摘要：本文針對聚丙烯酰胺在我國選煤廠尾煤水處理中存在的問題，通過實驗室試驗，結合聚丙烯酰胺的性質，對配制方法及其加藥制度等進行了探討。
1、聚丙烯酰胺的性質
聚丙烯酰胺是人工合成的有機高分子聚合物。它是有許多結構相同的單元聯接在一起的，其分子式如下圖1，式中“n”稱為聚合度。它的每個分子的大小是不盡相同的，即“n”的數值不同。有的“n”值大，有的“n”值小，所以聚丙烯酰胺是一個聚合度不同的同系物的混合物。因而分子量的大小也不同，有的分子量幾千，有的分子量幾萬，幾十萬，幾百萬乃至幾千萬。
由于分子量的不同，表現在絮凝效果上也不相同，分子量較低的聚丙烯酰胺，使用在煤泥的絮凝沉淀過程中，被吸附在懸浮顆粒表面上的多，而“橋連”作用小，因而形成的絮凝體較小，不利于大絮團的形成，絮凝效果差。分子量較高的聚丙烯酰胺在絮凝過程中，不但被吸附在懸浮物顆粒表面上，同時由于分子量較大，而“橋連"作用也很大，所以形成的絮凝體較大，絮凝效果好。在處理選煤廠的尾煤水時應選擇較大分子量的聚丙烯酰胺。
目前國內生產的聚丙烯酰胺產品有膠凍狀和粉末狀兩種。膠凍狀含量較低，且運輸、貯存均不方便。粉末狀聚丙烯酰胺含量較高，運輸貯存都較方便。因此對于選煤廠來說，由于用量大，選用粉末狀產品為宜。
由于聚丙烯酰胺是大分子的有機聚合物，因而具有下列特殊性質：
（1）溶解性：能以較大的比例溶解于水中，但溶解速度較慢，需要一定的時間才能溶解。
（2）粒度：隨分子量、濃度、水解度增加而提高，隨溫度增加而降低。
（3）陳化性能（高聚物的水溶液在長期放置時，粘度降低稱陳化）：高分子量、低濃度、高溫度、長時間存放，其陳化性能越高，粘度降低越快，絮凝效能也就越差。
（4）在強酸強堿等化學物質和光輻射，強機械引力作用下，高聚物會降解，分子量降低，使用效果下降。
（5）和鹽類物質可發生共聚作用，生成沉淀物，而降低使用效果。
（6）水解作用：聚丙烯酰胺水溶液與堿性物質共存即能發生水解反應，水解后生成的羧酸鹽基團的親水性比酰胺基強，從而使長分子鏈在溶液中更易伸展，而加大了與懸浮顆粒的接觸面積，使吸附更容易。
由于聚丙烯酰胺的如上性質，因此決定了聚丙烯酰胺在配制及使用過程中的特殊性。
2、聚丙烯酰胺的配制
2.1 使用濃度
實踐證明，在多數情況下，處理尾煤水時聚丙烯酰胺的使用濃度為0.1%-0.15%時，其絮凝效果較佳，過稀的溶液會降低絮凝效果，此時卻達到同樣的煤泥沉淀速度，聚丙烯酰胺的用量反而增加。在同樣用量下，使用過濃的溶液因為溶液的粘度大，溶解不完全和具有活性不夠大的長鏈分子，而使絮凝效果下降。
2.2 配制要求
前已述及，聚丙烯酰胺可和鹽類物質發生共聚作用，聚丙烯酰胺分子被高度緊縮，生成沉淀物而降低使用效果，使耗藥量增加，因此，配制聚丙烯酰胺溶液時，應使用含陽離子數量較少的水來配制。水中的固體含量應盡可能降低，以免在配制中生成沉淀物而消耗聚丙烯酰胺。
2.3 攪拌作用
由于聚丙烯酰胺是高分子聚合物，溶解過程緩慢，為了加速它的溶解，在現場配制水溶液時，一般均采用攪拌的方法，以加快聚丙烯酰胺的溶解。但攪拌速度要適當，攪拌時間盡可能短。因為在固體顆粒分散于水中后，只需稍加攪拌，以保證均勻的溶解濃度即可。
聚丙烯酰胺在溶解時，首先是溶劑分子（如水分子）向聚丙烯酰胺內部擴散，先使其膨脹，膨脹過程使大分子間的排列疏松起來，到一定程度，可溶性的大分子才從邊緣脫落，并緩慢地向溶劑深處擴散。由于分子體積大，擴散速度要比小分子慢得多。有時一團干粉團粒，由于邊緣首先膨脹，而延緩了水分子的進一步滲透而“固化”，一旦“固化”就難于溶解。同時由于“固化”現象而形成較大的“膠團”而浮在表面，這些不溶性膠團的存在，容易堵塞輸送管道。因此在加入聚丙烯酰胺時，需要將絮凝劑的干粉顆粒均勻分布在已經攪拌起的旋流中。
