申请日2007.03.30
公开(公告)日2009.07.22
IPC分类号C02F11/14; C08F220/56; C08F4/40; C08J3/12
摘要
一种阳离子污泥脱水剂的合成方法，涉及阳离子型污泥脱水剂的合成方法。本发明是在两种反应单体丙烯酰胺和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液中，先通过缓冲溶液调节反应体系的pH值，再用氧化还原复合引发剂引发聚合反应，在一定温度下经聚合反应而成。由于本发明具有方法简单、操作简便、反应条件温和、生产安全、生产成本低、无二次污染、有利于环境保护等特点。采用本发明方法制备出的聚合物分子量高达300万～400万、阳离子度为10%～30%，脱水效果好，故可广泛应用于化工、石油等行业的污水、污泥处理，特别适用于城镇污水厂生活污泥的脱水处理。
权利要求书
1、一种阳离子污泥脱水剂的合成方法，其特征在于具体的方法步骤如下：
(1)依次加药并搅拌均匀
在常压下，在现有配有搅拌设备和恒温设备及至少有三个加料口的装置中，依次进行下 列操作：
①在引发温度为25℃～40℃的恒温水浴条件下，先加入去离子水、单体丙烯酰 胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液，并搅拌均匀，配制出总单体的质量浓度为10%～35% 的单体水溶液，其两种单体丙烯酰胺与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔配比为2～7∶1;
②在第(1)-①步完成后，在第(1)-①步配制出的单体水溶液中，加入缓冲溶液， 并搅拌均匀，调节体系的pH值为6～7.5;
③在第(1)-②步完成后，先加入质量浓度为0.075%～0.15%的氧化剂过硫酸盐溶 液，搅拌均匀，同时充入99.99%的高纯氮气8min～15min，后快速滴加质量浓度为0.025%～ 0.067%的还原剂亚硫酸盐或亚硫酸氢盐溶液，同时搅拌均匀，密封，静置反应，其中，氧化还 原复合引发剂的过硫酸盐与亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的质量比为1.5～3.5∶1;
(2)进行聚合反应
完成第(1)步后，在25℃～40℃温度下，进行聚合反应2.5h～4.5h，制得无色透明 的阳离子聚丙烯酰胺粘稠胶体;
(3)制备阳离子聚丙烯酰胺固体粉末
在第(2)步完成后，对第(2)步制得的无色透明的阳离子聚丙烯酰胺粘稠胶体，先切 割成小块，再用甲醇或丙酮或无水乙醇反复洗涤2～3次，然后将洗涤后的白色块状物在真空 度为0.008MPa～0.010MPa，温度为40℃～50℃下进行真空干燥，最后经研磨成分子量为300 万～400万、阳离子度为10%～30%的阳离子聚丙烯酰胺白色固体粉末。
2、按照权利要求1所述的一种阳离子污泥脱水剂的合成方法，其特征在于一种阳离子污 泥脱水剂的合成方法的具体步骤如下：
(1)依次加药并搅拌均匀
在常压下，在现有配有搅拌设备和恒温设备及至少有三个加料口的装置中，依次进行下 列操作：
①在引发温度为35℃的恒温水浴条件下，先加入去离子水、单体丙烯酰胺、丙烯 酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液，并搅拌均匀，配制出总单体的质量浓度为20%的单体水溶液， 其两种单体丙烯酰胺与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔配比为2∶1;
②在第(1)-①步完成后，在第(1)-①步配制出的单体水溶液中，加入缓冲溶液， 并搅拌均匀，调节体系的pH值为7.5，其缓冲溶液为磷酸二氢钠-磷酸氢二钠;
