氧乙烯醚带来的弱疏水性，一方面使得絮凝剂的亲水性降低，更容易吸附污泥；另外一方面，高枝化单元的引入使得存在高空间位阻，使絮凝剂分子链舒展，增强了高分子内刚性，促进了架桥作用，并可降低比阻。

Description

一种阳离子型高分子聚合物的制备方法和阳离子型高分子絮 凝剂及其应用
技术领域
本发明涉及絮凝剂领域，尤其涉及一种阳离子型高分子聚合物的制备方法以及一种阳离子型高分子絮凝剂及其应用。
背景技术
在污水处理技术中，关键是污水处理絮凝剂，其不仅需要起到改善水质的作用，而且不能在处理过程中对水质造成二次污染，因此絮凝剂在水处理中起着重要作用。由于污泥中的微细颗粒带负电，互相排斥，还有部分污泥与表面附着水结合成凝胶体，所以污泥能在水中稳定分布，沉降性能较差，靠重力沉降只能将污泥与游离水分开。当向污泥中加入絮凝剂后，絮凝剂使带负电的污泥颗粒脱稳，并使表面附着水可以转化成游离水除去，进而降低滤饼的含水率。因此在相同的过滤条件下，对比滤饼的含水率，可作为衡量絮凝剂性能的一个指标。
絮凝剂包括无机絮凝剂和有机絮凝剂，其中无机絮凝剂所得到的絮体比较重，容易沉降，但往往所需要的用量比较大，显著增加了排放的污泥量，并对污泥的后续处理带来不利的影响。有机絮凝剂特别是有机高分子絮凝剂逐渐起到主导作用。目前，应用最广泛的有机高分子絮凝剂是聚丙烯酰胺(PAM)，但是现有絮凝剂的性能仍无法满足人们的使用需求。
发明内容
为了提高絮凝剂的性能，本发明提供了一种阳离子型高分子聚合物的制备方法，本发明提供的方法制备得到的阳离子型高分子聚合物对污泥的絮凝效果较好。
本发明提供了一种阳离子型高分子聚合物的制备方法，包括以下步骤：
将有机单体、含烯基聚氧乙烯醚、分散稳定剂和反应溶剂混合后，在保护气氛下加入引发剂，进行聚合反应，得到阳离子型高分子聚合物；
所述有机单体包括二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、对乙烯基苄基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基铵硫酸甲酯、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺-β-羟丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺-β-羟基丙酯基三甲基氯化铵和甲基丙烯酰胺丁基三甲基氯化铵中的一种或多种；
所述含烯基聚氧乙烯醚包括烯丙基聚氧乙烯醚和/或甲基烯丙基聚氧乙烯醚。
优选的，所述有机单体和含烯基聚氧乙烯醚的摩尔比为5～50:1。
优选的，所述聚合反应的温度为20～80℃，时间为4～10h。
优选的，所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸钾和亚硫酸钠的混合物、过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合物、过氧化二苯甲酰和N,N二甲基苯胺的混合物、偶氮二异丁腈中的一种或多种。
优选的，所述引发剂的质量为有机单体质量的0.1-0.8％。
优选的，所述反应溶剂为水和/或醇类有机溶剂。
本发明还提供了一种阳离子型高分子絮凝剂，包括水和阳离子型高分子聚合物，所述阳离子型高分子聚合物的质量分数为30～50％；所述阳离子型高分子聚合物为上述技术方案所述方法制备得到的阳离子型高分子聚合物。
本发明还提供了上述技术方案所述阳离子型高分子絮凝剂作为絮凝剂的应用，包括以下步骤：
将污泥与聚合氯化铝和阳离子型高分子絮凝剂，搅拌混合。
优选的，所述聚合氯化铝占污泥绝干量的1～10％；所述阳离子型高分子絮凝剂占污泥绝干量的0.1～0.3％。
