聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑具有良好的絮凝性，可以廣泛地應用在水處理和造紙等工業工程中。本文探討了聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑的作用機理，其機理作用類型可以分為吸附架橋作用、吸附-典型中和作用、網鋪-卷掃作用。從作用機理出發可以探討其分子設計的基本條件，并分析了應用PAM絮凝劑對于環境的積極和消極的影響。
PAM絮凝劑化學名稱聚丙烯酰胺，為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力，按離子特性可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性離型四種類型。聚丙烯酰胺絮凝劑廣泛應用于增強、穩定膠體、減阻、粘結、成膜、生物醫學材料等方面。水處理中作助凝劑、絮凝劑、污泥脫水劑。石油鉆采中作降水劑、驅油劑。在造紙過程中作助留劑、補強劑。
1、PAM作用機理
聚丙烯酰胺絮凝劑在廢水處理中的絮凝作用是由于它的兩個特點：長鏈（線）狀的分子結構和聚丙烯酰胺分子中含有大量活性基團。聚丙烯酰胺是直鏈狀聚合物，因每個分子是由十萬個以上的單體聚合構成，所以分子鏈相當長。由于它的分子長而細，會彎曲或卷曲成不規則的曲線形狀。這個長分子鏈向外側伸出許多化學活性基團：酰胺基及羧基。酰胺基是非離子性基團，但亦善于形成副價鍵而與其他物質的活性基團吸附并連結起來。
由于聚丙烯酰胺分子長而細并有許多化學活性基團，它們能和沉淀微粒產生很多連接而形成較大的絮凝物，這些絮凝物的結構就像棉絮那樣，松散、無定形、互相連接但不很穩固，內部有很多空間和很多細微的網絡、包藏著大量液體，因而絮凝物的比重頗接近它所存在的液體本身。絮凝物中還網絡了各種各樣的微粒，這就將各種不同成分、不同性質、不同大小的微粒集合在一起。因此，良好的絮凝劑處理能將溶液中原有的微粒完全除去，使溶液顯得特別清亮透明有光澤。由于絮凝物的尺寸較大，它的沉降和過濾都比較快。聚丙烯酰胺絮凝劑與廢水中膠體的絮凝作用是通過化學吸附和物理吸附這兩種方式產生的。
高分子絮凝劑對于水中雜質的絮凝機理主要分為三類：吸附架橋作用、吸附-電性中和作用、網鋪-卷掃作用。具體以哪種機理起絮凝作用，與絮凝劑的種類、水中雜質粒子的尺度、濃度和性質以及若干環境因素，如pH值和離子等都有關，往往需要具體分析。
（1）吸附架橋作用
水中的懸浮物一般由于其顆粒所帶電荷相同或具有較低密度而不易發生聚沉，從而以高度分散的狀態穩定存在。若高分子絮凝劑的聚合鏈可與懸浮物顆粒產生相互吸引作用，如鏈上含有與顆粒電性相異的基團或純粹是以愛德華力相互吸引，則這些顆?？梢栽诖俗饔孟屡c絮凝劑分子相結合，形成一個大分子連接若干懸浮物顆粒的結構。上述過程相當于通過高分子鏈將顆粒物相互連接，被形象地稱作架橋作用。
若絮凝劑分子能夠在水中充分舒展，則上述吸附架橋作用產生的具有橋接結構的物質基團已經具有相當的體積和質量，將易于自發地在水中下沉；同時，吸引作用確保了在聚沉過程中懸浮物顆粒被穩定于高分子鏈上，于是通過進一步靜置、過濾等操作，就可以起到較好的絮凝凈水的效果。
（2）吸附-電性中和作用
吸附-電性中和作用的基礎仍然是懸浮物顆粒吸引帶異電荷的高分子，將膠體粒子本身所帶的電荷中和，削弱顆粒間的靜電斥力，從而使懸浮物顆粒自發聚沉。吸附作用同樣是由電性作用或范德華力完成的。
根據物理化學理論，吸附-電性中和作用對于絮凝劑的用量有較為嚴格的要求。以膠體系統為例：膠體顆粒與高分子鏈上帶異電電荷的離子發生中和過程，膠體粒子的表面電位可能變為零，也可能因“中和過度”而帶有相反的電荷，重新滿足膠體穩定的條件，出現所謂“再穩定”的現象。因此，這種以降低膠體粒子表面電位為核心的機理，要求絮凝劑用量適中，過多和過少都不能達到絮凝聚沉的效果。
（3）網鋪卷掃作用
