化學系畢業(yè)論文-聚丙烯酰胺的工業(yè)應用

畢業(yè)論文 題 目：聚丙烯酰胺的工業(yè)應用 姓 名： 王芳芳 學 號： 201090302 院 系： 河北北方學院 專 業(yè)： 化 學 年 級： 2008級1班 指導教師： 孫柏林 二 O一二年六月 聚丙烯酰胺的工業(yè)應用 王芳芳 河北北方學院理學院化學系化學專業(yè)摘要：聚丙烯酰胺作為一種高分子化合物，在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛。在石油開采中用作驅(qū)油劑和鉆井泥漿調(diào)節(jié)劑；在水處理中用作絮凝劑；在造紙領域用作助留劑、助濾劑；在紡織印染領域用作后處理劑，以及在其他領域都有廣泛應用。關鍵詞：聚丙烯酰胺；驅(qū)油劑；絮凝劑 The industrial application of polyacrymide Fangfang-Wang Department of Chemistry,College of Science ,Hebei North University Abstract:Polyacrylamide as a macromolecular compound ,it had extensive application in industrial production. In oil exploration it is used as oil displacement agent and drilling mud in water treatment agent ,used as a flocculant in papermaking industry, as retention agent ,filter aid, in the field of textile used as treating agent,as well as in other fields have wide range of applications. Key words: polyacrylamide; oil displacement；drilling mud1聚丙烯酰胺的性質(zhì)聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡稱PMA）是由丙烯酰胺單體聚合而成的有機高分子聚合物。PAM是一種無色、無臭、無味，沒有腐蝕性的物質(zhì)。在常溫下比較穩(wěn)定，高溫冰凍時易降解。聚丙烯酰胺的分子結構為： 聚丙烯酰胺水溶液的粘度隨聚合物相對分子質(zhì)量的增加明顯變粘。由于聚丙烯酰胺結構單元中含有酰胺基以及易與其他化合物形成氫鍵，使其具有良好的水溶性和很高的化學活性。在醋酸、丙烯酸、氯代乙酸、乙二醇、甘油、乳酸等少數(shù)溶劑中溶解1%左右，幾乎不溶于其他的有機溶劑。在210、無氧條件下，聚丙烯酰胺的酰胺基脫水轉變成腈基，500炭化為黑色的粉末。聚丙烯酰胺產(chǎn)品按其純度來分，有粉劑和膠體兩種：粉劑產(chǎn)品為白色或黃色顆?；蚍勰?，固體含量在90%以上易運輸，受到用戶歡迎；膠體產(chǎn)品為無色或微黃色透明膠體，固體含量為8%9%，不易運輸，使用也不方便。聚丙烯酰胺產(chǎn)品按其離子型來分，有陽離子型、陰離子型、和非離子型3種。陽離子型一般都含有微量毒性，不適宜在給排水工程中使用，所以我們接觸到的水處理劑聚丙烯酰胺均屬于陰離子型或非離子型。表1 聚丙烯酰胺的物理性質(zhì)名稱 物理性質(zhì)非離子型聚丙烯酰胺 為大分子鏈上不含離子基團，但酰胺基與許多物質(zhì)，如粘土、 纖維素等能產(chǎn)生氫鍵，因吸附架橋而絮凝 陽離子型聚丙烯酰胺 其水溶液是高分子電解質(zhì)，帶有正電荷，對懸浮的有機膠體和有機化合物可有效地凝聚，并能強化固液分離過程陰離子型聚丙烯酰胺 在中性和堿性介質(zhì)中呈高聚物電解質(zhì)的特征，對鹽類電解質(zhì)敏感，與高價金屬離子能練成不溶性凝膠體2聚丙烯酰胺的應用聚丙烯酰胺在水處理領域應用廣泛，包括原水處理、污水處理、工業(yè)水處理、城市生活污水處理等，目前仍然是我國內(nèi)外水處理領域使用最大的水處理劑。