本发明提供了一种阳离子型高分子聚合物的制备方法，包括以下步骤：将有机单体、含烯基聚氧乙烯醚、分散稳定剂和反应溶剂混合后，在保护气氛下加入引发剂，进行聚合反应，得到阳离子型高分子聚合物。本发明在所述阳离子型高分子聚合物中引入疏水单元(含烯基聚氧乙烯醚单元)，使本发明提供的阳离子型高分子聚合物同时具有阳离子带电基团的电中和性以及聚氧乙烯醚带来的弱疏水性，一方面使得絮凝剂的亲水性降低，更容易吸附污泥；另外一方面，高枝化单元的引入使得存在高空间位阻，使絮凝剂分子链舒展，增强了高分子内刚性，促进了架桥作用，并可降低比阻。本发明所述阳离子型高分子聚合物，不仅可以保持阳离子型高分子聚合物通过电中和作用与溶液中带负电的悬浮微粒结合使微粒失稳、聚集、絮凝的基本特征，维持原有阳离子型高分子聚合物的优点外，而且因弱疏水基团的引入使本发明所述阳离子型高分子聚合物拥有新的性能和优点：
a.增强了与水中有机悬浮微粒的吸附力；
b.降低絮体的亲水性，从而减小絮体体积，提高絮体牢固力；
c.加入高支化度的梳型拓扑结构，增强架桥絮凝；
d.其疏水缔合性质有利于分子间的相互作用，可以使含油污水得到较好的破乳除油性；
e.这类弱疏水基团不足以改变聚合物的良好水溶性。
其次，本发明所述方法制备得到的阳离子型高分子絮凝剂有利于提高絮体的强度。絮凝效果好坏的一个关键评价指标是絮凝体形成后，絮凝体强度的大小，如果絮凝体强度小，则容易解絮凝，以至于在后面的加压抽滤后，絮凝体破裂，比阻变大。目前水处理中运用最广泛的聚丙烯酰胺(PAM)的一个缺点在于，由于其结构为柔软的高分子链，变形性强，通过架桥作用生成的絮凝体强度还较弱，容易破裂，特别是加压的情况下可压缩性强，限制了絮凝体的脱水性能。而本发明提供的阳离子型高分子聚合物和污泥的阴离子发生电荷中和，使得絮凝体相对比较结实；而且本发明在阳离子型高分子聚合物中引入含烯基聚氧乙烯醚单元，使得本发明提供的阳离子型高分子聚合物同时存在亲水的单元和弱疏水的短碳链单元，形成疏水-亲水缔和，一方面通过亲-疏作用进一步增强絮凝体的强度；另一方面提高聚合物的刚性，降低絮凝体的可压缩性，克服中高压过滤中的变形和破裂导致的水分子通过的微孔通道堵塞，从而改善污泥比阻，提高污泥的脱水速度，改善阳离子型高分子聚合物的脱水性能。
另外，目前提高絮凝效率的一个主要方向是制备超高分子量的聚丙烯酰胺(PAM)材料，这类材料的分子量大，架桥作用强。如果这类超高分子量的PAM材料与阳离子型高分子聚合物一起使用时，其对阳离子活性组分的屏蔽作用非常明显，降低了材料的使用效率，从而提高使用成本。本发明中，我们引入短分子链的含烯基聚氧乙烯醚单元，一方面可以提高阳离子基团的平均分布；另一方面能够在不提高聚合物分子量的情况下，提高絮凝能力。因此，本发明提供的阳离子型高分子聚合物有利于降低高分子聚合物对阳离子基团的屏蔽，提高絮凝剂的利用效率。
附图说明
图1为实施例1制备得到的阳离子型高分子聚合物的氢核磁谱图；
图2为实施例1制备得到的阳离子型高分子聚合物的红外谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种阳离子型高分子聚合物的制备方法，包括以下步骤：
将有机单体、含烯基聚氧乙烯醚、分散稳定剂和反应溶剂混合后，在保护气氛下加入引发剂，进行聚合反应，得到阳离子型高分子聚合物。
本发明将有机单体、含烯基聚氧乙烯醚、分散稳定剂和反应溶剂混合，得到混合物。
在本发明中，所述有机单体包括二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、对乙烯基苄基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基铵硫酸甲酯、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺-β-羟丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺-β-羟基丙酯基三甲基氯化铵和甲基丙烯酰胺丁基三甲基氯化铵中的一种或多种；所述含烯基聚氧乙烯醚包括烯丙基聚氧乙烯醚和/或甲基烯丙基聚氧乙烯醚；所述有机单体和含烯基聚氧乙烯醚的摩尔比优选为5～50:1，进一步优选为10～40:1，更优选为10～30:1。在本发明中，所述有机单体优选为混合物质量的20％～30％，进一步优选为22％～28％。
在本发明中，所述分散稳定剂优选包括EDTA，所述分散稳定剂的用量优选为混合物质量的0.03～0.1％，进一步优选为0.06～0.08％。
