摘要：煤泥水處理是選煤廠生產過程中非常重要的環(huán)節(jié)，而通過添加高分子絮凝劑處理煤泥水是目前應用較廣泛的方法。本文通過對聚丙烯酰胺溶解性能影響因素進行研究，根據(jù)其作用機理以實現(xiàn)對選煤廠煤泥水處理的理論指導。

隨著選煤廠洗水閉路循環(huán)和環(huán)境保護要求的日益提高，煤泥水處理成為選煤廠生產過程中非常重要的環(huán)節(jié)，而通過添加高分子絮凝劑處理煤泥水是目前應用較廣泛的方法。高分子絮凝劑中應用較多的是粉劑型聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺是一種無定形的水溶性高分子聚合物，它在工業(yè)和農業(yè)中應用廣泛，并且人們在共聚化合物、催化化學、生物醫(yī)學等基礎研究領域對它的性質和應用進行了探索和研究。由于聚丙烯酰胺在水懸浮液中有較好的絮凝作用，因此廣泛應用于水處理、造紙和采礦等領域，部分水解的聚丙烯酰胺還應用于油田三次采油的聚合物驅油中，是目前應用較廣泛的高分子絮凝劑之一。

一、 聚丙烯酰胺的物理化學性質

聚丙烯酰胺因使用及合成方法的不同分為膠狀、固體、粉末等形態(tài)。聚丙烯酰胺不溶于大多數(shù)有機溶劑，能以任意比例溶于水，無毒性，熱穩(wěn)定性強于其他聚電解質。由于PAM分子鏈上含酰胺基及其它離子基團，故具有顯著的親水性。聚丙烯酰胺溶液的物理性質包括絮凝性、穩(wěn)定性和流動性。其中PAM具有絮凝作用是因為其較長的分子鏈結構，含有的酰胺基可與其他物質吸附、親和形成氫鍵，使PAM與被吸附離子架橋，形成絮團，加快顆粒的沉降速度。在聚丙烯酰胺溶液中加入陽離子電解質溶液時，粘度會迅速增加。聚丙烯酰胺由于分子鏈上的酰胺基較為活潑，它能發(fā)生多種化學反應，例如：交聯(lián)反應、水解反應、羥甲基化反應、霍夫曼降解反應、胺甲基化反應等。如果需要具有特定功能的衍生物可以通過這些反應得到，但是由于鄰近基團效應，反應不能進行完全。

二、聚丙烯酰胺溶解特性及絮凝作用機理

2.2.1 溶解特性

聚丙烯酰胺與聚乙烯主鏈結構相似，側鏈含有很多-CONH2，因此排列不規(guī)則。由于-CONH2的生成氫鍵能力和極性，使PAM分子鏈柔順性低，玻璃化溫度高。通常PAM的溶解溫度低于玻璃化溫度，即玻璃態(tài)溶解。聚丙烯酰胺放入水中，水分子先進入聚合物的縫隙和酰胺基水合，隨著水分子的逐漸擴散，聚合物被塑化形成凝膠層。聚合物與水接觸的表面，大量水分子的作用削弱了聚丙烯酰胺分子鏈之間的作用力，分子鏈被水分子分開后，就進入溶液。由于聚丙烯酰胺有較長的分子鏈結構，水分子會水合部分鏈段使其處于自由狀態(tài)，其余部分鏈段未被完全水合。處于自由狀態(tài)的鏈段漂浮在聚合物的表面形成液體層；透過液體層就進入由于吸附水分子而被塑化的聚丙烯酰胺凝膠層。凝膠層下面的聚丙烯酰胺仍吸附著一定量的水分子。水的滲入使大分子鏈活動能力增加，聚丙烯酰胺玻璃化溫度降低，聚丙烯酰胺吸附水后使玻璃化溫度降低到和溶解溫度相等的位置，聚丙烯酰胺吸附水的量剛好就是凝膠層的下限。玻璃態(tài)聚丙烯酰胺內存在許多細小的縫隙和孔穴，滲透前沿的水分子不用開孔穴就能進入聚丙烯酰胺，此擴散層為滲透層；聚丙烯酰胺因擴散而被吸附的水分子逐漸減少，使其玻璃化溫度逐漸升高，一直達到聚丙烯酰胺的固有玻璃化溫度，此層稱作固體溶脹層。聚丙烯酰胺中-CONH2的成氫鍵能力未達到飽和時，和水接觸仍有形成氫鍵傾向，表現(xiàn)為強的快速溶脹和吸水性。當吸水達到剩余成氫鍵能力趨于飽和后，-CONH2之間的締合被水分子的締合取代，溶脹的凝膠層轉成液體層，最終完全溶解。-CONH2之間的締合在水中是比較穩(wěn)定的，而溶解需破壞所有分子鏈之間-CONH2的締合，因而是很慢的。-CONH2的強成氫鍵能力有利于溶脹，對溶解則是障礙。所以聚丙烯酰胺的溶解行為表現(xiàn)為溶脹較快，溶解緩慢的過程。極性聚合物聚丙烯酰胺的溶解過程是非穩(wěn)態(tài)過程，溶解過程可用以下方程式表述：

