水溶性高分子

水溶性高分子一、简介水溶性高分涵盖了一个非常广泛的，品种繁多的产品家族，有天然，人工合成，其应用非常广泛。

在这些产品家族中，合成的，特别是混凝剂和絮凝剂，主要作用是促进水介质中悬浮物的分离，同时它们也有助于对各种分离工艺过程的污泥进行脱水。

当液体介质的比重与其中的粒子比重显著不同时，固液分离过程就发生的很快，要么沉淀要么上浮。

当粒子的大小使其在液体中保持悬浮状态时，固液分离就难以进行，在这种情况下，就要使用混凝剂和絮凝剂来促进分离过程的进行。

二、目录Ⅱ简介Ⅱ目录Ⅲ胶体科学的基本原理Ⅲ-1 胶体悬浮液Ⅲ-1-1疏水胶体Ⅲ-1-2 亲水胶体Ⅲ-2 胶体浓度的测定Ⅳ混凝作用和絮凝作用Ⅳ-1 电中和Ⅳ-2吸附Ⅳ-3悬浮液的混凝脱稳Ⅳ-4悬浮液的絮凝脱稳Ⅳ-4-1 絮体的形成Ⅳ-4-2 絮体增长的动力学Ⅳ-4-3 絮体的形态Ⅳ-5 其它悬浮液脱稳体系Ⅳ-5-1 封装体系Ⅳ-5-2 双元聚合物复合混凝体系Ⅳ-5-3 微粒体系Ⅳ-6 絮凝和混凝效率Ⅳ-7影响混凝和絮凝效率的因素Ⅳ-7-1颗粒的影响Ⅳ-7-2聚合物的影响Ⅳ-7-3 聚合物在溶液中混合过程的影响Ⅳ-7-4 溶液的温度和pH值的影响Ⅳ-7-5 悬浮液有机性的影响Ⅳ-8 人工合成混凝剂的优点Ⅴ水溶性聚合物Ⅴ-1混凝剂Ⅴ-1-1季铵化聚胺Ⅴ-1-2 聚二甲基二烯丙基氯化铵Ⅴ-1-3 双氰胺树脂Ⅴ-2 絮凝剂Ⅴ-2-1 非离子絮凝剂Ⅴ-2-2 阴离子絮凝剂Ⅴ-2-3 阳离子絮凝剂Ⅴ-3 两性共聚物Ⅴ-4 其他聚合物Ⅴ-5 溶液产品Ⅴ-6 支化的聚合物Ⅴ-7 增稠剂Ⅵ聚合物的形态Ⅵ-1 干粉Ⅵ-2 乳液Ⅵ-3珠状聚合物Ⅵ-4 溶液产品Ⅶ聚合物的化学特性Ⅶ-1 粘度Ⅶ-2分子量的测定Ⅶ-2-1 光散射法Ⅶ-2-2 特性粘度法Ⅶ-3 稳定性Ⅶ-3-1 化学和生物稳定性Ⅶ-3-2 机械稳定性Ⅶ-4 离子度Ⅶ-5 聚合物残单含量Ⅶ-6 毒性Ⅷ实验室测试和工业试验Ⅷ-1 原理Ⅷ-2 主要实验室工艺和市政污水的处理应用Ⅷ-3 聚合物的使用方法Ⅷ-3-1 粉状和珠状聚合物Ⅷ-3-2 乳液聚合物Ⅷ-3-1 溶液聚合物Ⅸ一般应用Ⅸ-1分离工程和絮凝作用Ⅸ-1-1 沉淀Ⅸ-1-2 离心Ⅸ-1-3 带式压滤Ⅸ-2 应用水Ⅸ-3 工艺水Ⅸ-4工业废水Ⅸ-5 市政污水Ⅸ-6 污泥浓缩和脱水Ⅹ特殊应用Ⅹ-1 采矿工业Ⅹ-2 造纸工业Ⅹ-3 石油工业Ⅹ-4 化妆品工业Ⅹ-4-1 头发和皮肤用的调理剂和成膜剂Ⅹ-4-2 增稠剂和乳液稳定剂Ⅹ-5 纺织工业Ⅹ-5-1 人工合成的增稠剂Ⅹ-5-2 固色剂Ⅹ-6 农业土壤调节剂Ⅲ胶体科学的基本原理在液体介质中，特别是水溶液介质中，有机和无机物质以溶解或固态形式存在。

这两种形态已颗粒的大小加以区分。

溶解的化合物有：- 无机化合物，粒径最多为10-3μm，低分子量的离子和/或有机化合物；- 高分子溶解的有机化合物，如粒径稍大一点在10-2和10-3 的蛋白质或者聚合物。