高分子絮凝劑投入水中，如果其分子鏈能夠充分舒展，大量的絮凝劑分子可以相互形成類似漁網的結構，在它們自然下沉的過程中將與懸浮物發生接觸，并通過機械作用將顆粒物卷入網狀的結構，或是夾帶在分子鏈的空隙之間，使顆粒隨絮凝劑一同沉降。
2、聚丙烯酰胺的分子設計原理
根據以上機理，我們得出優良的高分子聚丙烯酰胺應該具備的特征有：
（1）較高的分子量
較高的分子量意味著較長的分子鏈以及較大的分子空間體積，這有利于吸附架橋機理中絮凝分子通過吸附作用與更多的懸浮物顆粒連接，生成更易于沉降的大分子基團；同時也增強吸附-電性中和作用所能產生的影響范圍；亦可直接構想出在網鋪作用中，更大分子量的聚合物形成的網狀結構更密集，對于懸浮物顆粒有更好的捕獲作用。
但是，過大的分子量顯然是會對絮凝性能產生負面影響的。由于商用聚丙烯酰胺一般是粉末狀，在使用時直接將其撒入目標水體中，因而理想狀態是聚丙烯酰胺立刻溶解并發揮作用，但過大的分子量可能導致聚丙烯酰胺的溶解性能變差，從而降低絮凝性能；另外，過大的分子量也可能導致大分子因沉降過快而降低各機理所敘述的絮凝效果，亦或是分子量大到其質量、密度和尺寸都已經可以達到宏觀尺度，使之自身成為一種新的懸浮物顆粒，完全無法發揮絮凝功能。
（2）能夠在水中充分伸展的分子鏈
根據高分子聚丙烯酰胺的三種絮凝機理，任何一種機理若要得到充分發揮，都要求聚合物分子鏈能夠在水中充分伸展。充分伸展的結果是單位物質量的聚丙烯酰胺大分子與水體接觸的表面積巨大，則可與之發生相互作用（吸引作用、電性中和作用、機械作用）的懸浮物顆粒數量可以較大化，從而實現較好的絮凝效果。
因此，分子鏈上應具備密度足夠大親水基團。這種分子設計要求直接產生了制備聚丙烯酰胺類絮凝劑所普遍采用的水解工藝。但是，分子鏈上離子基團密度過大會對絮凝性能間接產生負面影響。這主要是因為過大的電荷密度勢必導致穩定性下降，則大分子易發生聚沉、解聚等現象；另外，電性過強可能足以使大分子形成能夠穩定存在的膠粒，其自身隨即成為一種新的懸浮物顆粒。
3、聚丙烯酰胺應用的影響
聚丙烯酰胺可以廣泛地應用在水處理、造紙等領域，下文簡單探討其應用在水處理領域的積極和消極的影響。
（1）積極影響
水處理領域采用PAM作絮凝劑可促進懸浮物顆粒沉降，在表面效果上將渾濁的水處理為澄清的水，同時有可能回收大量有用的固體顆粒，減少其對環境造成的污染。PAM絮凝劑在水處理領域中主要應用在原水處理、城市污水處理、工業廢水處理三方面。隨著國家環境保護投資力度的加大以及污水處理相關政策施行，應用于污水處理領域的聚丙烯酰胺消費需求也必將大幅提高。
在各類PAM產品中，兩性聚丙烯酰胺絮凝劑因為具有突出的優勢，從而應用較為廣泛。
其一，兩性PAM可以去除廢水中的懸浮物以及膠體污染物，具備一般絮凝劑的優良性能。
其二，兩性PAM可以除去一般絮凝劑所無法去除的有色物質、腐植酸及表面活性劑等廢水中的溶解物。這主要是由于兩性聚丙烯酰胺中的陰、陽離子基團可以與有色物質、腐植酸類物質及表面活性劑發生絡合反應，然后通過絮凝沉淀達到凈化的目的。所以，兩性PAM可以在真溶性有機物去除、印染廢水處理（含有大量腐植酸等有機物）、微生物水污染處理方面起到積極有效的作用。通過對水的再處理，我們可以循環利用很多水資源，有利于環境保護可持續發展。在干旱地區，循環用水是非常重要的一項內容，PAM絮凝劑可以發揮重要的作用。
（2）消極影響
聚丙烯酰胺的商業化和工業化應用對于環境會產生較輕微消極影響，其主要集中于PAM生產過程對環境帶來的不利因素。在工業生產聚丙烯酰胺的過程中，產生的水污染物質主要是甲醇和丙烯酸甲酯，通過一定的技術處理，可以使其在排放的污水中的含量穩定在一個較低的水平。生產過程產生的大氣污染物主要是甲醇和顆粒物。甲醇對人體有低毒，因為甲醇在人體新陳代謝中會氧化成較強毒性的甲醛和甲酸，飲用含有甲醛的酒可引致失明、肝病、甚至死亡。但是即使長時間暴露在低濃度甲醛環境中，也未發現會對健康造成明顯影響，所以總體來說，絮凝劑在水處理中的應用對于人們大有幫助。