2S +W =DS /δ

這一關系式對聚合物溶解過程的描述具有更普遍的適應性。式（2-1）中W為溶脹速度，S為溶解速度，δ為溶脹表面層厚度，DS為平均擴散系數(shù)。

2.2.2 絮凝作用機理

1、壓縮雙電層

帶同號電荷的膠粒之間存在著ζ電位引起的靜電斥力和范德華引力。當膠粒之間距離較遠時，庫侖力占優(yōu)勢，合力為斥力，顆粒間互相排斥，膠體將保持穩(wěn)定。當膠粒之間距離很近時，范德華力占優(yōu)勢，合力為引力，兩個顆?？梢曰ハ辔z體脫落。在水處理中通常是向水中投加電解質使膠體凝聚。壓縮雙電層作用是當投入電解質后，水中與膠粒上反離子具有相同電荷的離子濃度增加了。這些離子可以與膠粒吸附的反粒子發(fā)生交換或擠入吸附層，使膠粒帶電荷數(shù)減少，降低ζ電位，并使擴散層厚度縮小。

2、吸附電中和作用

膠粒表面對異號膠粒、異號離子或帶異號電荷的鏈狀高分子有強烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了它的全部或部分電荷，減少了靜電斥力，從而容易與其它顆粒接近而互相吸附，這種作用稱為吸附電中和作用。

3、吸附架橋作用

吸附架橋作用是投加的化學藥劑具有能吸附膠粒的鏈狀高分子聚合物，或者兩個同號膠粒吸附在同一個異號膠粒上，膠粒間就能團聚、連結成絮凝體而被除去。

4、網捕作用

網捕作用是向水中投加含金屬離子的化學藥劑后，由于金屬離子的聚合和水解會與水中的膠粒晶核形成膠體沉淀物；或者在這種沉淀物從水中析出的過程中，會網捕和吸附膠粒共同沉降下來。聚丙烯酰胺的絮凝機理與小分子有所不同，不僅與電荷作用有關，而且與其長鏈特性有關系。長鏈的高分子一部分被吸附在膠體顆粒表面，另一部分被吸附在另一顆粒表面，這好像架橋一樣把這些膠體顆粒連接起來，從而發(fā)生絮凝沉降。

綜上，煤泥水處理在選煤行業(yè)中一直是一個重要課題，而聚丙烯酰胺則因為其特殊的性能在煤泥水處理行業(yè)中得到了廣泛的應用，并具有舉足輕重的地位，只有對聚丙烯酰胺溶解性能影響因素進行充分研究才能更好的發(fā)揮其在煤泥水處理過程中的作用，最終實現(xiàn)對煤泥水處理的優(yōu)化研究。

2.3.1 聚丙烯酰胺顆粒粒徑的影響

由于溶解是固-液體系相互擴散的過程，表面積和擴散量成正比；顆粒大小和溶質表面積 A 關系式如下：

A= 6W/（ρd ）

式（2-2）中ρ為密度，W為重量，d為顆粒直徑，A為溶質總表面積。溶解速度S是指單位面積上的溶解速度，而單位時間溶解量G是總表面上的溶解速度。前人研究推導得出，顆粒直徑d和溶解速度S經驗關系式為S與d的1.5次方成反比。單位時間溶解量G與顆粒直徑d的 2.5次方成反比。