固体化合物有：- 粒径在10-2 和1μm之间的胶体化合物；- 粒径大于1μm，以悬浮状态存在的化合物。

Ⅲ-1 胶体悬浮液胶体颗粒是一种肉眼不见的，不断处于高速布朗运动状态的颗粒，其中最大粒径的颗粒运动速度为0.004m/s，最小粒径的颗粒运动速度为100m/s。

这些颗粒具有很大的表面积（与其粒径成反比），所以，他们对表面现象的敏感度大于地球的重力作用，从而使粒径最大的胶体颗粒自然沉降1米深度所需要的时间超过2年，因此胶体颗粒形成的悬浮液可以长时间地非常稳定。

胶体悬浮液的稳定性取决于相关的两种相反作用力的平衡。

这两种相反的作用力是原子和分子之间普遍存在的万有引力-范德华斯力和静电相互作用力。

这两种作用力的不同取决于胶体的固有性质—亲水性（水分子被吸附在其表面）和相反的疏水性。

Ⅲ-1-1疏水胶体疏水胶体（如粘土）形成稳定的悬浮液是由于其表面电荷是相同的，它们相互排斥，这些电荷的来自其表面选择性的吸附了一种离子或者其表面本事带电（由于晶格缺陷）。

带电颗粒表面在溶解中有不同的表面电位，胶体颗粒表面和溶剂之间的静电平衡是通过两个过渡层达成。

第一层是固定的，保持吸附在胶体颗粒的表面，第二层从第一层外缘通过一个滑动面（剪切面）分离呈是扩散状的。

滑动面(剪切面)与溶液之间形成的电位差较Zeta 电位，其电位差大约为10-200mV，当它减少到零或者接近零时（等电点），胶体颗粒在范德华斯力下趋于凝聚，胶体悬浮液变得不稳定了。

如下图：Ⅲ-1-2 亲水胶体亲水胶体（一般是有机物）的稳定性是由于其表面结合一道水分子层（水化膜），这种结合是化学性质的，静电荷的作用此时是次要。

水分子层阻止了胶体颗粒之间的凝聚，在这种情况下，胶体颗粒和溶剂介质之间已没有真正意义上的界面了。

亲水胶体的稳定性受电荷的影响，电荷影响的重要程度取决于胶体颗粒官能团的电离度（离子化程度），而电离度本身取决于介质的pH值。

一般而言，等电位时，溶解性最小，此时相应的pH值在4.0-6.5之间。

因此，亲水胶体的悬浮液类似于大分子或者小分子聚集的真溶液，与溶剂(此时是水)的亲和力非常高。

在某些情况下，亲水胶体可以吸附到疏水胶体的表面，如粘土，从而将亲水胶体颗粒的性质传给疏水胶体颗粒，这种胶体悬浮液就很难脱稳。

Ⅲ-2 胶体浓度的测定目前还没有直接测定胶体浓度的方法。

我们可以用显微镜直接观察到胶体颗粒，也可以用光反射或者丁达尔效应观看到，这就是为什么胶体溶液是浑浊的原因。

浊度可以用浊度法测量，是一种相对测量的方法，用比浊度单位表示，用福尔马肼的水溶液作为零浊度标准。

Ⅳ混凝作用和絮凝作用传统的固液分离的方法，如过滤、沉淀、离心和气浮，不能直接用于稳定的悬浮液。

这些胶体颗粒太细小，相互之间保持分离的，只有通过混凝和絮凝作用使之脱稳，才能使得固液分离得以进行。

主要涉及到两个机理，电中和与吸附。

在水介质中，疏水胶体颗粒表面带负电荷，向介质中投加阳电荷溶液，可以降低Zeta电位，从而使包围在胶体表面的双电层变薄。

当胶体颗粒的电保护被消除或被降低到足够低时，这些运动的胶体颗粒就会因为布朗运动和包含颗粒的液体运动和颗粒沉淀的相对运动）而相互碰撞，此时，范德华斯力合表面吸附现象占据主要地位，胶体颗粒结合在一起，悬浮液被脱稳。

电中和的机理是可逆的，一定量的浓度的阳电荷可以使电中和的现象发生，超过一个关键的浓度后，再投加阳离子电解质，颗粒和溶液之间新的平衡又会建立，导致形成新的双电层，悬浮液又重新稳定。

浓度相同的电解质破坏胶体体系稳定性的效率随着离子化合价数增大而增大（Schulze-trivalent规则），这就解释了，通常我们优先选择二价或三价电解质作为胶体脱稳用的电解质的原因。

Ⅳ-2吸附吸附是一种表面机理，可以使得两个靠近颗粒通过范德华斯力或氢键相互结合在一起。

通过测定被胶体悬浮液吸附的高分子聚合物和其作用时间，可得绘出一个曲线—兰格缪尔吸附等温线。

吸附对时间、温度有强烈的依赖性，所以任何的测定必须是在连续的温度下进行。

吸附是一个不可逆的过程，通常要经过两个步骤。

首先、一般几秒钟后，大部分吸附反应已经发生，再经过一个相对长的第二个阶段，会达到一个平衡，这个平衡会受到颗粒吸附点数量的限制，当所有的吸附点都被占据了，就不会再有更多的分子吸附到颗粒的表面了。