在本发明中，所述反应溶剂优选包括水和/或醇类有机溶剂，所述醇类有机溶剂优选包括甲醇和/或乙醇。在本发明中，所述反应溶剂进一步优选包括水、甲醇和水的混合溶剂、乙醇和水的混合溶剂中的一种，当所述反应溶剂优选为甲醇和水的混合溶剂或者乙醇和水的混合溶剂时，本发明对甲醇和水的用量比例以及乙醇和水的用量比例没有要求，任意比例均可。本发明所述混合物中，余量为有机溶剂的质量。
得到混合物后，本发明在保护气氛下加入引发剂，进行聚合反应，得到阳离子型高分子聚合物。
在本发明中，所述保护气氛优选包括氮气或惰性气体。在本发明中，所述引发剂优选包括硫酸钾、过硫酸钾和亚硫酸钠的混合物、过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合物、过氧化二苯甲酰和N,N二甲基苯胺的混合物、偶氮二异丁腈中的一种或多种。当所述引发剂优选为过硫酸钾和亚硫酸钠的混合物时，对所述过硫酸钾和亚硫酸钠的用量比没有任何限制；当所述引发剂优选为过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合物时，所述过硫酸铵和亚硫酸氢钠的摩尔比优选为2:1，所述过硫酸铵和亚硫酸氢钠优选以过硫酸铵水溶液和亚硫酸氢钠水溶液的方式加入，所述过硫酸铵水溶液的浓度优选为30～35g/L，所述亚硫酸氢钠水溶液的浓度优选为13～17g/L；当所述引发剂优选为过氧化二苯甲酰和N,N二甲基苯胺的混合物时，所述过氧化二苯甲酰和N,N二甲基苯胺的用量比没有任何限制。在本发明中，所述引发剂的质量优选为有机单体质量的0.1～0.8％，进一步优选为0.2％～0.6％。
在本发明中，所述聚合反应的温度优选为20～80℃，进一步优选为30～70℃，更优选为50～70℃；所述聚合反应的时间优选为4～10h，进一步优选为4～8h，更优选为4～6h。本发明在聚合反应中，所述有机单体和含烯基聚氧乙烯醚聚合形成阳离子型高分子聚合物。
本发明还提供了一种阳离子型高分子絮凝剂，包括水和阳离子型高分子聚合物，所述阳离子型高分子絮凝剂中阳离子型高分子聚合物的质量浓度为0.1％～50％，当所述阳离子型高分子聚合物的质量浓度优选为0.1％～0.5％时，所述阳离子型高分子絮凝剂优选可以直接进行使用；当所述阳离子型高分子聚合物的质量浓度优选为0.5％～50％时，所述阳离子型高分子絮凝剂优选稀释后再进行使用。在本发明中，所述阳离子型高分子絮凝剂中阳离子型高分子聚合物的质量分数优选为0.2％～0.4％。
本发明对所述阳离子型高分子絮凝剂的制备方法没有特别要求，将水和阳离子型高分子聚合物混合即可。
本发明还提供了所述阳离子型高分子絮凝剂作为絮凝剂的应用，包括以下步骤：将污泥与聚合氯化铝和阳离子型高分子絮凝剂搅拌混合。
在本发明中，所述污泥优选为生活污水、造纸、印染等各类生化剩余污泥；所述污泥的含水率优选为96％～98％，进一步优选为97％。本发明将污泥与聚合氯化铝和阳离子型高分子絮凝剂混合。在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合，所述搅拌混合的转速优选为100～150r/min；所述搅拌混合的时间优选为1.5～2h。在本发明中，所述聚合氯化铝优选占污泥绝干量的1％～10％，进一步优选为2％～8％，更优选为3％～7％；所述阳离子型高分子絮凝剂优选占污泥绝干量的0.1％～0.3％，进一步优选为0.15％～0.25％。在本发明中所述污泥绝干量指的是含水率为0％的污泥的质量。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
二甲基二烯丙基氯化铵(40.37g,0.25mol)，甲基烯丙基聚氧乙烯醚(A210分子量2400；24克，0.01mol)，加水300毫升，超声20分钟，在室温下每分钟搅拌150圈。然后加入EDTA(0.015g，0.40×10-4mol)，搅拌30分钟后，用氮气吹扫，升温至50℃，5分钟后，加入2mL31g/L(NH4)2S2O8和2ml 15g/LNaHSO3，其中(NH4)2S2O8和NaHSO3的摩尔比为2:1，(NH4)2S2O8和NaHSO3不同时滴加，然后在50℃下聚合反应5h，即得阳离子型高分子聚合物，所述阳离子型高分子聚合物的结构如式I所示：