③在第(1)-②步完成后，先加入质量浓度为0.10%的氧化剂过硫酸盐溶液，搅拌 均匀，同时充入99.99%的高纯氮气10min，后快速滴加质量浓度为0.067%的还原剂亚硫酸 盐或亚硫酸氢盐溶液，同时搅拌均匀，密封，静置反应，其中，氧化还原复合引发剂的过硫酸 盐与亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的质量比为1.5∶1，复合引发剂为过硫酸铵-亚硫酸氢钠;
(2)进行聚合反应
完成第(1)步后，在35℃温度下，进行聚合反应2.5h，制得无色透明的阳离子聚丙 烯酰胺粘稠胶体;
(3)制备阳离子聚丙烯酰胺固体粉末
在第(2)步完成后，对第(2)步制得的无色透明的阳离子聚丙烯酰胺粘稠胶体，先切 割成小块，再用甲醇或丙酮或无水乙醇反复洗涤2次，然后将洗涤后的白色块状物在真空度为 0.009MPa，温度为45℃下进行真空干燥，最后经研磨成分子量为300万、阳离子度为30%的阳 离子聚丙烯酰胺白色固体粉末。
3、按照权利要求1所述的一种阳离子污泥脱水剂的合成方法，其特征在于一种阳离子污 泥脱水剂的合成方法的具体步骤如下：
(1)依次加药并搅拌均匀
在常压下，在现有配有搅拌设备和恒温设备及至少有三个加料口的装置中，依次进行下 列操作：
①在引发温度为40℃的恒温水浴条件下，先加入去离子水、单体丙烯酰胺、丙烯 酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液，并搅拌均匀，配制出总单体的质量浓度为10%的单体水溶液， 其两种单体丙烯酰胺与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔配比为7∶1;
②在第(1)-①步完成后，在第(1)-①步配制出的单体水溶液中，加入缓冲溶液， 并搅拌均匀，调节体系的pH值为6，其缓冲溶液为氢氧化钠-磷酸二氢钠;
③在第(1)-②步完成后，先加入质量浓度为0.15%的氧化剂过硫酸盐溶液，搅拌 均匀，同时充入99.99%的高纯氮气15min，后快速滴加质量浓度为0.043%的还原剂亚硫酸 盐或亚硫酸氢盐溶液，同时搅拌均匀，密封，静置反应，其中，氧化还原复合引发剂的过硫酸 盐与亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的质量比为3.5∶1，复合引发剂为过硫酸钾-亚硫酸钠;
(2)进行聚合反应
完成第(1)步后，在40℃温度下，进行聚合反应4.5h，制得无色透明的阳离子聚丙 烯酰胺粘稠胶体;
(3)制备阳离子聚丙烯酰胺固体粉末
在第(2)步完成后，对第(2)步制得的无色透明的阳离子聚丙烯酰胺粘稠胶体，先切 割成小块，再用甲醇或丙酮或无水乙醇反复洗涤3次，然后将洗涤后的白色块状物在真空度为 0.010MPa，温度为50℃下进行真空干燥，最后经研磨成分子量为400万、阳离子度为10%的阳 离子聚丙烯酰胺白色固体粉末。
说明书
一种阳离子污泥脱水剂的合成方法
一、技术领域
本发明属于污泥脱水剂的合成技术领域，特别涉及阳离子型污泥脱水剂的合成方法。
二、背景技术
近年来，随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断增长，而 在城镇污水处理过程中，会产生大量的污泥，其数量约占处理水量的0.3%～0.5%(体积)，污 泥中通常含有大量的有毒有害物质(如有机残片、寄生虫卵、细菌、无机颗粒、重金属等)、 植物营养素(如氮、磷、钾)、有机物和水分等。污泥颗粒细小，呈絮状及胶状结构，比重小， 不易下沉、压实，含水量高而不易脱水;稳定性差容易腐化发臭，若不及时处理会造成严重 环境污染。
