疏水缔合型阳离子聚丙烯酰胺的合成及絮凝性能研究

摘要

在染料和印染废水的脱色处理中，絮凝沉降法是当前国内外重点研究的方向之一。阳离子聚丙烯酰胺是一种重要的有机高分子絮凝剂，主要通过电性中和和吸附架桥作用吸附水中的颗粒，从而使体系中的颗粒凝聚、絮凝形成絮体进而达到絮体沉降的目的。在阳离子聚丙烯酰胺中引入疏水单体可以增强聚合物分子链间的疏水缔合能力，增强有机高分子与固体颗粒间的相互作用，更有利于固体颗粒絮凝沉降。本课题提出以甲基丙烯酸三氟乙酯（TFEMA)为疏水单体，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC)为阳离子单体与丙烯酰胺（AM)单体通过自由基胶束聚合法合成了疏水缔合型阳离子聚丙烯酰胺P(AM-DMC-TFEMA)；以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA)和氯化苄为原料通过取代反应合成了甲基丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵（DMBAC)；以TFEMA为疏水单体，DMBAC为阳离子表面活性单体与AM单体通过水溶液聚合法合成了P(AM-DMBAC-TFEMA)，合成出较高性能高分子絮凝剂。本研究的具体研究结果如下： （1）P(AM-DMC-TFEMA)的合成：以产率和阳离子度为考察指标，对反应温度、引发剂用量、单体总质量分数、反应时间、SDS用量做单因素及响应面优化实验，确定出较佳工艺参数。采用红外光谱、核磁共振氢谱对产物的组成和结构进行了表征；采用ESEM对其形貌进行观察分析；通过表面张力、表观黏度的测定，研究了P(AM-DMC-TFEMA)水溶液的性质。以硅藻土悬浮液为模拟废水进行絮凝性能研究，考察了DMC用量、TFEMA用量、特性黏数、聚合物投加量对絮凝后上清液透过率的影响。研究结果发现：在DMC质量分数为30%，TFEMA质量分数为15%，特性黏数为627.05mL/g，可得到絮凝后上清液透过率最高为97.31%。 （2）DMBAC的合成：以DMAEMA、氯化苄为原料合成了甲基丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵（DMBAC)。考察了反应温度、溶剂用量、物料比和反应时间四因素对产率的影响。通过FTIR，1 HNMR测试，出现了季铵基团特征吸收峰，说明了DMBAC的合成。其较佳工艺条件为：反应温度为30℃，溶剂用量为45%，反应时间为13h，物料摩尔比为1：1。此合成过程稳定，重复性高，产率较高可达88.49%，与同类型反应相比，产率提高了3.4%。 （3）P(AM-DMBAC-TFEMA)的合成：以产率为考察指标，对反应温度、引发剂用量、单体总质量分数、反应时间做单因素及响应面优化实验，确定出较佳工艺参数。采用红外光谱、核磁共振氢谱对产物的组成和结构进行了表征。采用ESEM对其形貌进行观察分析；采用荧光光谱对聚合物微观结构进行了分析。以硅藻土悬浮液为模拟废水进行絮凝性能研究，对P(AM-DMBAC-TFEMA) ，P(AM-DMC-TFEMA) ，P(AM-DMC)的絮凝性能进行了比较，初步探讨了聚合物在絮凝过程中的絮凝机理。研究结果发现：P(AM-DMBAC-TFEMA)的絮 凝 性 能 优 于 P(AM-DMC-TFEMA) 和P(AM-DMC)；在絮凝过程中可能利用了静电中和，疏水相互作用，吸附架桥作用。其中静电中和为主要作用力。 （4）将研究合成的絮凝剂产品应用于阴离子染料活性艳红X-3B中，通过 与 相 同 条 件 下的阳 离 子 聚 丙 烯 酰 胺 P(AM-DMC) 相 比 ，P(AM-DMC-TFEMA)和P(AM-DMBAC-TFEMA)的脱色率分别提高了6.4%和9.3%，COD去除率分别提高了7.4%和10.3%，两者均具有较好的脱色效果；初步探讨了P(AM-DMC-TFEMA)和P(AM-DMBAC-TFEMA)对活性艳红的脱色机理，结果表明，脱色过程可能利用了疏水相互作用和电荷中和作用。