其中n为60～100，m为30～50。
对实施例1制备得到的阳离子型高分子聚合物进行核磁和红外表征，结果如图1和图2所示。图1为氢核磁谱图；图2为红外谱图。由图1和图2可知，实施例1制备得到的阳离子型高分子聚合物具有式I所示结构。
实施例2
甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(0.3mol)，甲基烯丙基聚氧乙烯醚(A210分子量2400；0.01mol)，加水300毫升，超声20分钟，在室温下每分钟搅拌150圈，然后加入EDTA(0.015g，0.40×10-4mol)，30分钟后，用氮气吹扫，升温至60℃，5分钟后，加入2mL 31g/L(NH4)2S2O8和2ml 15g/L NaHSO3，其中(NH4)2S2O8和NaHSO3的摩尔比为2:1，(NH4)2S2O8和NaHSO3不同时滴加，然后在60℃下聚合反应5h，即得阳离子型高分子聚合物。
实施例3
甲基丙烯酰胺丁基三甲基氯化铵(0.4mol)，烯丙基聚氧乙烯醚(A210分子量2400；0.01mol)，加水300毫升，超声20分钟，在室温下每分钟搅拌150圈。然后加入EDTA(0.015g，0.40×10-4mol)，30分钟后，用氮气吹扫，升温至80℃，5分钟后，加入2mL 31g/L(NH4)2S2O8和2ml 15g/L NaHSO3，其中(NH4)2S2O8和NaHSO3的摩尔比为2:1，(NH4)2S2O8和NaHSO3不同时滴加，然后在80℃下聚合反应4h，即得阳离子型高分子聚合物。
实施例4
丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(0.1mol)，甲基烯丙基聚氧乙烯醚(A210分子量2400；0.01mol)，加水300毫升，超声20分钟，在室温下每分钟搅拌150圈，然后加入EDTA(0.015g，0.40×10-4mol)，30分钟后，用氮气吹扫，升温至40℃，5分钟后，加入0.05g过氧化二苯甲酰和N,N二甲基苯胺的混合物，然后在40℃下聚合反应6h，即得阳离子型高分子聚合物。
实施例5
甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵(0.5mol)，甲基烯丙基聚氧乙烯醚(A210分子量2400；0.01mol)，加水300毫升，超声20分钟，在室温下每分钟搅拌150圈，然后加入EDTA(0.015g，0.40×10-4mol)，30分钟后，用氮气吹扫，升温至70℃，5分钟后，加入1.3g过硫酸钾，然后在70℃下聚合反应8h，即得阳离子型高分子聚合物。
实施例6
将实施例1得到的阳离子型高分子聚合物与水配制得到质量分数为0.2％的阳离子型高分子絮凝剂。剩余污泥泵将污水厂二沉池排出污泥送至重力浓缩池，浓缩后的污泥(含水率约为97％)经污泥泵送至污泥调质池，在调质池中投加绝干泥量10％的聚合氯化铝以及绝干泥量0.2％的阳离子型高分子絮凝剂，以100r/min的转速使阳离子型高分子絮凝剂、聚合氯化铝和污泥充分混合，搅拌周期为1.5h。用板框压滤机压榨，压力为1.6MPa，所得滤饼含水率58.5～61％。
实施例7
将实施例2得到的阳离子型高分子聚合物与水配制得到质量分数为0.2％的阳离子型高分子絮凝剂。剩余污泥泵将污水厂二沉池排出污泥送至重力浓缩池，浓缩后的污泥(含水率约为97％)经污泥泵送至污泥调质池，在调质池中投加绝干泥量10％的聚合氯化铝以及绝干泥量0.3％的阳离子型高分子絮凝剂，以120r/min的转速使阳离子型高分子絮凝剂、聚合氯化铝和污泥充分混合，搅拌周期为1.5h。用板框压滤机压榨，压力为1.6MPa，所得滤饼含水率59～63％。
实施例8
将实施例3得到的阳离子型高分子聚合物与水配制得到质量分数为0.15％的阳离子型高分子絮凝剂。剩余污泥泵将污水厂二沉池排出污泥送至重力浓缩池，浓缩后的污泥(含水率约为97％)经污泥泵送至污泥调质池，在调质池中投加绝干泥量10％的聚合氯化铝以及绝干泥量0.25％的阳离子型高分子絮凝剂，以150r/min的转速使阳离子型高分子絮凝剂、聚合氯化铝和污泥充分混合，搅拌周期为1.5h。用板框压滤机压榨，压力为1.6MPa，所得滤饼含水率60～62％。
