1、毕业论文题 目 ： 聚 丙 烯 酰 胺 的 工业应用 姓 名： 王芳芳 学 号： 201090302 院 系： 河北北方学院 专 业： 化 学 年 级： 2008 级 1 班 指导教师： 孙柏林 二 O 一二年六月 0聚丙烯酰胺的工业应用王芳芳 河北北方学院理学院化学系化学专业摘要：聚丙烯酰胺作为一种高分子化合物，在工业生产中的应用越来越广泛。在石油开采中用作驱油剂和钻井泥浆调节剂；在水处理中用作絮凝剂；在造纸领域用作助留剂、助滤剂；在纺织印染领域用作后处理剂，以及在其他领域都有广泛应用。关键词：聚丙烯酰胺；驱油剂；絮凝剂 The industrial application of polya
2、crymideFangfang-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
3、 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 聚丙烯酰胺的性质聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，简称 PMA）是由丙烯酰胺单体聚合而成的有机高分子聚合物。PAM
4、是一种无色、无臭、无味，没有腐蚀性的物质。在常温下比较稳定，高温冰冻时易降解。聚丙烯酰胺的分子结构为： 1CH2 CHCONH2n聚丙烯酰胺水溶液的粘度随聚合物相对分子质量的增加明显变粘。由于聚丙烯酰胺结构单元中含有酰胺基以及易与其他化合物形成氢键，使其具有良好的水溶性和很高的化学活性。在醋酸、丙烯酸、氯代乙酸、乙二醇、甘油、乳酸等少数溶剂中溶解 1%左右，几乎不溶于其他的有机溶剂。在 210、无氧条件下，聚丙烯酰胺的酰胺基脱水转变成腈基，500炭化为黑色的粉末。聚丙烯酰胺产品按其纯度来分，有粉剂和胶体两种：粉剂产品为白色或黄色颗粒或粉末，固体含量在 90%以上易运输，受到用户欢迎；胶体产品为
5、无色或微黄色透明胶体，固体含量为 8%9%，不易运输，使用也不方便。聚丙烯酰胺产品按其离子型来分，有阳离子型、阴离子型、和非离子型 3 种。阳离子型一般都含有微量毒性，不适宜在给排水工程中使用，所以我们接触到的水处理剂聚丙烯酰胺均属于阴离子型或非离子型 。31表 1 聚丙烯酰胺的物理性质2 聚丙烯酰胺的应用聚丙烯酰胺在水处理领域应用广泛，包括原水处理、污水处理、工业水处理、城市生活污水处理等，目前仍然是我国内外水处理领域使用最大的水处理剂。在我国，聚丙烯酰胺的应用主要集中在石油开采、水处理、造纸、纺织印染等领域。名称 物理性质非离子型聚丙烯酰胺 为大分子链上不含离子基团，但酰胺基与许多物质，如
6、粘土、 纤维素等能产生氢键，因吸附架桥而絮凝 阳离子型聚丙烯酰胺 其水溶液是高分子电解质，带有正电荷，对悬浮的有机胶体和有机化合物可有效地凝聚，并能强化固液分离过程阴离子型聚丙烯酰胺 在中性和碱性介质中呈高聚物电解质的特征，对盐类电解质敏感，与高价金属离子能练成不溶性凝胶体2表 2 国内聚丙烯酰胺的消费结构 国外聚丙烯酰胺的主要消费领域是水处理和造纸。 表 3 国外聚丙烯酰胺的消费结构各国的消费结构有所不同。美国和西欧聚丙烯酰胺的最大消费领域是水处理。因此，聚丙烯酰胺在水处理方面的应用在我国将会有非常广阔的前景。2.1 石油开采领域2.1.1 用作驱油剂在石油开采中，聚丙烯酰胺是一种多功能的油
7、田化学处理剂，主要用于钻井泥浆材料以及提高采油率等方面，广泛用于钻井、完井、固井、修井、压裂等油田采作业中。无论是采用胶束聚合物驱油还是用聚合物驱油，都需要大量使用 PAM 系聚合物。聚丙烯酰胺水溶液具有较高的粘度，有较好的增稠、絮凝和流变调节作用，在石油开采中用作驱油剂和钻井泥浆调节剂。在石油开采中后期，为提高原油采收率，通过注入聚丙烯酰胺水溶液，改善油水流速比，降低地层中水相渗透率，使水油能匀速地向前流动，使采出物中原油含量提高 。7,4我国国内的注聚采油技术在 20 世纪 90 年代发展很快。其中大庆油田、胜利油田等大型油田已形成注聚采油的规模生产，2003 年大庆油田聚合物驱油生产原油