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摘 要

ABSTRACT

1 前言

1.1絮凝剂的发展现状

1.1.1无机絮凝剂

1.1.2 有机高分子絮凝剂

1.1.3 复合絮凝剂

1.1.4 微生物絮凝剂

1.2 有机高分子絮凝剂的作用机理

1.2.1 聚合物吸附理论

1.2.2 聚合物架桥理论

1.2.3 静电作用理论

1.3 聚丙烯酰胺类絮凝剂

1.3.1 阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂

1.3.2 疏水缔合聚丙烯酰胺

1.3.3 阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺

1.4 阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺合成方法

1.4.1 自由基胶束聚合法

1.4.2 无皂乳液聚合法

1.5 表面活性单体

1.6 本课题的研究

1.6.1 本课题研究的目的及意义

1.6.2 本课题的设计方案

1.6.3 本课题研究内容

1.6.4 本课题研究的预期结果

2 P(AM-DMC-TFEMA)的合成

2.1主要化学试剂及仪器

2.2 P(AM-DMC-TFEMA)合成的原理

2.3 P(AM-DMC-TFEMA)合成的方案

2.4 P(AM-DMC-TFEMA)合成的方法

2.5 P(AM-DMC-TFEMA)的测定方法

2.5.1 P(AM-DMC-TFEMA)产率的测定

2.5.2 P(AM-DMC-TFEMA) 阳离子度的测定

2.5.3 絮凝性能的评价

2.6 结果与讨论

2.6.1 温度对P(AM-DMC-TFEMA)产率及阳离子度的影响

2.6.2 引发剂用量对P(AM-DMC-TFEMA)产率及阳离子度的影响

2.6.3 单体总质量分数对P(AM-DMC-TFEMA)产率及阳离子度的影响

2.6.4 十二烷基硫酸钠SDS用量对P(AM-DMC-TFEMA)的影响

2.6.5 反应时间对P(AM-DMC-TFEMA)的影响

2.7 响应面试验

2.7.1响应面试验设计

（1）回归模型的建立

（2）回归模型数据分析

（3）影响因素显著性分析

（4）回归模型的验证

2.8 P(AM-DMC-TFEMA)的表征

2.8.1 P(AM-DMC-TFEMA)的红外光谱分析

2.8.2 P(AM-DMC-TFEMA)的核磁共振氢谱分析

2.8.3 P(AM-DMC-TFEMA)的环境扫描电镜分析

2.9共聚物P(AM-DMC-TFEMA)溶液的性质

2.9.1聚合物P(AM-DMC-TFEMA)溶液的临界缔合浓度

2.9.2 聚合物 P(AM-DMC-TFEMA)溶液的表观粘度

2.10 絮凝性能的研究

2.10.1 阳离子单体加入量对硅藻土悬浊液透光率的影响

2.10.2 疏水单体加入量对硅藻土悬浊液透光率的影响

2.10.3 特性黏数对硅藻土悬浊液透光率的影响

2.10.4 不同类型聚合物的絮凝性能

2.11小结

3甲基丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵的合成

3.1主要原料试剂及仪器

3.2 DMBAC的合成原理

3.3 DMBAC合成的方法

3.4 结果与讨论

3.4.1 反应温度对DMBAC产率的影响

3.4.2 溶剂用量对DMBAC产率的影响

3.4.3 反应物摩尔比对DMBAC产率的影响

3.4.4 反应时间对DMBAC产率的影响

3.4.5 正交实验

3.5 结构表征

3.5.1 DMBAC的红外光谱分析

3.5.2 DMBAC的核磁共振氢谱分析

3.6 小结

P(AM-DMBAC-TFEMA)的合成

4.1主要原料试剂及仪器

4.2 P(AM-DMBAC-TFEMA)的合成原理

4.3 P(AM-DMBAC-TFEMA)的合成方案

4.4 P(AM-DMBAC-TFEMA)的合成方法

4.5 结果与讨论

4.5.1 温度对P(AM-DMBAC-TFEMA)产率的影响

4.5.2 引发剂用量对P(AM-DMBAC-TFEMA)产率的影响

4.5.3 单体总质量分数对P(AM-DMBAC-TFEMA)产率及阳离子度的影响

4.5.4 反应时间对P(AM-DMBAC-TFEMA)的影响

4.6 响应面法优化P(AM-DMBAC-TFEMA)的制备工艺

4.6.1响应面实验设计

4.6.2响应面实验结果分析

（1）回归模型的建立

（2）回归模型数据分析

（3）影响因素显著性分析

4.7 P(AM-DMBAC-TFEMA)的表征

4.7.1 P(AM-DMBAC-TFEMA)的红外光谱分析

4.7.2 P(AM-DMBAC-TFEMA)的核磁共振氢谱分析

4.7.3 P(AM-DMBAC-TFEMA)的环境扫描电镜分析

4.7.4 芘荧光光谱

4.8 絮凝性能的研究

4.8.1 Zeta电位

4.8.2 上清液透过率及沉降时间

4.8.3 絮体粒径与形貌的测试

（1）絮体粒径的测试

（2）絮体形貌的测试

4.9 小结

5聚合物对阴离子染料活性艳红X-3B的絮凝性能研究

5.1主要试剂及仪器

5.2絮凝性能研究

5.3 结果与讨论

5.3.1 温度对絮凝效果的的影响

5.3.2 pH对絮凝效果的影响

5.3.3 NaCl溶液浓度对絮凝效果的影响

5.3.4 絮凝剂投加量对絮凝效果的影响

5.3.5 聚合物对阴离子染料废水的脱色机理的研究

5.4 小结

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 建议

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及申请发明专利目录

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明