从高分子的分子结构谈PAM聚丙烯酰胺的絮凝作用

           絮凝可以说是是水处理过程中最重要的物理化学操作过程之一，这一过程简单的说就是脱稳和使小颗粒物凝结成大颗粒物的过程。目前，化学絮凝的依赖程度逐渐减少了，这取决于各种化学试剂的昂贵特性。而絮凝的过程可通过化学和电学途径即电絮凝过程获取。絮凝过程直接影响国内废水处理工程，是处理废水过程中的举足轻重的关键性环节。絮凝效果的好坏往往决定了后续流程的运行状况、最终出水水质和费用，选择何种絮凝剂，对于提高出水水质、降低制水成本有着重要的技术经济价值。

   聚丙烯酰胺产生絮凝作用是基于它的两种特点：长链(线)状的分子结构和分子中含有大量活性基团。聚丙烯酰胺是直链状聚合物，因每个分子是由十万个以上的单体聚合构成，分子链相当长。它如果完全伸直，其长度要比一般的分子(如蔗糖)或离子(如ca2+)长数万倍以上。由于它的分子长而细，会弯曲或卷曲成不规则的曲线形状。这个长分子链向外侧伸出许多化学活性基团：酰胺基－conh2及羧基－cooˉ。酰胺基是非离子性基团，但亦善于形成副价键而与其它物质的活性基团吸附并连结起来。单纯的聚丙烯酰胺可以用在一般的水处理中，使水中的悬浮物絮凝。羧基是负电性基团，它是使糖汁中微粒絮凝的关键因素。因为糖汁中微粒的絮凝主要通过钙离子的架桥作用产生。bennett的研究证明，糖汁中的悬浮微粒及大多数胶体物质带有负电荷，它们的表面上经常吸附糖汁中的钙离子。由于ca2+有两单位正电荷，而微粒或胶体表面上的每一个带电点通常只有一个负电荷(即一价酸根如－cooˉ)，故这些被吸附的钙离子还剩余一单位的正电荷，能再和其它负电基团相结合。这样，钙离子就在两者之间起架桥作用而将它们连接起来。磷酸钙与微粒或胶体的连结是通过这种作用，絮凝剂与微粒的连结也主要通过这种作用，即通过絮凝剂的羧基－cooˉ与钙作用而与各种钙盐沉淀物及各种带负电的微粒互相连结。在溶液中存有磷酸和磷酸钙时，也能通过磷酸钙和磷酸根架桥与其他微粒表面的钙离子连结。许多聚丙烯酰胺分子与许多钙盐沉淀和磷酸钙沉淀微粒的互相连结就形成粗大的絮凝团。它的尺寸可达到数毫米或以上。据bennett研究，蔗汁加聚丙烯酰胺后形成的絮凝团约包含有105～107个原来的微粒。

   由于聚丙烯酰胺分子长而细并有许多化学活性基团，它们能和沉淀微粒产生很多连接而形成较大的絮凝物，这些絮凝物的结构就象棉絮那样，松散、无定形，互相连结但不很稳固，内部有很多空间和很多微细的网络，包藏着大量液体，因而絮凝物的比重颇接近它所存在的液体本身。絮凝物中还网络了各种各样的微粒，这就将各种不同成分、不同性质、不同大小的微粒集合在一起。因此，良好的絮凝剂处理能将溶液中原有的微粒完全网络除去，使溶液显得特别清亮透明和有光泽。由于絮凝物的尺寸较大，它的沉降和过滤都比较快。

   絮凝剂与微粒的作用就是通过化学吸附和物理网络这两种形式产生的。根据上述机理可知，分子量较高、分子较长的聚丙烯酰胺，能吸附较多的微粒，形成网络的能力较强，故絮凝效能较好。同理，聚丙烯酰胺分子中羧基的比例适当也很重要，因糖汁中的微粒多数带负电，聚丙烯酰胺需要有适量的羧基通过钙离子架桥与它作用。但如果羧基含量太多，聚丙烯酰胺分子本身负电过强，本身分子之间的相斥力过大，也不利于絮凝作用。

   除了碳酸法以外，糖液(蔗汁和糖浆)加聚丙烯酰胺都是在加入磷酸和石灰乳中和以后。它们反应生成的磷酸钙沉淀是絮状物，能够捕集液相中的各种悬浮微粒形成稍大的颗粒。这称为第一次絮凝。在此基础上加聚丙烯酰胺形成更大的絮凝物，称为第二次絮凝。良好的一次絮凝可以显著提高加聚丙烯酰胺的二次絮凝的效果，并减少所需的聚丙烯酰胺的数量；因为一次絮凝已经将各种微细的粒子初步凝聚，大大减少了粒子的总数，从而减少了聚丙烯酰胺的负担。搞好一次絮凝是加聚丙烯酰胺获得最佳效果的基础。

   目前大批研发人员进行了对聚丙烯酰胺在电解过程中作用机理的深入研究，针对不同的废水选择恰当的处理工艺，通过改进电源技术，研究新型电极材料及电解槽结构，进一步提高电凝聚气浮技术的处理效率和降低能耗是当前的发展方向。