聚丙烯酰胺的合成和应用及其发展

1、聚丙烯酰胺（PAM）的合成和应用及其发展（专业：环境科学 班级：101班 姓名：张亚峰 学号：101505019） 摘要：本文主要介绍聚丙烯酰胺（PAM）的合成、应用及其发展。关键词：PAM 合成 应用 发展前言随着上世纪工业的迅速发展，资源等人类赖以生存的物质基础被大幅度地不合理利用或破坏，某些稀有资源线已出现枯竭的局面。步入二十一新世纪，全球经济飞速发展，致使人类社会所面临的人口增长、环境污染、资源匮乏等全球性问题日益趋于明显和严峻，并引发和激化了诸多方面的矛盾和危机，为了缓解或者解决这些问题，人们把希望寄托于科技。著有“百业助剂”之称的聚丙烯酰胺（Polyacrylamide, 简称PA

2、M）因其优良的性能和现阶段人们可以承受的经济水平，作为一类重要的具有多方面应用的絮凝剂、增稠剂、减阻剂、泥浆处理剂、表面活性剂、土壤改良剂、水土保湿剂、种子包衣剂、纸力增强剂等被广泛用于石油开采、水处理、纺织、造纸、选矿、医药、农业等行业。本文首先介绍PAM的合成，其次着重阐述PAM在上述行业方面的应用和发展。1 PAM概述聚丙烯酰胺是丙烯酰胺（AM）均聚或与其它单体共聚而成的含量在50%以上的线型水溶性高分子化学品的总称。聚丙烯酰胺有粉末状、胶体状和乳液状三种产品，无色无味、无臭，外观呈白色或微黄色，易溶于水，几乎不溶于苯、乙醚、酯类、丙酮等一般有机溶剂，其水溶液接近透明的粘稠液体，无毒、无

3、腐蚀性；固体PAM具有吸湿性，热稳定性良好，但在120以上会分解产生NH3、CO、H2 。由于单体丙烯酰胺 的化学性质非常活泼，因此可以在其双键及酰胺基处通过一系列的化学反应引入不同的官能基团，从而可以得到不同类型的聚丙烯酰胺。按其离子特性可分为阳离子型、阴离子型、非离子型、两性聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺的分子结构为： 结构式中的n值为2×1049×104，故聚丙烯酰胺分子量一般为1.5×1066×106，可分为低分子量、中分子量、高分子量和超高分子量聚丙烯酰胺。2 PAM的合成目前，国内外合成聚丙烯酰胺的方法普遍一致，其基本原理都是基于丙烯酰胺在引发剂的作

4、用下，发生自由基聚合反应, 生成聚丙烯酰胺。聚合方法按单体在介质中的分散状态分类主要有溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合。按单体和聚合物的溶解状态分类可分为均相聚合和非均相聚合。其中，丙烯酰胺的自由基聚合主要分为均相水溶液聚合法、反相乳液聚合法、悬浮聚合法等。聚合过程中采用的引发剂主要是一些键能较低（通常为100150kJ/mol）、易分解的化学物质（常见的有、(NH4)S2O8），它们可以在一些物理因素的作用下化学键发生断裂，产生自由基，进而与丙烯酰胺单体进行共聚或均聚反应生成聚丙烯酰胺。后期还可通过聚丙烯酰胺中特殊的酰胺基所具有的化学性质进行改性，引进羧基等基团形成其它类型的聚丙烯酰胺

5、。所涉及到的物理因素有各种辐射、光(可见光和紫外线)、超声波、磁。2.1 合成机制工业上最早采用并且沿用至今的生产方法是丙烯酰胺的溶液聚合法。溶液聚合是由单体、引发剂、溶剂组成的聚合体系。该法生产聚丙烯酰胺有较长的历史，由于其操作工艺简单，生产成本较低，操作安全方便，不必回收溶剂、环境污染少、且聚合物产率高、易获得高特性粘数聚合物等多重优点，迄今仍有不少生产厂家在沿用。下面以引发剂K2S2O8为例，通过化学反应方程式说明聚丙烯酰胺的溶液聚合反应过程。链引发阶段： 链增长阶段： 链终止阶段： 显然，聚丙烯酰胺的合成反应自由基反应。由于聚丙烯酰胺生产过程中的聚合热难以散去，使体系温度升高，为了获得

6、高分子量的产品，人们将适用于不同温度范围的引发剂复合使用，即所谓的复合引发。该体系既可降低聚合前期的引发温度，也可提高后期的聚合转化率。如：NaHSO3、CH3NaO3S2H2O。2.2 合成工艺流程PAM产品主要有水溶液胶体、粉末状和乳液三大剂型。但粉状PAM产品因其使用、贮存和运输方便等原因，目前为国内外所普遍使用。其一般生产工艺流程可用下图表示：3 PAM的应用3.1 阳离子型聚丙烯酰胺的应用1用于水处理：污泥脱水时，可根据污泥性质选用不用型号的阳离子型聚丙烯酰胺，它具有絮团大，不粘滤布，压滤时不散，泥饼较厚，脱水率高，泥饼含水率低等优点，处理效率很高；处理生活污水和有机废水，由于阳离子

