聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺

专业：环境工程班级：101 学号：101504002 姓名：王啸宇

摘要：制备聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺可用做助凝剂、驻留剂、污泥脱水剂以及凝聚沉降等，有“百业助剂”之称。它能通过吸附污水中的悬浮的固体粒子，使粒子间架桥或通过电荷中的使粒子凝聚形成大的絮凝物，而得到分离、澄清的效果。

关键词：化学试剂、化工生产、化学应用

前言：制备并应用聚丙烯酰胺，能够提高作业效率，降低操作成本。

一、PAM的生产：

1、化学反应：

聚丙烯酰胺的生产包括两个过程：丙烯腈水解为丙烯酰胺和丙烯酰胺聚合为聚丙烯酰胺，它主要包括以下两个有机化学反应：

2、生产工艺

（1）水解过程

丙烯晴的水解过程，在聚丙烯酰胺的具体生产过程中，先后采用过三种催化剂。

丙稀酰胺是以丙烯腈为原料于水相中在催化剂的作用下水合反应而成的。从60年代的硫酸水合法到70年代骨架铜为催化剂的催化水合法，前者因为产品纯度低、收效低、产生大量的还硫酸盐和废液，所以已被淘汰。后者则因为需要高温高压，一次转化率低，以及一些铜离子齐聚物的存在而影响产品质量。而在80年代开发的利用生物酶做催化剂的微生物催化法，不仅具有高活性、高选择性、高收率、低耗能、低成本、丙稀腈反应完全、无齐聚物等副产物的优点，而且可以在常温常压下进行，减少三废产生。

采用骨架铜作为催化剂，由丙烯腈水解丙烯酰胺，转化率仅为97%~98%，由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1200万，而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，其转化率达99.9%以上，比化学法成本低10%以上，聚合生成聚丙烯酰胺分子质量可达2000万以上。

生化催化法原理极为简单，选用红球菌酶为酶种，生化催化剂是浮液，为间歇操作，在30℃，101.3kPa下进行，合成丙烯酰胺水溶液浓度为6％-35％，反应l~5h。经滤去催化剂，可直接用于聚合。生产lt丙烯酰胺需丙烯腈750kg、催化剂1kg。反应在水溶液内进行，丙烯酰胺溶液不含杂质。

（2）聚合过程

聚合反应是指在丙烯酰胺通过引发剂引发与辐射引发的情况下进行聚合。聚合方法有：水溶液聚合、有机溶剂聚合、乳液聚合、悬浮液聚合及本体聚合等，使丙烯酰胺均聚。

聚合过程包括活性中心的形成、链的增长和链的终止。

二、PAM的应用：

PAM具有优良的选择性和适应性，是当今世界上获得快速发展的高科技精细化工产品，广泛用于油田注水增调剂、钻井低固相不分散泥浆絮凝剂、土壤改良剂、纺织浆料、纸张增强剂、土壤稳定剂、纤维糊料、树脂加工助剂、分散剂，以及用于助沉、洗煤、污水处理、铀矿沥取、石油钻井等。PAM作为新型高分子材料，其应用和开发进展很快．已经取得令人瞩目的成果。

1、油田：自1964年帕依(rye)和桑迪福德提出了在生水中加人少量PAM能降低水的流度后，这种方法在油田中应用已有40多年历史。使PAM和甲醛、亚硫酸氢钠等水溶液．在相应温度下反应，可生成带磺甲基的产物。实验表明，在PAM链上引入磺酸盐可改善热稳定性、耐剪切性和低吸附性，使高分子的亲水性和抗盐性大有提高，并提高了产物的耐高价离子污染的能力。

PAM作为一种多功能添加剂．在钻井工艺中用于泥浆的增调剂、稳定剂和沉降絮凝制以改进泥浆的流变性；能改进悬浮颗粒的大小，提高悬浮力，加速原油的过滤、分离。作为土壤结构成型剂，使井壁表面抗冲击性能提高，钻井通过启层时使不易分散的液浆获得高效的分离效果。使部分水解均聚丙烯酰胺与甲醛、乙二醛等发生羟甲基化反应而生成侧链含甲基的产物，在原油生产中可获得满意的效果。