2.3.2 聚丙烯酰胺分子量的影響

聚丙烯酰胺的分子鏈和分子量越大，所含的-CONH2形成的氫鍵交聯(lián)點越多，因此聚合物分子量越大溶解越困難。高分子量的聚丙烯酰胺溶解速度較慢是由于聚丙烯酰胺分子只有完全自由狀態(tài)下才能溶解，增加了溶解難度。因為聚丙烯酰胺的分子鏈越長，其分子量越大，能吸附的顆粒也就越多，因此目前生產的都是大分子量的聚丙烯酰胺，把分子量降低來提高溶解速度是不符合實際需要的。因此，如何既制備出高分子量又能快速溶解的聚丙烯酰胺是目前主要研究的熱點。

2.3.3 攪拌器轉速的影響

攪拌器轉速越大溶解速度越快，但由于聚丙烯酰胺屬于有機高分子化合物，分子鏈很長，攪拌器轉速過快會造成其分子鏈的斷裂，使高分子降解，影響其使用效果。因此根據(jù)聚丙烯酰胺的特性選擇合適的攪拌器轉速是非常關鍵的。不同特性的聚丙烯酰胺所對應較佳的攪拌速度也不同，應通過大量實驗測得。溶解時應盡量避免對聚合物溶液強烈攪拌，導致其分子鏈被剪切降解。

2.3.4 溶解溫度的影響

溶解時配制溶液所用水的溫度與聚丙烯酰胺溶解性能也有著密切的關系，溶解聚丙烯酰胺的水溶液溫度越高，其溶解速度越快，溶解溫度與溶解時間成正比例關系。但溶解溫度過高，也會影響溶解后絮凝劑的使用效果，因為溫度太高，使絮凝劑分子量明顯降低，分子量降低會直接影響其吸附架橋的煤泥顆粒的量。較佳的溶解溫度也應通過實驗予以確定，在不破壞聚丙烯酰胺分子結構的情況下，提高其溶解速度。通過大量文獻研究，聚丙烯酰胺的溶解溫度一般在 40～60℃ 之間。

2.3.5 溶解裝置結構和材料的影響

聚丙烯酰胺粉末加入溶解裝置內進行溶解，裝置設計是否合理直接影響到聚丙烯酰胺的溶解效果。溶解裝置的外部形狀和結構尺寸都需要科學合理的設計，才能使絮凝劑溶解的更快、更充分。前面提到現(xiàn)場中將溶解裝置設計成方形，但使用時發(fā)現(xiàn)，方形溶解裝置的底部存在死角，常堆積著未被溶解的團塊，這樣不僅浪費藥劑，也影響了進一步投加后煤泥水的處理效果。而且通過大量研究發(fā)現(xiàn)，溶解裝置內部附件也會對聚丙烯酰胺溶解性能產生影響，通常應該在四周加擋板提高攪拌器的效率。還有攪拌器離裝置底部的距離和攪拌器槳葉的選擇，這些因素都會影響裝置內部的流場，進而影響溶解效果。后面我們將會具體介紹其影響規(guī)律，并通過大量實驗結合數(shù)值模擬來研究其較佳設計參數(shù)。由于鐵離子可以使聚丙烯酰胺催化降解使絮凝性能降低。因此，在制造溶解裝置時應選擇適合的材料，如：塑料、不銹鋼、玻璃鋼等。

2.3.6 配制溶液水質的影響

聚丙烯酰胺溶解時需要大量的水，而由于聚丙烯酰胺的分子特性，溶解時同樣吸附水中的顆粒雜質，在其外部形成一層保護層阻礙絮凝劑內部充分溶解。因此，絮凝劑溶解所用的水應該是不含顆粒的清水，否則會影響聚丙烯酰胺的溶解性能。研究發(fā)現(xiàn)：水中的雜質的確可以影響絮凝劑的溶解速度，水質不好，絮凝劑溶液投加后沉降效果降低。所以絮凝劑溶液配制時需要使用不含大量離子的低硬度水，切勿使用循環(huán)水等含有雜質的水。

2.3.7 分散預溶裝置的影響

由于聚丙烯酰胺溶解較難，通常聚丙烯酰胺進入溶解裝置之前需要先分散預溶，目的是先將聚丙烯酰胺顆粒和水充分接觸，使其顆粒在水中均勻分散，分散越好，溶解速度越快，避免大量直接投加造成顆粒堆積影響溶解性能。分散預溶方法會大大提高絮凝劑的溶解時間，因此目前被選煤廠普遍采用。其分散溶解形式主要有文丘里式、旋流式、氣體分散潤濕式等。由于分散預溶裝置結構比較簡單并且研究已比較成熟，因此本文不作此裝置的研究。