在我國，聚丙烯酰胺的應用主要集中在石油開采、水處理、造紙、紡織印染等領域。表2 國內(nèi)聚丙烯酰胺的消費結構 領域 采油工業(yè) 水處理 造紙 其他需求量 80% 9% 5% 6%國外聚丙烯酰胺的主要消費領域是水處理和造紙。 表3 國外聚丙烯酰胺的消費結構領域 水處理 造紙 采油工業(yè) 其他 需求量 44% 20% 13% 23%各國的消費結構有所不同。美國和西歐聚丙烯酰胺的最大消費領域是水處理。因此，聚丙烯酰胺在水處理方面的應用在我國將會有非常廣闊的前景。2.1石油開采領域2.1.1 用作驅(qū)油劑在石油開采中，聚丙烯酰胺是一種多功能的油田化學處理劑，主要用于鉆井泥漿材料以及提高采油率等方面，廣泛用于鉆井、完井、固井、修井、壓裂等油田采作業(yè)中。無論是采用膠束聚合物驅(qū)油還是用聚合物驅(qū)油，都需要大量使用PAM系聚合物。聚丙烯酰胺水溶液具有較高的粘度，有較好的增稠、絮凝和流變調(diào)節(jié)作用，在石油開采中用作驅(qū)油劑和鉆井泥漿調(diào)節(jié)劑。在石油開采中后期，為提高原油采收率，通過注入聚丙烯酰胺水溶液，改善油水流速比，降低地層中水相滲透率，使水油能勻速地向前流動，使采出物中原油含量提高。我國國內(nèi)的注聚采油技術在20世紀90年代發(fā)展很快。其中大慶油田、勝利油田等大型油田已形成注聚采油的規(guī)模生產(chǎn)，2003年大慶油田聚合物驅(qū)油生產(chǎn)原油已達到1000萬噸以上。目前，我國大型油田三次采油已成為聚丙烯酰胺的最大應用領域。2.1.2 用作堵水調(diào)剖劑 在石油開采過程中，由于底層的非均質(zhì)性，常產(chǎn)生水浸問題，需要進行堵水。其實質(zhì)是改變水在地層中的滲流狀態(tài)，以達到減少油田產(chǎn)水，提高油田最終采收率的目的。聚丙烯酰胺水溶液的粘度隨相對分子質(zhì)量的增加明顯變粘，因此用作堵水劑時要視地層類型選擇合適的PAM分子量。均質(zhì)性好、平均滲透率高的油層，可選用中度分子量（510710）的PAM；基巖滲透率低的裂縫性油層或滲透率變化大的油層，可選用高分子量（1.010）的PAM。在使用時可不交聯(lián)使用，也可與鋁鹽、鉻鹽等交聯(lián)生成凝膠使用，還可以添加某些樹脂以形成互容聚合物網(wǎng)絡，使之具有更高的耐溫性。2.1.3用作鉆井液調(diào)整劑 作為鉆井液調(diào)整劑，經(jīng)常使用的是部分水解聚丙烯酰胺。其作用是調(diào)節(jié)鉆井液的流變性，攜帶巖屑，潤滑鉆頭，減少流體損失等。用PAM調(diào)制的鉆井泥漿比重低，固含量少，減少對油氣層的壓力和堵塞。此外，還可大大減少卡鉆故事，減輕設備磨損，防止發(fā)生井漏和塌陷。陰離子聚丙烯酰胺與FeCl配合使用在鉆井廢水處理中具有很好的使用效果。2.2 水處理領域 聚丙烯酰胺可以通過化學反應轉化或共聚變成含有陰、陽、非、兩性離子的完整絮凝體。聚丙烯酰胺在NaOH等堿類作用下，極易起水解反應，使部分聚丙烯酰胺生成聚丙烯酸鈉。由于RCOO-(羥基)的作用，使聚丙烯酰胺水解成陰離子型高分子絮凝劑，而不水解的聚丙烯酰胺為非離子型高分子絮凝劑。在RCOO-（羥基）基團的離子靜電斥力作用下，同電荷顆粒之間由異電荷膠體連在一起，也稱為異電荷膠體互凝現(xiàn)象，使聚丙烯酰胺主鏈上呈卷曲狀的分子鏈展開拉長，增加其吸附面積，提高架橋能力，所以部分水解體的聚丙烯酰胺的絮凝效果要優(yōu)于非離子型聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺基團可與許多物質(zhì)親和形成氫鍵，高分子聚丙烯酰胺在被吸附的粒子間形成“橋聯(lián)”，使顆粒形成聚集體而沉降，使污水得到凈化。