吸附是一个很复杂的机理，涉及到大量相关的参数：1、混凝剂：分子链结构、电荷度、分子量。

2、胶体颗粒：可吸附点的数量、表面电荷、比表面积、颗粒的浓度。

3、水相介质：PH值、电导率、其他物质的存在、浊度、剪切率温度、产品的混合。

该体系的复杂性解释了，先阶段我们在理解和模拟这些现象时经常遭遇困难，因此，试验的方法是不可缺少的。

Ⅳ-3悬浮液的混凝脱稳混凝(作用)是让胶体悬浮液脱稳，通常使用的是高离子电荷密度的产品，在此过程中，两种类型机理可能发生。

在第一种类型中，加到胶体悬浮液中的阳离子电荷量正好等于其负电荷量，混凝作用直接由电中和产生，这种类型的混凝作用广泛用于含有铁和铝离子的饮用水处理中。

另一种混凝作用是用阳电荷的，低分子的聚合物达到的。

当这种类型的聚合物和阴离子胶体颗粒接触后，其分子链会整个地吸附到胶体颗粒的表面，进而在胶体颗粒表面形成阳离子区域。

这种相反电荷的吸附减少了胶体颗粒的表面能和其表面保护。

胶体颗粒在变成偶极后，会相互吸引相互碰撞，此时范德华斯力发挥作用，使得胶体颗粒相互结合而脱稳。

这种类型的混凝机理一般比简单的电中和机理的凝聚度高。

Ⅳ-4悬浮液的絮凝脱稳絮凝作用是通过高分子聚合物在疏水胶体间架桥来实现脱稳的。

絮凝过程需要用到分子量大于100万的聚合物，絮凝过程的发生也有两个步骤：絮体的形成和絮体的增长。

Ⅳ-4-1 絮体的形成要形成絮体，高分子聚合物本质上是通过不可逆的吸附机理胶体颗粒吸附到其分子链上，这种机理的效果，取决于聚合物的浓度、颗粒的浓度、颗粒物大小。

假如过量的聚合物覆盖在颗粒物的表面，这些颗粒物将重新被分离，再稳现象发生。

悬浮液中包含多个或者好几个广泛的粒径分布，悬浮液会因为不同聚合物浓度对应不同粒径分布而重新稳定。

因此要想得到好的絮凝效果，聚合物粒径最好是相同，不要有多种粒径形态。

作为一般规则，当这种现象发生时，絮凝效果相对来说也是可以的，但是上清液会比较浑浊。

如果聚合物浓度在能够使得颗粒表面的吸附点有空余的水平上，此时，同一条聚合物分子链会被吸附到两个颗粒上，在这种机理下，聚合物的分子链会伸展到超出双电层的范围外，分子链的自由端会一次吸附到另一个颗粒的表面，这样也就在两个颗粒之间形成架桥。

一般说来，最佳的聚合物浓度是是使得颗粒上可用的吸附点数保留一半以上。

完全伸展的聚合物链的长度一般在1微米左右，最长的链大概在几十微米，和颗粒物粒径相当（颗粒物粒径大概是1微米）。

阴离子、非离子和阳离子聚合物都可以在颗粒之间架桥，在这个机理中，电中和现象的影响是第二位的，这就解释了为什么絮凝反应在聚合物所带电荷和胶体所带电荷相同时也会发生。

由于静电排斥，电荷对高分子聚合物分子链伸展有重要影响，在絮凝过程中，分子链的形态也是个关键因素。

溶液的离子性通过降低或者消除静电排斥效应，同样影响聚合物分子链的伸展，这种现象被认为是离子效应和盐效应。

对于一个给定的聚合物，架桥重要取决于两个参数：颗粒表面可用的吸附点；颗粒碰撞的机率。

Ⅳ-4-2 絮体增长的动力学基于以上机理的描述，絮体的增长发生在以下几个步骤：1、聚合物在介质中分散；2、聚合物向固-液界面上的扩散；3、聚合物吸附到吸附了絮凝剂又与其他颗粒吸附的胶体颗粒表面；4、絮凝剂吸附另一颗粒上形成架桥和微絮体；5、连续的碰撞和吸附促进了微絮体的增长；6、通过剪切，已形成絮体破碎。

每个步骤的发生是根据其反应动力学和最终的结果，絮体的形成取决于每个不重的相对转化率，因此，举例说来，假如吸附阶段比增长阶段快很多，就会产生很多小的絮团；如果增长阶段的速率很快，絮体大，数量少。