2.4 水解作用
事實證明，聚丙烯酰胺在水中溶解時，由于水溶液中有OH-的存在，使聚丙烯酰胺發生水解作用。水解作用能加速聚丙烯酰胺的溶解。例如：水中有堿存在（較好有NaOH存在，Na-可同時參加反應）時，發生如下反應：
這個反應的生成物實際上是丙烯酰胺和丙烯酸鹽的共聚物。由于羧酸鹽這個基團的親水性比酰胺基強，而且是個陰離子基團，因此分子鏈的親水性增強，同時由于水分子的拉扯和本身陰離子基團的相互排斥作用，使長分子鏈在水溶液中更加容易伸展，從而增加了溶解速度。在絮凝過程中，由于長分子鏈在溶液中的較易伸展，加大了與煤泥顆粒的接觸面積，使吸附更容易。例如水溶液中的堿性太強，水解度太大，由于酰胺基的比例減少，分子柔性減弱，羧酸基這個負電基團又會與煤泥顆粒上的負電荷相斥，阻礙它們互相靠近，反而減弱了對煤泥顆粒的吸附。
因而在聚丙烯酰胺溶解過程中加入少量的堿，能夠加快聚丙烯酰胺的溶解速度，充分發揮聚丙烯酰胺的絮凝能力。
2.5 溶解時間
前已述及，聚丙烯酰胺是高分子聚合物，其溶解過程中擴散速度緩慢，同時在加藥過程中，由于人為因素的影響，不可能將固體顆粒完全均勻地分布于溶液之中，這樣就很難避免有“固化”現象產生。同時為了使水溶液中的OH-逐步地參加反應，以進一步發生水解作用，適當地延長溶解時間，可使聚丙烯酰胺進一步溶解、擴散，而得到非常均勻的聚丙烯酰胺水溶液的混合體系。同時因“固化”現象而產生的小的“膠團”隨著溶解時間的延長而得到進一步的溶解，小的“固化”“膠團”可發生“溶固"現象。因此適當地延長溶解時間有助于聚丙烯酰胺的溶解，降低藥劑耗量，充分發揮藥劑效能，增強了絮凝效果。
但由于聚丙烯酰胺的陳化性能，配制好的聚丙烯酰胺溶液經過長期放置后，粘度大幅度下降，絮凝性能大幅度降低。
有資料表明，聚丙烯酰胺靠自身溶解時，其延長的溶解時間以16-24小時為較佳，此時的絮凝效果較好。
下面是一組自身溶解時間不同，而對于相同煤泥水絮凝作用的試驗結果比較（表1），本試驗在煤泥水中加入某種陽離子凝聚劑，因不屬于本文的探討范圍，在此便不涉及了。
表1 不同溶解時間絮凝效果比較
| 溶解時間（h） | 不同時間（s）的澄清層高度（mm） | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 0.5 | 24 | 48 | 58 | 67 | 74 | 79 |
| 4 | 26 | 50 | 62 | 74 | 81 | 90 |
| 23 | 33 | 60 | 79 | 93 | 103 | 110 |
注：絮凝劑濃度為0.1%，加藥量為6mg/m3，煤泥水為某選煤廠尾煤濃縮機溢液，濃度為38g/L，實驗容器為500ml量筒，水量500ml。
以上試驗結果也證明了適當延長溶解時間，使聚丙烯酰胺自身逐步水解，絮凝效能有所提高。但在現場實際使用中，由于所需要的藥劑量很大，使配制好了藥劑溶液自身溶解近20小時左右也是不現實的。因此通常采用加堿強化水解和自身延時溶解相結合的方法。
2.6 溫度的影響
水溫對聚丙烯酰胺的溶解過程有一定的影響。增高水溫能加快聚丙烯酰胺的溶解，同時由于溫度增高，使分子間間距增加，使其粘度降低，絮凝效果下降。由于選煤廠使用的聚丙烯酰胺量較大，因此原則上來講，增高水溫配制聚丙烯酰胺溶液是不適宜的。
3、加藥制度
使用聚丙烯酰胺溶液作為絮凝劑來絮凝煤泥水中的煤泥顆粒時，由于絮凝過程所需要的時間很短，因此問題的關鍵在于如何保證聚丙烯酰胺水溶液迅速地擴散到煤泥水中去，使較小體積的絮凝劑溶液與大體積的煤泥水充分混合，以保證與煤泥水中的懸浮煤泥顆粒充分接觸，提高絮凝效果。因此在實際生產中，由于加藥制度的不同，而產生的絮凝效果是不相同的。