8、已达到 1000万吨以上。目前，我国大型油田三次采油已成为聚丙烯酰胺的最大应用领域。领域 采油工业 水处理 造纸 其他需求量 80% 9% 5% 6%领域 水处理 造纸 采油工业 其他需求量 44% 20% 13% 23%32.1.2 用作堵水调剖剂在石油开采过程中，由于底层的非均质性，常产生水浸问题，需要进行堵水。其实质是改变水在地层中的渗流状态，以达到减少油田产水，提高油田最终采收率的目的。聚丙烯酰胺水溶液的粘度随相对分子质量的增加明显变粘，因此用作堵水剂时要视地层类型选择合适的 PAM 分子量。均质性好、平均渗透率高的油层，可选用中度分子量（510 710 ）的 PAM；基岩渗透率低的裂
9、缝性油层或渗透率变化大的油层，可选用66高分子量（1.010 ）的 PAM。在使用时可不交联使用，也可与铝盐、铬盐等交联生成凝7胶使用，还可以添加某些树脂以形成互容聚合物网络，使之具有更高的耐温性。2.1.3 用作钻井液调整剂作为钻井液调整剂，经常使用的是部分水解聚丙烯酰胺。其作用是调节钻井液的流变性，携带岩屑，润滑钻头，减少流体损失等。用 PAM 调制的钻井泥浆比重低，固含量少，减少对油气层的压力和堵塞。此外，还可大大减少卡钻故事，减轻设备磨损，防止发生井漏和塌陷 。阴离子聚丙烯酰胺与 FeCl 配合使用在钻井废水处理中具有很好的使5 3用效果。2.2 水处理领域聚丙烯酰胺可以通过化学反应转
10、化或共聚变成含有阴、阳、非、两性离子的完整絮凝体。聚丙烯酰胺在 NaOH 等碱类作用下，极易起水解反应，使部分聚丙烯酰胺生成聚丙烯酸钠。由于 RCOO-(羟基)的作用，使聚丙烯酰胺水解成阴离子型高分子絮凝剂，而不水解的聚丙烯酰胺为非离子型高分子絮凝剂。在 RCOO-（羟基）基团的离子静电斥力作用下，同电荷颗粒之间由异电荷胶体连在一起，也称为异电荷胶体互凝现象，使聚丙烯酰胺主链上呈卷曲状的分子链展开拉长，增加其吸附面积，提高架桥能力，所以部分水解体的聚丙烯酰胺的絮凝效果要优于非离子型聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺基团可与许多物质亲和形成氢键，高分子聚丙烯酰胺在被吸附的粒子间形成“桥联” ，使颗粒形成聚集
11、体而沉降，使污水得到净化。阳离子聚丙烯酰胺的调质作用机理：1、电中和作用。污泥颗粒本身带负电荷，相互之间存在斥力，在污泥中加入与胶体带相反电荷的聚电解质，可降低粒子的电位，使粒子相互吸引形成絮团。2、去水化作用。将亲水胶体转变为憎水胶体，这是污泥调制的关键。污泥胶体与高分子间发生活性反应或形成络合物，产生不溶性产物，从而实现絮凝。43、吸附作用。主要以吸附架桥和表面吸附为主。吸附架桥作用包括 2 种情形：第一，高分子絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺的活性基团所产生的氢键吸附作用；第二：同电荷污泥颗粒之间，由于异电荷胶体连在一起，也称为异电荷胶体互凝现象。阳离子聚丙烯酰胺高分子絮凝剂对污泥的调制作用，是通
12、过上述三种作用机理达到水质净化的目的 。6我国是水资源贫乏的国家之一，人均水量仅为世界的 14，目前我国污水处理率不足 30%，工业水的重复利用率为 60%70%，工业废水的处理率为 77%，与发达国家相比有很大的差距。因此，我们需要提高水的处理率 。10在水处理中分为原水处理、城市污水处理、工业水处理，3 个方面 ：12.2.1 原水处理在原水处理中与活性炭等配合使用，可用于生活水中悬浮颗粒的凝聚、澄清。用有机絮凝剂丙烯酰胺代替无机絮凝剂，即使不改造沉降池，净水能力也可以提高 20%以上。但目前，我国絮凝剂仍以无机絮凝剂为主，对于聚丙烯酰胺等有机絮凝剂，尽管其应用效果已经的到普遍认可，但由于