正常情况下，污泥中水分含量高达95%～97%，导致污泥有巨大的容积，这给污泥的后续 处理带来很大困难。因此，在污泥正式处理之前进行脱水处理是必不可少的。而投加絮凝剂 因操作简单、效果好而成为比较常用的污泥调质脱水方法。实践证明，采用阳离子高分子絮 凝剂对污泥进行调质，通过电中和及吸附架桥作用，与污泥颗粒结合，减少污泥与水的亲和 力，改变污泥中水分子的存在形式，使污泥形成颗粒大、空隙多和结构强的滤饼以利于后续 脱水处理。
目前，我国城镇污水处理厂的污泥脱水絮凝剂多为有机阳离子高分子絮凝剂。这些有机 高分子污泥脱水絮凝剂几乎都从国外进口，如：欧洲的气巴公司和日本的三菱公司等。这些 进口污泥脱水絮凝剂，价格很高;而且，脱水效能还有待改进，以适应当地的污水水质。目 前，随着我国环境治理力度的加大，城镇污水处理厂大量兴建，污泥脱水絮凝剂需求呈爆炸 性增长趋势。因此，城镇污水厂污泥脱水絮凝剂急需国产化，急需进行技术创新，获得自主 知识产权，以降低城镇污水处理厂污泥处理成本。
目前，城镇污水厂使用较多的阳离子污泥脱水絮凝剂是丙烯酰胺的共聚物或改性物。主 要有以利用二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)和丙烯酰胺(AM)共聚、利用甲基丙烯酰氧乙基 三甲基氯化铵(DMC)或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)和丙烯酰胺(AM)共聚两种。本发明涉 及的是不同聚合条件下丙烯酰胺单体(AM)和阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)的 共聚，通过一系列聚合条件的优化组合，最终合成一种应用效果优异、适应当地的污泥特性， 以降低处理成本。
高分子污泥脱水剂是一类重要的功能高分子，其特征为高分子骨架上带有-COO-， -CONH2，-NH-等活性基团，它们所产生的氢键吸附作用，将许多污泥小颗粒吸附起来，形成 更大的颗粒。因此实现对污泥与水的较好分离。作为脱水剂使用的高分子污泥脱水剂，可以 分成两类：一类是通过共聚反应使阳离子基团与丙烯酰胺的加成反应;另一类是聚丙烯酰胺 的改性反应，在活性基团位置引入阳离子基团。一般来说前者更易制备大分子量的聚合物， 且合成过程简单，易操作，条件温和，聚合环境毒害小。
现有阳离子污泥脱水剂的合成方法，是以丙烯酰胺为原料，通过与阳离子化合物的共聚 或改性反应获得。如公开号为CN1769221A的专利“污泥脱水剂及其制备方法”，是以阳离 子或非离子聚丙烯酰胺、甲醛、有机胺、新鲜水为原料，辅以螯合剂、反应促进剂、终止剂， 通过无机碱调节其pH值，在一定温度下反应制得胺甲基聚丙烯酰胺为主要成分的胶体水溶 液。该方法的主要不足之处是：反应成分较多，含有毒挥发成分(如甲醛、有机胺等)，存 在二次污染的问题，不利于环境保护;反应过程复杂，生产成本相对较高;不易得到高分子 量的聚合物，阳离子度也不易控制;该脱水剂对于石油等工业上含油较多的污泥有好的脱水 效果，而对城镇污水厂生活污泥或其他工业上含油不多的污泥处理效果不佳，不利于推广应 用。
三、发明内容
本发明的目的是针对现有的阳离子污泥脱水剂合成方法的不足之处，提供一种阳离子污 泥脱水剂的合成方法，该方法具有合成时间短、省工省时、生产成本低;操作简便、反应条 件温和、易控制、生产安全;便于工业生产及推广应用等特点。
采用本发明方法制备出的阳离子污泥脱水剂是一种阳离子聚合物，其分子结构式为：
分子量为300万～400万，阳离子度为10%～30%，制备过程中加入的未反应物质可以 作为脱水剂的一部分，实际应用中可以不必分离。