7、型聚丙烯酰胺在酸性或碱性介质中均呈正电性，而生活污水和有机废水通常呈负电性，因此用阳离子型聚丙烯酰胺要比用阴离子、非离子型聚丙烯酰胺效果高数倍甚至数十倍；在净化以江河水作水源的自来水时，用量少，效果好，成本低，特别是和无机絮凝剂共同使用效果更好，因此它将有望成为净化长江、黄河及其它流域的自来水厂的高效絮凝剂。2用于造纸业：造纸用其作为增强剂或助剂，以提高填料、颜料等存留率，降低原材料的流失和对环境的污染；同时，它还可以提高纸张的强度和抗撕性以及多孔性。3用于纺织业：可以使上浆剂、浆液性能稳定，降低，织物断头率低、改善织物布面光洁程度。3.2 阴离子型聚丙烯酰胺的应用1工业废水处理：对于悬浮颗粒

8、，粒径较大、浓度高的带正电粒子, pH呈中性或碱性的污水，钢厂废水，电镀厂废水和冶金废水以及洗煤废水等污水的处理效果好。 2饮用水处理：一般选用阴离子聚丙烯酰胺为宜。我国很多自来水厂的水源来自江河，泥沙及矿物质含量高，比较浑浊，虽经过沉淀过滤，但仍不能达到要求，还需投加阴离子聚丙烯酰胺作絮凝剂以提高饮用水水质。3流失淀粉和蛋白的回收：现在很多淀粉厂的废水内含淀粉很多，投加阴离子聚丙烯酰胺，使淀粉微粒絮凝沉淀，然后将沉淀物经压滤变成饼状，可作饲料；阴离子聚丙烯酰胺还用于饲料蛋白的回收、质量稳定、性能好，回收的蛋白粉对鸡的成活率提高和增重、产蛋无不良影响。4造纸助剂：造纸行业中阴离子聚丙烯酰胺作烧

9、碱液的澄清，纤维分散剂，可改善打浆度，填料助留剂，纸张增强剂，亦可用于提高滤水率和清水才回收。在造纸前泵口式储浆池中加入微量阴离子聚丙烯酰胺可使水中填料与细小纤维在网上存留提高2030%，每吨可节约纸浆2030kg。 5油田三次采油的驱油剂：阴离子聚丙烯酰胺可以调节注入水的流变性，增加驱动液的粘度，改善水驱波及效率，降低地层中水相渗透率，使水和油能匀速地向前流动。在石油开采方面主要用于油田的三次采油，相关数据表明：每注入一吨高分子聚丙烯酰胺产品，可多采原油100150吨左右。 6钻井泥浆材料：在油田的勘探开发及地质、水利、煤炭的勘探中，阴离子聚丙烯酰胺用作钻井泥浆材料的添加剂，可以增加钻头的使

10、用寿命，提高钻速和进尺，减少换钻时的堵塞，防井塌效果明显。此外，它还可作油田的压裂液及调剖堵水的堵水剂。3.3 非离子型聚丙烯酰胺的应用1. 主要用作絮凝剂：由于其分子链中含有一定量的极性基团，可以吸附水中的悬浮颗粒，使原先分散的小颗粒间形成整体粒径较大的絮凝体，加快水中分散小颗粒的沉降速度，促进过滤等效果。广泛应用于化学工业废水、废液的处理和市政污水的处理，尤其当污（废）水呈酸性时，采用本产品更为适宜。与无机絮凝剂铁盐、铝盐配合使用效果更好。2. 用于石油工业：用于采油、钻井过程中产生的泥浆的处理；同时，防止水窜、降低摩阻、提高采收率、促进三次采油。3用于纺织工业：在纺织化学上浆料时，非离子

11、型聚丙烯酰胺可以增强物料的附着力，而且这种情况下纺织品也不会有静电作用，因此，它可以降低纺织品的断头率，提高上浆率，改善表面光洁程度。4用于造纸工业：一是提高填料、颜料等的存留率，以降低原材料的流失和对环境的污染；二是提高纸张的强度（包括干强度和湿强度）；三是提高纸张的抗撕性和多孔性，以改进视觉和印刷性能。主要用于牛皮纸、地图纸、广告纸和食品、茶叶包装纸。3.4 两性聚丙烯酰胺的应用两性聚丙烯酰胺分子内兼有阳离子和阴离子，它除了具备一般阴、阳离子絮凝剂的特点外，而且使用pH范围广，表现了更优异的性能。1. 金属离子吸附剂：两性高分子聚丙烯酰胺分子内的阴、阳离子基团能与金属离子发生螯合作用,而在