3.1 一次加藥
大多數選煤廠在使用絮凝劑時均采用管路輸送，一次注入的加藥方法。此方法的優點在于加藥系統比較簡單，易于管理操作。其缺點是由于一次加藥，使藥劑加入時比較集中，因為聚丙烯酰胺水溶液的粘度較大，擴散速度慢，在短時間內和煤泥水混合不充分，因而必然會造成局部濃度過低的現象，使絮凝劑效能不能充分發揮。
為了保證藥劑與煤泥水的充分混合，較大限度地發揮藥劑效能。在采用一次加藥的方法時，可用如下方法改善煤泥水與藥劑的混合效果。
（1）用噴射器將絮凝劑水溶液噴入煤泥水的管路或溜槽中。由于噴射器的噴射作用，使加入的藥劑由一點加入變成幾十點（乃至幾百點）加入，分散了絮凝劑水溶液，提高了混合效果。
（2）在管路或溜槽中增設檔板。在加藥點以后的一定間隔，在輸送管路或溜槽中增設檔板的方法，使被輸送的煤泥水與藥劑在紊流作用下充分混合，可提高混合效果。
（3）利用管路或溜槽人為制造落差。在加藥點以后利用管路或溜槽的落差而產生紊流作用，使被輸送的煤泥水與藥劑充分混合。
3.2“分步“加藥
所謂“分步“加藥，就是多點加藥。即在輸送煤泥水的管路或溜槽中，選擇兩個以上的間隔位置。將應加入的藥量分成兩部分以上加入到管路或溜槽中。先加入的藥劑與水迅速混合、擴散，而后加入的藥劑較一次加入的量小，局部濃度不致過高，因此也能與煤泥水盡快的充分混合，提高了混合效果。在達到同樣絮凝效果的條件下，較一次性注入節約了藥劑。實驗室試驗也證明了分步加藥比一次性加藥的絮凝效果要好，結果見表2。
表2 分步加藥與一次加藥絮凝效果比較
| 煤泥水量（mL） | 不同時間（s）的澄清層高度（mm） | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 一次 | 20 | 42 | 54 | 65 | 74 | 80 |
| 二次 | 36 | 67 | 83 | 97 | 108 | 115 |
注：絮凝劑濃度為0.1%，加藥量為6mg/m3，分別加藥時一次和二次加藥量分別為4mg/m3和2mg/m3，間隔實際為3s，煤泥水為某選煤廠尾煤濃縮機溢流，濃度為38g/L，試驗容器為500mL量筒，水量500mL。
由以上的比較結果可以看出：使用同量藥劑，分步加藥較一次加藥在相同時間內的沉淀速度要快，表明分步加藥的絮凝效果比一次性加藥的效果好。
分析原因，可能是在分步加藥過程中，一次加藥后，絮凝劑的極性基在水溶液中與懸浮顆粒充分接觸，把位于懸浮顆粒表面雙電層的反號離子吸引住，同時懸浮顆粒表面與高分子絮凝劑相接近的地方負電荷過剩，進而對溶液中的反號離子產生吸引力，而吸引更多的反號離子聚集在懸浮顆粒表面，在二次加藥之前，隨著時間的延長，所吸附的反號離子數也就越多，也就更進一步降低了懸浮顆粒表面的負電性，但此時絮凝劑的藥量還沒有達到足夠的藥量，不能產生大的絮凝物。但此時已經作好了絮凝的“準備”。在二次加藥后，達到了絮凝“起動”劑量，因而能迅速地將已被部分中和了負電性的懸浮顆粒吸附、架橋，形成較大的絮凝體，而快速沉淀。
4、結束語
通過以上的探討，我們了解了聚丙烯酰胺的一些與生產實用較密切的性質。根據這些性質，掌握了如何正確配制聚丙烯酰胺溶液的方法及加藥制度，以及絮凝效果的影響，對于在實際生產中正確使用聚丙烯酰胺具有一定的指導意義。
當然影響聚丙烯酰胺使用效果的因素遠不止如上所述，例如：煤泥水溫度、pH值、各種陽離子的含量以及懸浮物的粒度及濃度等，這些影響因素有些是次要的，有些不是人為因素所決定的，因此就不做更多的探討了。