本发明的目的是这样实现的：一种阳离子污泥脱水剂的合成方法，在两种单体丙烯酰胺 (AM)和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)水溶液中，先通过缓冲溶液调节反应体系的pH值， 再用氧化还原复合引发剂引发聚合反应，在一定温度下经聚合反应而成。其具体步骤如下：
(1)依次加药并搅拌均匀
在常压下，在配有搅拌设备和恒温设备及至少有三个加料口的装置中，依次进行下列操 作：
①在引发温度为25℃～40℃的恒温水浴条件下，先加入去离子水、单体丙烯酰胺 (AM)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)水溶液，并搅拌均匀，配制出总单体的质量浓度(指 单体质量占体系总质量的百分比)为10%～35%的单体水溶液。其两种单体丙烯酰胺与丙烯酰 氧乙基三甲基氯化铵的摩尔配比为2～7∶1。
②在第(1)-①步完成后，在第(1)-①步配制出的单体水溶液中，加入缓冲溶液，并 搅拌均匀，调节体系的pH值为6～7.5。其缓冲溶液为氢氧化钠-磷酸二氢钾或氢氧化钾-磷酸 二氢钾或氢氧化钠-磷酸二氢钠或磷酸二氢钠-磷酸氢二钠等。
③在第(1)-②步完成后，先加入质量浓度为0.075%～0.15%(指氧化剂固体质量占体 系总质量的百分比)的氧化剂过硫酸盐溶液，搅拌均匀，同时充入99.99%的高纯氮气8min～ 15min。后快速滴加质量浓度为0.025%～0.067%(指还原剂固体质量占体系总质量的百分比) 的还原剂亚硫酸盐或亚硫酸氢盐溶液，同时搅拌均匀，密封，静置反应。其中，氧化还原复合 引发剂的过硫酸盐与亚硫酸酸盐或亚硫酸氢盐的质量比为1.5～3.5∶1。复合引发剂为过硫 酸铵-亚硫酸钠或过硫酸铵-亚硫酸钾或过硫酸铵-亚硫酸氢钠或过硫酸钾-亚硫酸钠等。
(2)进行聚合反应
完成第(1)步后，在25℃～40℃温度下，进行聚合反应2.5h～4.5h，制得无色透明 的阳离子聚丙烯酰胺粘稠胶体。
(3)制备阳离子聚丙烯酰胺固体粉末
在第(2)完成后，对第(2)步制得的无色粘稠胶体，先用切割成小块，再用甲醇或丙 酮或无水乙醇反复洗涤2～3次，然后将洗涤后的白色块状物在真空度为0.008MPa～0.010MPa， 温度为40℃～50℃下进行真空干燥，最后经研磨成分子量为300万～400万、阳离子度为 10%～30%的阳离子聚丙烯酰胺白色固体粉末。
本发明采用上述技术方案后，主要具有以下特点：
1.脱水效果好。采用本发明制备的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)污泥脱水剂，依靠分子 上的-COO-，-CONH2，-NH-等活性基团所产生的氢键吸附作用，将许多污泥小颗粒吸附起 来，形成更大的颗粒。当较大的絮团形成时，又会产生所谓的“网捕”效应，带动其他未絮凝的 颗粒一起絮凝，从而与污泥中的水较好的分离。经应用性能实验证明，本发明制备的产品对 城镇污水厂的生活污泥有较好的脱水效果。
2.能制备出高分子量的聚合物。采用本发明方法能制备出分子量高达300万～400万、 阳离子度为10%～30%的阳离子聚丙烯酰胺聚合物。
3.有利于环境保护。采用本发明方法制备的脱水剂，反应成分少，不含挥发性有毒物 质，无二次污染，这既节约了资源，降低了生产成本，又有利于环境保护。
4.本发明方法简单、省工省时、进一步降低生产成本。本发明方法操作简便、反应条件 温和、易控制、生产安全，便于工业生产及推广应用。
本发明可广泛应用于化工、石油等行业的污水、污泥处理，特别适用于城镇生活污泥的 脱水处理。