12、等电点时又可将其释放出来,利用此性质可将金属离子分离回收。因此，它可以作为金属离子吸附剂来回收利用工业废水中的金属离子及筛选矿石中的金属。2. 油田领域：两性聚丙烯酰胺可作为油田调剖堵水剂，与交联剂、稳定剂、促凝剂联合作用，生成具有重要聚合凝胶和树脂凝胶的高强凝剂胶堵水剂。它通过吸附、物理堵塞等作用堵塞地层孔隙和裂缝，调整比例，可控制凝胶时间，以适应不同地质清况。还可用作钻井液的增稠剂、泥浆的降粘剂、降滤失剂和驱油剂等。3. 水处理方面：两性聚丙烯酰胺因其具有较高的滤水量，较底的滤饼含水率等优良性质，可用于污泥脱水和各种含油污水、有机污水、无机污水、复杂污水的处理。4. 其他方面：两性聚丙烯酰

13、胺也可应用于高吸水性树脂、皮革复鞣剂、表面活性剂和土壤改良等方面。4 PAM的发展与研发4.1 我国PAM的发展状况 目前, 我国PAM的生产与国外先进水平相比，在专用性产品和各类不同基团共聚接枝改性衍生物的品种、数量和性能上有较大的差距, 在工业生产及科技水平总体上还比较落后，主要表现在: 1. 总体规模小，单机生产能力低以美国、西欧、日本为主的工业发达国家同行业企业PAM生产能力达几万吨, 如美国赛特公司达5万吨。英国联合胶体公司为2.5万吨, 日本日东化学公司为2万吨。PAM生产规模为40000吨/年左右。而我国PAM的总生产能力仅1万吨左右。最大生产厂家的生产规模也只有500吨/年，且

14、由多条生产线组成。 2. 技术水平低具体表现在产品品种少、质量较低，国外先进PAM生产厂家有乳液、水溶液、悬浮液、粉状及珠状等多种形式的产品，产品分子量超过1800万,性能优越,而我国PAM工业化生产的产品主要是粉末状和胶体状。分子量一般在600万以下,个别达1000万以上的,其分子量分布范围较宽, 抗矿化度及耐温耐剪切能力低。3. 技术经济指标落后我国PAM生产的劳动生产率为0.5吨/人，每吨产品消耗电约10001500kW·h，而国外先进水平分别为660吨/人和500 kW·h。总之, 正因为我国PAM 生产企业存在着多方面的问题, 产品剂型少,分子量不高,总体水平低。

15、因此迅速提高PAM 的生产,技术经济水平已成为时代发展的迫切需要。4.2 PAM的发展前景纵观PAM的发展历程和本文对其在生产实践中的应用，我们可以很明显的看出PAM几乎被广泛应用于工业各方面，而且随着经济迅速发展的推动和国内日益渐增消费需求的刺激，在未来的生产实践中仍然会扮演越来越重要甚至不可替代的作用。据有关数据显示，2012年我国PAM的主要应用领域为石油开采、水处理、造纸、高吸水性树脂、冶金和洗煤等。其消费结构为：石油开采占81%、水处理占9%、造纸占5%、矿山占2%,其他占3%。不难看出石油开采是目前我国PAM最大的消费领域，其次是水处理领域，而我国城市污水处理率不足30%，工业水的

16、重复利用率为60%，工业废水处理率为77%，与发达国家相比差距很大。因此，PAM作为絮凝剂在我国城市污水处理以及化工、冶金、造纸、印染、制糖、味精、煤炭、建材等行业的废水处理的用量将不断增加，在高吸水性树脂、水泥增强剂、粘合剂、皮革复鞣剂等领域也会不断增加。预计，20122018年，PAM在石油开采、采矿、造纸及水处理四大应用的市场将以7.2%的年均增长率持续增长。4.3 PAM研发及应用的几点建议1. 大力开发高分子量，低残留、速溶的PAM产品，使其尽可能地实现多样化、无毒化。 2. 应尽快提高生产规模，形成规模效应。3. 大力开发各种专用性强的产品，如适用于高温高矿化度油田以及三次采油技术

17、。4. 深入研究PAM的应用技术。5 结束语 通过对本课程的学习和写该论文过程中查阅相关资料，我深深意识到科学技术对生产实践，尤其是工业领域的重要性；可以说，科学技术才是一个国家硬实力的真正体现，在一定程度上，它的发展水平决定着一个国家的经济是否能走上良性、稳定、持久发展的道路。即使仅仅是科学上的一点突破，倘若能转换成社会需要的，并在现有经济条件下能为大众所接受的某种技术或产品，势必会促进国家的发展和强大。尽管我国是世界上PAM的消费大国，但限于现阶段的科学技术和生产水平，迄今为止，国内生产的PAM产品却不能满足特殊领域的要求和需求。因此，我国应加大在科技方面的投资，潜心自主创新、求真务实、实事求是地投入科学研究；同时，积极加强与发达国家的交流与合作，共同攻克科学难题，共同研发新技术，为国家的长期发展