对比例1
将市售聚丙烯酰胺与水配制得到质量分数为0.2％的药剂。剩余污泥泵将污水厂二沉池排出污泥送至重力浓缩池，浓缩后的污泥(含水率约为97％)经污泥泵送至污泥调质池，在调质池中投加绝干泥量10％的聚合氯化铝以及绝干泥量0.3％的药剂，以150r/min的转速使药剂、聚合氯化铝和污泥充分混合，搅拌周期为1.5h。用板框压滤机压榨，压力为1.6MPa，所得滤饼含水率63～67％。
将实施例8和对比例1相比，本发明在阳离子型高分子絮凝剂浓度较小的情况下，最终得到的滤饼含水率更低。对于本领域技术人员来说，含水率降低1％都是比较困难的，而本发明在阳离子型高分子絮凝剂用量小的情况下，得到的滤饼含水率反而更低。
将实施例6～8与对比例1相比，由本发明提供的阳离子型高分子聚合物以及本发明提供的阳离子型高分子絮凝剂效果较好，得到的滤饼含水率更低，效果更好。
综上所述，本发明提供的阳离子型高分子聚合物以及本发明提供的阳离子型高分子絮凝剂效果较好，能够有效地使污泥中的泥水分离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种阳离子型高分子聚合物的制备方法，包括以下步骤：
将有机单体、含烯基聚氧乙烯醚、分散稳定剂和反应溶剂混合后，在保护气氛下加入引发剂，进行聚合反应，得到阳离子型高分子聚合物；
所述有机单体包括二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、对乙烯基苄基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基铵硫酸甲酯、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺-β-羟丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺-β-羟基丙酯基三甲基氯化铵和甲基丙烯酰胺丁基三甲基氯化铵中的一种或多种；
所述含烯基聚氧乙烯醚包括烯丙基聚氧乙烯醚和/或甲基烯丙基聚氧乙烯醚。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机单体和含烯基聚氧乙烯醚的摩尔比为5～50:1。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为20～80℃，时间为4～10h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸钾和亚硫酸钠的混合物、过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合物、过氧化二苯甲酰和N,N二甲基苯胺的混合物、偶氮二异丁腈中的一种或多种。
5.根据权利要求1、2或4所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂的质量为有机单体质量的0.1-0.8％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为水和/或醇类有机溶剂。
7.一种阳离子型高分子絮凝剂，包括水和阳离子型高分子聚合物，所述阳离子型高分子絮凝剂中阳离子型高分子聚合物的质量浓度为0.1～50％；所述阳离子型高分子聚合物为权利要求1～6任一项所述方法制备得到的阳离子型高分子聚合物。
8.权利要求7所述阳离子型高分子絮凝剂作为絮凝剂的应用，包括以下步骤：
将污泥与聚合氯化铝和阳离子型高分子絮凝剂，搅拌混合。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述聚合氯化铝占污泥绝干量的1～10％；所述阳离子型高分子絮凝剂占污泥绝干量的0.1～0.3％。
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