13、成本因素，其应用还不普遍 。随着我国城市人口的增9,8加，未来几年内将建设一批新水厂或对原水厂进行改造。2.2.2 城市污水处理由于一些城市的洁净地下水位下降较快，地表水水质较差，城市供水中聚丙烯酰胺用量必然会迅速增加。根据我国可持续发展规划，今后我国对三废治理的要求将更高。污泥脱水是污水处理的一个重要组成部分，越来越受到关注。利用物理、化学或其他方法改变污泥固液分离特性的步骤，称为污泥调理。污泥化学调理是污泥脱水单元的核心技术。采用聚丙烯酰胺进行污泥脱水，使用的剂量比无机药剂要少，无机调理剂会增加污泥量，增加污泥处理成本，而聚丙烯酰胺法则能提高污水处理效果，减少污泥排放量，具有较好的社会效益
14、和经济效益。在城市污水处理厂的生产运行中，为节省人力，提高效率，避免人为操作造成的误差，阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的使用多采用溶药、投加一体化系统。污泥处理是整个废水处理中最重要的环节之一，为了提高污泥的固含量，污泥经常要经过脱水处理，最可行的办法是使用阳离子絮凝剂，该法不仅生成的污泥量少且易机械脱水，节约用水，对提高污水处理效果和废水回用有重要的作用。由于在污泥脱水方面暂无其他产品可取代聚丙烯酰胺，因此，对聚丙烯酰胺的需求量也将必然增加。我国城市水处理聚丙烯酰胺5的用量仅为美国的 1/9。国家环保总局和有关部门要求在水费中增加污水处理费用以及限制饮用水中铝含量，这为聚丙烯酰胺在城市供水和污水处理
15、领域的市场开发打开了空间。此外，全国许多城市的污水处理厂由于管网建设未及时跟上，尚不能满负荷运行，预计该领域对聚丙烯酰胺的需求量将会更大。到 2015 年，我国城市年污水排放量讲至少达到 455 亿吨，相比 2009 年增加约 100亿吨。结合目前城市污水处理行业的发展速度，估计到 2015 年，我国城市污水处理率将达到 85%，城市生活污水处理量讲达到 38675 亿吨。聚丙烯酰胺本身无毒，因为它进入人体后，绝大部分在短期内排出体外，很少被消化道吸收。多数商品也不刺激皮肤，只有某些水解体可能有残余的碱，当反复、长期接触时会有刺激性。各国卫生部门均规定聚丙烯酰胺工业残留的丙烯酰胺含量为 0.5
16、%0.05%。应用于水的一般净化处理是，丙烯酰胺含量 0.2%以下，用于直接饮用水处理是，需在 0.05%以下。考虑到国家污水排放标准的不断提高，将来对现有污水处理设施的改造和运营费用也会有很大的增长空间。因此，聚丙烯酰胺在水质净化中的应用将会有非常广泛的应用空间。2.2.3 工业废水处理工业废水处理是聚丙烯酰胺在水处理方面的又一个重要的方面。目前，我国的化工、冶金、造纸、印染、建材等行业都在不同程度的使用聚丙烯酰胺作为絮凝剂。2.3 造纸领域聚丙烯酰胺在造纸工业中广泛用作助留剂、助滤剂、均度剂等 。它的作用是能够15提高纸张的质量、料浆脱水性能 、减少原材料消耗及对环境的污染，用作分散剂，改
17、善纸的均匀度 。添加不同分子量，不同官能团的聚丙烯酰胺有增加填料保留，纸页纤维12干湿剂提高表面性质，油墨吸附等多种作用。此外，聚丙烯酰胺还应用于造纸生产的废水处理和纤维回收。在纸料中加入聚丙烯酰胺，能提高细小纤维和填料粒子在网上留着率，加速纸料的脱水。聚丙烯酰胺的作用机理是浆料中的颗粒靠电中和或架桥而絮凝，得以在滤布上保留下来。絮块的形成也能使浆料中的水更易滤出，减少了纤维在白水中的流失量，减少环境污染，又有利于提高过滤和沉淀等设备的效率。在我国聚丙烯酰胺在造纸中的应用比例并不是很大，但由于我国是造纸生产的消费大国，随着大型造纸生产装置的建设以及一大批大型合资造纸企业的不断建成投产，对6造纸
18、助剂的需求量一定会不断增加。聚丙烯酰胺由于其高效的絮凝作用，再造纸中的逐渐得到广泛应用，被认为是最重要的合成高分子助剂。同时，各种离子型聚丙烯酰胺均可实现工业化生产，且其构和性能可以调节，以满足造纸行业中的不同需求，其用量逐年递增，已成为合成高分子中用量最大的造纸助剂。2.4 纺织印染工业利用聚丙烯酰胺吸湿性强的特点，能减少纺细纱时的断线率；用作后处理剂防止织物的静电和阻燃，生成柔顺、防皱的保护层；用作印染助剂，聚丙烯酰胺可使产品附着牢度大，鲜艳度高。此外，聚丙烯酰胺还可用于纺织印染污水的高效净化。随着国民经济的快速发展，我国的印染业进入了高速发展时期，成为工业废水排放大户。印染废水色度深，毒