在二次采油时将PAM注人盐水中，可提高盐水的喷射能力，从多孔的岩石表面有效地将原油萃取下来。在水～油乳液中加人PAM，可明显地降低乳液的粘度。加人贮油池内，可降低油池表面的含水量，降低采用成本。在石油开采中，可增加注人水的粘度，避免击穿油层，提高采油率。在第三次采油中用作增稠剂，增加驱油能力，提高油床开采效果。在油田领域内，更新的阴、阳离子的PAM可用于保护注人的地下水从启孔渗透并凝集回收原油，提高油井生产的经济性，控制水分向油层掺人。

此外．PAM还用于压裂液添加剂、润滑剂、降阻剂等。在油田化学中，PAM是多用途的添加剂，如钻井液、洗井液、注水采油及提高采收率等都起着重要的作用。利用PAM线型大分子结构，在湍流状态下很容易按流动方向取向成长线条状，抑制湍流发展。PAM可作为降摩剂的理想材料，在原油的长距离管道输送中，加人0.lmg／L(原油量) PAM，就能大大地降低原油输送阻力，从而降低能耗。

2、造纸：PAM在造纸中的应用，始于40年前的阴离子型PAM。其后各种改性PAM的快速发展，尤以AM与其它单体共聚及AM与淀粉的接枝共聚为主。用于造纸助剂，在国外使用量相当大。不同分子量的PAM也有它各自不同的用途：分子量(M)1000～10000用于分散剂，可改善纸页的均匀度；M为50万~100万可用做增强剂，能有效提高纸的强度；M为100万~250万可用做助留剂、滤水剂、沉降剂，能提高填料和细小纤维的存留率，加速脱水速度，还可沉淀污水，减少它们在水中的流失量。

PAM可作为造纸厂的污水处理剂。处理后废水可循环使用，并可严格控制污水中金属离子的含量。

3、水处理：在工业用水和污水处理中，首先要对原水进行处理．常使用PAM和无机凝聚剂配合物，由此大大降低无机凝聚剂用量，避免无机凝聚物用量大而堵塞和腐蚀设备，并防止结垢。使用37.5份高分子PAM与50份三聚磷酸钠组成阻垢剂。可使严重结垢的换热器基本不结垢。

PAM作为絮凝剂用改性淀粉进行改性后可增加水的结合量，它是用15份PAM与85份淀粉来制备。PAM的分子内酰胺基可与许多物质亲和形成氢键。高分子PAM是能吸附微粒

的官能团线状高分子化合物。它能像一条长绳一样将一些微粒吸附在一起形成团絮状，也可加速微粒沉降。高分子PAM能在被吸附的粒子间形成“桥联”，其长碳链起架桥作用，可通过化学转化或共聚转变成含有阳、阴、非离子及两性离子的完整絮凝剂体系，促进团絮生成，加速微粒沉降。由此使它成为当代最重要、最理想的絮凝剂，也是在我国使用量最大的一种高分子絮凝剂。PAM与其它絮凝剂相比，其品种多，规格齐全．可满足不同废水处理的使用要求。其用量少．沉降速度侠，生成泥渣少，后处理简单。

PAM适用于工业污水．制糖工业废水及化工、石油开采、冶金、煤炭等各行业的废水处理。可强化废水快速实现固液分离．脱除少最机械杂质，达到净化污水的目的。例如用于制糖工业，能使沉淀速度提高20倍。其分子量越大．絮凝效果越好，一般用量1～15mg／Ｌ。

4、水土保持：在20多年前，美国已成功地将PAM用于土壤结构成型剂。施用少量PAM 共聚物，可明显提高土壤抗风蚀和水蚀的能力，较传统的增强剂(如沥青)等更为有效。