陽離子聚丙烯酰胺的調(diào)質(zhì)作用機理：1、電中和作用。污泥顆粒本身帶負電荷，相互之間存在斥力，在污泥中加入與膠體帶相反電荷的聚電解質(zhì)，可降低粒子的電位，使粒子相互吸引形成絮團。2、去水化作用。將親水膠體轉變?yōu)樵魉z體，這是污泥調(diào)制的關鍵。污泥膠體與高分子間發(fā)生活性反應或形成絡合物，產(chǎn)生不溶性產(chǎn)物，從而實現(xiàn)絮凝。3、吸附作用。主要以吸附架橋和表面吸附為主。吸附架橋作用包括2種情形：第一，高分子絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺的活性基團所產(chǎn)生的氫鍵吸附作用；第二：同電荷污泥顆粒之間，由于異電荷膠體連在一起，也稱為異電荷膠體互凝現(xiàn)象。陽離子聚丙烯酰胺高分子絮凝劑對污泥的調(diào)制作用，是通過上述三種作用機理達到水質(zhì)凈化的目的。 我國是水資源貧乏的國家之一，人均水量僅為世界的14，目前我國污水處理率不足30%，工業(yè)水的重復利用率為60%70%，工業(yè)廢水的處理率為77%，與發(fā)達國家相比有很大的差距。因此，我們需要提高水的處理率。在水處理中分為原水處理、城市污水處理、工業(yè)水處理，3個方面：2.2.1原水處理在原水處理中與活性炭等配合使用，可用于生活水中懸浮顆粒的凝聚、澄清。用有機絮凝劑丙烯酰胺代替無機絮凝劑，即使不改造沉降池，凈水能力也可以提高20%以上。但目前，我國絮凝劑仍以無機絮凝劑為主，對于聚丙烯酰胺等有機絮凝劑，盡管其應用效果已經(jīng)的到普遍認可，但由于成本因素，其應用還不普遍。隨著我國城市人口的增加，未來幾年內(nèi)將建設一批新水廠或?qū)υ畯S進行改造。2.2.2城市污水處理由于一些城市的潔凈地下水位下降較快，地表水水質(zhì)較差，城市供水中聚丙烯酰胺用量必然會迅速增加。根據(jù)我國可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃，今后我國對三廢治理的要求將更高。污泥脫水是污水處理的一個重要組成部分，越來越受到關注。利用物理、化學或其他方法改變污泥固液分離特性的步驟，稱為污泥調(diào)理。污泥化學調(diào)理是污泥脫水單元的核心技術。采用聚丙烯酰胺進行污泥脫水，使用的劑量比無機藥劑要少，無機調(diào)理劑會增加污泥量，增加污泥處理成本，而聚丙烯酰胺法則能提高污水處理效果，減少污泥排放量，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。在城市污水處理廠的生產(chǎn)運行中，為節(jié)省人力，提高效率，避免人為操作造成的誤差，陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑的使用多采用溶藥、投加一體化系統(tǒng)。污泥處理是整個廢水處理中最重要的環(huán)節(jié)之一，為了提高污泥的固含量，污泥經(jīng)常要經(jīng)過脫水處理，最可行的辦法是使用陽離子絮凝劑，該法不僅生成的污泥量少且易機械脫水，節(jié)約用水，對提高污水處理效果和廢水回用有重要的作用。由于在污泥脫水方面暫無其他產(chǎn)品可取代聚丙烯酰胺，因此，對聚丙烯酰胺的需求量也將必然增加。我國城市水處理聚丙烯酰胺的用量僅為美國的1/9。國家環(huán)保總局和有關部門要求在水費中增加污水處理費用以及限制飲用水中鋁含量，這為聚丙烯酰胺在城市供水和污水處理領域的市場開發(fā)打開了空間。此外，全國許多城市的污水處理廠由于管網(wǎng)建設未及時跟上，尚不能滿負荷運行，預計該領域?qū)郾０返男枨罅繉蟆５?015年，我國城市年污水排放量講至少達到455億噸，相比2009年增加約100億噸。結合目前城市污水處理行業(yè)的發(fā)展速度，估計到2015年，我國城市污水處理率將達到85%，城市生活污水處理量講達到38675億噸。