19、性强，难降解，许多染料废水难以用无机絮凝剂处理，将有机高分子聚丙烯酰胺与无机高分子絮凝剂混合使用具有用量少、絮凝速度快、受 PH 值及温度影响小以及易处理等优点 。19,32.5 其他领域采用聚丙烯酰胺作絮凝剂可促进采矿、洗煤回收水中固体的沉降，同时可回收有用的固体颗粒，避免对环境的污染。在制糖业中聚丙烯酰胺可加速蔗汁中细粒子的下沉，促进过滤和提高滤液清澈度。3 聚丙烯酰胺的使用方法3.1 用作絮凝剂 3.1.1 pH 的影响pH 值对各类 PAM 类絮凝剂的影响是不一样的，其中，阳离子型与部分非离子型对pH 值的变化不敏感，而阴离子型受 pH 值得影响较大。pH 过大或过小均会造成高分子链卷
20、曲，架桥距离缩短导致絮凝能力下降，只有在 pH 值最佳范围内絮凝效果才能保证 。143.1.2 絮凝剂的相对分子质量理论上认为聚合物相对分子质量越大，分子在溶液中的伸展度越大，则架桥能力越强，絮凝速度越大。但是相对分子质量过大，因絮凝沉降速度过快会导致上层清夜中细小颗粒残留增大。同时，高相对分子质量的 PAM 溶解速度低，增加了溶解困难。离子型高分子胶粒由于静电作用，要求相对分子质量较低，非离子型絮凝剂则要求相对分子质量较大 。17,673.1.3 溶液浓度聚丙烯酰胺溶液在使用时，投加的浓度越稀越好，较稀的投加浓度能使溶液在水中迅速扩展，充分混合，防止产生浓度过高的胶体保护现象，影响使用效果。
21、但浓度太稀会造成庞大的投加设备，一般投加浓度以 0.5%1%为宜，配制浓度以 2%为宜。聚丙烯酰胺絮凝剂，在处理高浊水中，分批投药比一次投药的絮凝效果为佳。由于分批投药能避免过高的絮凝剂浓度与泥沙混合，造成活性基团被封闭的后果，因而达到较佳的效果。分批投药的比例，一般先投加 60%然后再投加 40%为佳。3.2用作助凝剂聚丙烯酰胺在作为助凝剂使用时，一般的投加顺序在投混凝剂之后。前后相隔半小时为宜，使杂质颗粒先行脱稳到一定程度为聚丙烯酰胺大离子的絮凝作用创造条件。如果独作为处理高浊度水絮凝剂时，则应先投加聚丙烯酰胺絮凝剂，否则会影响其使用效果。PAM 吸附一部分胶粒，使其浊度降低，其余胶粒由其
22、他混凝剂脱粒脱稳，再由 PAM 吸附，这样可降低其他混凝剂的剂量。配制聚丙烯酰胺水溶液时，应在搪瓷，镀锌，铝制或塑料桶内进行，不可再铁质容器内配制和贮存。溶解时应注意讲产品慢慢地加入带搅拌和加热措施的溶解器中，应避免结固，溶液应在适宜的温度下配制，并避免长时间搅拌否则会导致聚合物降解，影响使用效果。聚丙烯酰胺水溶液应做到现用现配，当溶解液长时间放置，其性能将会视水质的情况而逐渐降低。4.聚丙烯酰胺在工业领域应用的展望聚丙烯酰胺作为一种多功能化工产品，在世界范围内其用量正以平稳的速度增长。由于经济的高速发展，工业化、城市化带来的高污染问题日渐凸显，这将会促使水处理等环保行业的发展，从而增加对聚丙
23、烯酰胺的需求。再加上国内石油、造纸、纺织等相关行业的发展相对稳定，也有利于聚丙烯酰胺应用空间的开拓。我国聚丙烯酰胺的应用水平与发达国家尚有较大差距，因此我们需要改进现有的生产工艺，提高技术水平，稳定产品质量，使具有“百业助剂”之称的聚丙烯酰胺更好的为我国的工业发展做贡献。其中，聚丙烯酰胺在水质净化方面的应用，近年来一直是我国广大科研工作者研究的热点。在我国的发展潜力很大，具有广阔的发展空间 。218参考文献：1毛欣，聂雅玲.聚丙烯酰胺的应用研究J.天津化工，2007，21（6）39-412李玉芳，崔小明.聚丙烯酰胺的生产应用及市场分析J.化学推进剂与高分子材料，2002,3（3）：16-203
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