粉状PAM具有水溶性，降雨时可随水分扩散均匀并渗透到土壤孔隙内呈饱和。由于PAM 具有絮凝性，遇到水中悬浮的土壤颗粒时，一个组分可吸附多个土壤颗粒，而一个土壤颗粒也能被多个组分分子吸附，从而产生大的凝絮团。这些凝絮团，降低了雨滴对土壤的表面溅蚀力，而分子团的作用减少了颗粒的起动力。分子团的粘性也降低了流体阻力，增加了抗蚀性，加强了土壤颗粒间的相互作用，从而使土壤表而稳定。其保水、保土、保肥效果十分明显，对水土流失的治理起积极作用。由于PAM的水解度(ＨPAM)可使土壤团粒化，改善空气流通性、水渗透性和保水性，除可作为土壤改良剂、水土保持剂外，也可用于堵漏剂、果树防冻剂和水呼吸树脂等。

5、碳纤维增强树脂：碳纤维增强聚丙烯酰胺树脂是以合成树脂聚丙烯酰胺树脂为基体，加入各种纤维增强而成的高分子复合材料。碳纤维增强塑料在未来合成材料的应用中将占主导地位。

6、纺织业：在纺织工业中PAM可用于上浆剂、整理剂。使用丙烯酰胺共聚物替代明胶和淀粉用于纤维的浆料．可使纤维具有极好的梳棉性，并明显降低浆料的消费量。

7、浮选分离：PAM作为高效絮凝剂，为其它絮凝剂所不及。在矿物悬浮液中加入HPAM，并在超声波作用下，会产生高效絮凝效果。将其用于煤矿的浮选液可加速沉积的凝集，用于采煤可提高开采率，降低能耗。

在赤铁矿一石英混合物中使用HPAM可进行选择性絮凝，利用HPAM高分子与赤铁矿粉末的分子表面较强的分子间结合力，可分离出石英粉末。

将HPAM用于选择性分离已引起研究者的极大兴趣，正在寻求最佳工艺条件以达到显著的效果。

1976年日本学者使用含Ti(OH)４的块状PAM经粉碎后，曾从海水中提出金属铀。

1979年使用Fe(OH)2、En(OH)2等的PAM共聚物吸附Ca、Ni、Cu等金属离了获得成功。

1983年中国台湾合成了PAM一磷酸锆树脂，将其有效地分离Cs、Co、Ce等金属离子。

1988年日本随后合成出PAM一磷酸锡树脂，用于从海水中提取金属离子．

8、医学：在医学领域，均聚物凝胶用于凝血酶原粒化刺和药物的载体。文献报道，用粒径小于0.3mm的PAM携带药物后处理伤口，可吸收伤口的异物和脓，并释放出药物达到治疗的目的。

9、生化领域：交联的、部分水解PAM可用于生化领域。粒度几百微米到几十微米的PAM可用于色谱埴料(例如凝胶色谱柱填料)，可有效地分离乳球朊、白朊晶朊、细胞色素等球形蛋白质，留下来的高分子量的蛋白质被进一步浓缩。

10、其它应用：PAM可作成微球．其机械强度高，可用作高效色谱仪填料。功能化的PAM可作固定化酶的载体和化学反应的催化剂，用于不同的化学催化反应。在农业上．PAM 可用于肥料、杀菌等的外包覆材料。将PAM加在水流中可使水流阻力降低，使消防水喷枪

喷得更远；用于水力推进船只，可提高航海速度；作为涂料，可用于人造草的表面涂饰。

PAM的应用将会随着功能化的进展，呈现更加诱人的发展前景。

三、PAM 的进展：

我国聚丙烯酰胺主要用于石油开采、水处理和造纸领域，另外在纺织、冶金制糖、医药等领域也有应用。2006年聚丙烯酰胺的表观消费量约为31.87万吨。其中，石油开采领域对聚丙烯酰胺的消费量约占总消费量的78.5%、水处理领域约占11%、造纸领域约占7.8%、纺织等其他领域约占2.7%。