聚丙烯酰胺本身無毒，因為它進入人體后，絕大部分在短期內(nèi)排出體外，很少被消化道吸收。多數(shù)商品也不刺激皮膚，只有某些水解體可能有殘余的堿，當反復、長期接觸時會有刺激性。各國衛(wèi)生部門均規(guī)定聚丙烯酰胺工業(yè)殘留的丙烯酰胺含量為0.5%0.05%。應用于水的一般凈化處理是，丙烯酰胺含量0.2%以下，用于直接飲用水處理是，需在0.05%以下?？紤]到國家污水排放標準的不斷提高，將來對現(xiàn)有污水處理設施的改造和運營費用也會有很大的增長空間。因此，聚丙烯酰胺在水質(zhì)凈化中的應用將會有非常廣泛的應用空間。2.2.3工業(yè)廢水處理工業(yè)廢水處理是聚丙烯酰胺在水處理方面的又一個重要的方面。目前，我國的化工、冶金、造紙、印染、建材等行業(yè)都在不同程度的使用聚丙烯酰胺作為絮凝劑。2.3造紙領域聚丙烯酰胺在造紙工業(yè)中廣泛用作助留劑、助濾劑、均度劑等。它的作用是能夠提高紙張的質(zhì)量、料漿脫水性能 、減少原材料消耗及對環(huán)境的污染，用作分散劑，改善紙的均勻度。添加不同分子量，不同官能團的聚丙烯酰胺有增加填料保留，紙頁纖維干濕劑提高表面性質(zhì)，油墨吸附等多種作用。此外，聚丙烯酰胺還應用于造紙生產(chǎn)的廢水處理和纖維回收。在紙料中加入聚丙烯酰胺，能提高細小纖維和填料粒子在網(wǎng)上留著率，加速紙料的脫水。聚丙烯酰胺的作用機理是漿料中的顆?？侩娭泻突蚣軜蚨跄?，得以在濾布上保留下來。絮塊的形成也能使?jié){料中的水更易濾出，減少了纖維在白水中的流失量，減少環(huán)境污染，又有利于提高過濾和沉淀等設備的效率。在我國聚丙烯酰胺在造紙中的應用比例并不是很大，但由于我國是造紙生產(chǎn)的消費大國，隨著大型造紙生產(chǎn)裝置的建設以及一大批大型合資造紙企業(yè)的不斷建成投產(chǎn)，對造紙助劑的需求量一定會不斷增加。聚丙烯酰胺由于其高效的絮凝作用，再造紙中的逐漸得到廣泛應用，被認為是最重要的合成高分子助劑。同時，各種離子型聚丙烯酰胺均可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，且其構和性能可以調(diào)節(jié)，以滿足造紙行業(yè)中的不同需求，其用量逐年遞增，已成為合成高分子中用量最大的造紙助劑。2.4紡織印染工業(yè)利用聚丙烯酰胺吸濕性強的特點，能減少紡細紗時的斷線率；用作后處理劑防止織物的靜電和阻燃，生成柔順、防皺的保護層；用作印染助劑，聚丙烯酰胺可使產(chǎn)品附著牢度大，鮮艷度高。此外，聚丙烯酰胺還可用于紡織印染污水的高效凈化。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的印染業(yè)進入了高速發(fā)展時期，成為工業(yè)廢水排放大戶。印染廢水色度深，毒性強，難降解，許多染料廢水難以用無機絮凝劑處理，將有機高分子聚丙烯酰胺與無機高分子絮凝劑混合使用具有用量少、絮凝速度快、受PH值及溫度影響小以及易處理等優(yōu)點。2.5其他領域采用聚丙烯酰胺作絮凝劑可促進采礦、洗煤回收水中固體的沉降，同時可回收有用的固體顆粒，避免對環(huán)境的污染。在制糖業(yè)中聚丙烯酰胺可加速蔗汁中細粒子的下沉，促進過濾和提高濾液清澈度。3聚丙烯酰胺的使用方法3.1用作絮凝劑 3.1.1 pH的影響 pH值對各類PAM類絮凝劑的影響是不一樣的，其中，陽離子型與部分非離子型對pH值的變化不敏感，而陰離子型受pH值得影響較大。pH過大或過小均會造成高分子鏈卷曲，架橋距離縮短導致絮凝能力下降，只有在pH值最佳范圍內(nèi)絮凝效果才能保證。3.1.2絮凝劑的相對分子質(zhì)量理論上認為聚合物相對分子質(zhì)量越大，分子在溶液中的伸展度越大，則架橋能力越強，絮凝速度越大。但是相對分子質(zhì)量過大，因絮凝沉降速度過快會導致上層清夜中細小顆粒殘留增大。同時，高相對分子質(zhì)量的PAM溶解速度低，增加了溶解困難。離子型高分子膠粒由于靜電作用，要求相對分子質(zhì)量較低，非離子型絮凝劑則要求相對分子質(zhì)量較大。3.1.3溶液濃度聚丙烯酰胺溶液在使用時，投加的濃度越稀越好，較稀的投加濃度能使溶液在水中迅速擴展，充分混合，防止產(chǎn)生濃度過高的膠體保護現(xiàn)象，影響使用效果。但濃度太稀會造成龐大的投加設備，一般投加濃度以0.5%1%為宜，配制濃度以2%為宜。聚丙烯酰胺絮凝劑，在處理高濁水中，分批投藥比一次投藥的絮凝效果為佳。由于分批投藥能避免過高的絮凝劑濃度與泥沙混合，造成活性基團被封閉的后果，因而達到較佳的效果。分批投藥的比例，一般先投加60%然后再投加40%為佳。3.2用作助凝劑聚丙烯酰胺在作為助凝劑使用時，一般的投加順序在投混凝劑之后。前后相隔半小時為宜，使雜質(zhì)顆粒先行脫穩(wěn)到一定程度為聚丙烯酰胺大離子的絮凝作用創(chuàng)造條件。如果獨作為處理高濁度水絮凝劑時，則應先投加聚丙烯酰胺絮凝劑，否則會影響其使用效果。PAM吸附一部分膠粒，使其濁度降低，其余膠粒由其他混凝劑脫粒脫穩(wěn)，再由PAM吸附，這樣可降低其他混凝劑的劑量。配制聚丙烯酰胺水溶液時，應在搪瓷，鍍鋅，鋁制或塑料桶內(nèi)進行，不可再鐵質(zhì)容器內(nèi)配制和貯存。溶解時應注意講產(chǎn)品慢慢地加入帶攪拌和加熱措施的溶解器中，應避免結固，溶液應在適宜的溫度下配制，并避免長時間攪拌否則會導致聚合物降解，影響使用效果。聚丙烯酰胺水溶液應做到現(xiàn)用現(xiàn)配，當溶解液長時間放置，其性能將會視水質(zhì)的情況而逐漸降低。 4.聚丙烯酰胺在工業(yè)領域應用的展望聚丙烯酰胺作為一種多功能化工產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)其用量正以平穩(wěn)的速度增長。由于經(jīng)濟的高速發(fā)展，工業(yè)化、城市化帶來的高污染問題日漸凸顯，這將會促使水處理等環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，從而增加對聚丙烯酰胺的需求。再加上國內(nèi)石油、造紙、紡織等相關行業(yè)的發(fā)展相對穩(wěn)定，也有利于聚丙烯酰胺應用空間的開拓。我國聚丙烯酰胺的應用水平與發(fā)達國家尚有較大差距，因此我們需要改進現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，提高技術水平，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，使具有“百業(yè)助劑”之稱的聚丙烯酰胺更好的為我國的工業(yè)發(fā)展做貢獻。其中，聚丙烯酰胺在水質(zhì)凈化方面的應用，近年來一直是我國廣大科研工作者研究的熱點。在我國的發(fā)展?jié)摿艽?，具有廣闊的發(fā)展空間。參考文獻： 1毛欣，聶雅玲.聚丙烯酰胺的應用研究J.天津化工，2007，21（6）39-412李玉芳，崔小明.聚丙烯酰胺的生產(chǎn)應用及市場分析J.化學推進劑與高分子材料，2002,3（3）：16-203張威 聚丙烯酰胺的生產(chǎn)應用研究J.吉林石油化工，1995：38-414彭國鋒，趙田紅.驅(qū)油用水溶性聚合物的研究進展J.化學工程師，2005，（12）：36-395羅保軍，于艷秋，聚丙烯酰胺的生產(chǎn)、應用及市場分析研究J.發(fā)展論壇.2001,(12):9-116蔣秋靜 陽離子聚丙烯酰胺絮凝劑在污泥脫水工藝中的應用研究J.太原理工大學學報.2010（04）7鄒啟賢，陸正禹，油田廢水處理綜述J.工業(yè)水處理.2001，21（8）：1-38程俊，樊麗華，張麗紅，水處理絮凝劑的應用及研究進展J.安全與環(huán)保.2008,15(4):50-539