2004年全球约37％的PAM用于给排水处理，27％用于石油工业，18％用于纸浆和造纸工业。PAM还可用于食品业、农业灌溉等。

尽管我国聚丙烯酰胺的产量很大，但是造纸用聚丙烯酰胺的质量并不能达到国内造纸厂的要求，因此每年国内的造纸厂都需要从台湾、日本等国家和地区进口大量的聚丙烯酰胺。随着纸和纸板产量的不断增加，聚丙烯酰胺的进口量呈逐年上升趋势，2002-2006年我国聚丙烯酰胺进口量年均增长率约为15%，2006年进口量达2.62万吨。但随着日本的荒川化学工业公司、精工PMC公司、播磨化学公司在中国加大对聚丙烯酰胺生产的投资，预计未来造纸用聚丙烯酰胺的进口将减少，2010年我国聚丙烯酰胺的进口量将约为2万吨。我国聚丙烯酰胺出口到南非、美国、澳大利亚等70多个国家和地区。随着聚丙烯酰胺产量的快速增长，出口量呈逐年递增的趋势，2002-2006年我国聚丙烯酰胺出口量年均增长率约为13%，2006年出口量达2.75万吨。预计未来我国聚丙烯酰胺的出口量还将继续增加，2010年将约为3.8万吨。

到2010年全球需求增长率预计达到5.4%/年，拉丁美洲、亚洲、中东和亚太地区的需求增长最快。拉丁美洲为6%/年，亚洲、中东为6.3%/年，亚太地区为9.1%/年。

在石油开采方面，由于我国早期开采的油田逐步老龄化，目前大庆油田和胜利油田已大规模使用聚丙烯酰胺，2006年我国石油开采领域消费聚丙烯酰胺约25万吨。预计未来将有更多的油田开始大量使用聚丙烯酰胺，2006-2010年该领域对聚丙烯酰胺的需求量将以5%左右的速度增加，到2010年需求量将达到约30.7万吨。

聚丙烯酰胺在水处理中用作絮凝剂，主要包括在原水处理时与活性炭等配合使用，用于生活水中悬浮颗粒的凝聚、澄清；在污水处理中用作污泥脱水；在工业水处理中用作一种重要的配方药剂。目前许多大中城市在供水紧张或水质较差时，都采用聚丙烯酰胺絮凝剂作为补充。在污水处理中，聚丙烯酰胺已成为絮凝剂的主要品种。2006年我国水处理领域消费聚丙烯酰胺约3.5万吨。随着我国水污染治理工程建设的加快，今后聚丙烯酰胺的消费将持续增加，预计到2010年该领域对聚丙烯酰胺的需求量将达到约4.8万吨。

聚丙烯酰胺在造纸工业中主要用作驻留剂，其中阳离子型聚丙烯酰胺驻留效果最好。我国是纸张生产和消费大国，2006年纸和纸板产量达6500万吨，对聚丙烯酰胺的消费量约为2.5万吨。预计到2010年我国造纸能力将达到9400万吨/年，该领域对聚丙烯酰胺的需求量将达到约4万吨。

其他领域，聚丙烯酰胺可用于在纺织、采矿、建筑等方面，2006年这些领域共消费聚丙烯酰胺约0.87万吨，预计到2010年对聚丙烯酰胺的需求量将达到1万吨。

综上所述，2010年我国对聚丙烯酰胺的总需求量将达到40万吨左右。

四、PAM现今状况：

目前我国已能生产非离子、水解聚丙烯酰胺，水溶液状阳离子聚丙烯酰胺，粉状阳离子聚丙烯酰胺，淀粉改性阳离子聚丙烯酰胺，磺甲基聚丙烯酰胺，亚甲基聚丙烯酰胺，胺基聚丙烯酰胺，羟甲基聚丙烯酰胺，胺甲基聚丙烯酰胺，水解聚丙烯酰胺等，并按照水溶液，干粉、乳剂等型不同，分子量不同及离子度不同分为许多种牌号。

近年来国内PAM发展较快，大小生产厂已近百家。