摘要：本文针对聚丙烯酰胺在我国选煤厂尾煤水处理中存在的问题，通过实验室试验，结合聚丙烯酰胺的性质，对配制方法及其加药制度等进行了探讨。
1、聚丙烯酰胺的性质
聚丙烯酰胺是人工合成的有机高分子聚合物。它是有许多结构相同的单元联接在一起的，其分子式如下图1，式中“n”称为聚合度。它的每个分子的大小是不尽相同的，即“n”的数值不同。有的“n”值大，有的“n”值小，所以聚丙烯酰胺是一个聚合度不同的同系物的混合物。因而分子量的大小也不同，有的分子量几千，有的分子量几万，几十万，几百万乃至几千万。
由于分子量的不同，表现在絮凝效果上也不相同，分子量较低的聚丙烯酰胺，使用在煤泥的絮凝沉淀过程中，被吸附在悬浮颗粒表面上的多，而“桥连”作用小，因而形成的絮凝体较小，不利于大絮团的形成，絮凝效果差。分子量较高的聚丙烯酰胺在絮凝过程中，不但被吸附在悬浮物颗粒表面上，同时由于分子量较大，而“桥连"作用也很大，所以形成的絮凝体较大，絮凝效果好。在处理选煤厂的尾煤水时应选择较大分子量的聚丙烯酰胺。
目前国内生产的聚丙烯酰胺产品有胶冻状和粉末状两种。胶冻状含量较低，且运输、贮存均不方便。粉末状聚丙烯酰胺含量较高，运输贮存都较方便。因此对于选煤厂来说，由于用量大，选用粉末状产品为宜。
由于聚丙烯酰胺是大分子的有机聚合物，因而具有下列特殊性质：
（1）溶解性：能以较大的比例溶解于水中，但溶解速度较慢，需要一定的时间才能溶解。
（2）粒度：随分子量、浓度、水解度增加而提高，随温度增加而降低。
（3）陈化性能（高聚物的水溶液在长期放置时，粘度降低称陈化）：高分子量、低浓度、高温度、长时间存放，其陈化性能越高，粘度降低越快，絮凝效能也就越差。
（4）在强酸强碱等化学物质和光辐射，强机械引力作用下，高聚物会降解，分子量降低，使用效果下降。
（5）和盐类物质可发生共聚作用，生成沉淀物，而降低使用效果。
（6）水解作用：聚丙烯酰胺水溶液与碱性物质共存即能发生水解反应，水解后生成的羧酸盐基团的亲水性比酰胺基强，从而使长分子链在溶液中更易伸展，而加大了与悬浮颗粒的接触面积，使吸附更容易。
由于聚丙烯酰胺的如上性质，因此决定了聚丙烯酰胺在配制及使用过程中的特殊性。
2、聚丙烯酰胺的配制
2.1 使用浓度
实践证明，在多数情况下，处理尾煤水时聚丙烯酰胺的使用浓度为0.1%-0.15%时，其絮凝效果较佳，过稀的溶液会降低絮凝效果，此时却达到同样的煤泥沉淀速度，聚丙烯酰胺的用量反而增加。在同样用量下，使用过浓的溶液因为溶液的粘度大，溶解不完全和具有活性不够大的长链分子，而使絮凝效果下降。
2.2 配制要求
前已述及，聚丙烯酰胺可和盐类物质发生共聚作用，聚丙烯酰胺分子被高度紧缩，生成沉淀物而降低使用效果，使耗药量增加，因此，配制聚丙烯酰胺溶液时，应使用含阳离子数量较少的水来配制。水中的固体含量应尽可能降低，以免在配制中生成沉淀物而消耗聚丙烯酰胺。
2.3 搅拌作用
由于聚丙烯酰胺是高分子聚合物，溶解过程缓慢，为了加速它的溶解，在现场配制水溶液时，一般均采用搅拌的方法，以加快聚丙烯酰胺的溶解。但搅拌速度要适当，搅拌时间尽可能短。因为在固体颗粒分散于水中后，只需稍加搅拌，以保证均匀的溶解浓度即可。
聚丙烯酰胺在溶解时，首先是溶剂分子（如水分子）向聚丙烯酰胺内部扩散，先使其膨胀，膨胀过程使大分子间的排列疏松起来，到一定程度，可溶性的大分子才从边缘脱落，并缓慢地向溶剂深处扩散。由于分子体积大，扩散速度要比小分子慢得多。有时一团干粉团粒，由于边缘首先膨胀，而延缓了水分子的进一步渗透而“固化”，一旦“固化”就难于溶解。同时由于“固化”现象而形成较大的“胶团”而浮在表面，这些不溶性胶团的存在，容易堵塞输送管道。因此在加入聚丙烯酰胺时，需要将絮凝剂的干粉颗粒均匀分布在已经搅拌起的旋流中。
2.4 水解作用
事实证明，聚丙烯酰胺在水中溶解时，由于水溶液中有OH-的存在，使聚丙烯酰胺发生水解作用。水解作用能加速聚丙烯酰胺的溶解。例如：水中有碱存在（较好有NaOH存在，Na-可同时参加反应）时，发生如下反应：
这个反应的生成物实际上是丙烯酰胺和丙烯酸盐的共聚物。由于羧酸盐这个基团的亲水性比酰胺基强，而且是个阴离子基团，因此分子链的亲水性增强，同时由于水分子的拉扯和本身阴离子基团的相互排斥作用，使长分子链在水溶液中更加容易伸展，从而增加了溶解速度。在絮凝过程中，由于长分子链在溶液中的较易伸展，加大了与煤泥颗粒的接触面积，使吸附更容易。例如水溶液中的碱性太强，水解度太大，由于酰胺基的比例减少，分子柔性减弱，羧酸基这个负电基团又会与煤泥颗粒上的负电荷相斥，阻碍它们互相靠近，反而减弱了对煤泥颗粒的吸附。
因而在聚丙烯酰胺溶解过程中加入少量的碱，能够加快聚丙烯酰胺的溶解速度，充分发挥聚丙烯酰胺的絮凝能力。
2.5 溶解时间
前已述及，聚丙烯酰胺是高分子聚合物，其溶解过程中扩散速度缓慢，同时在加药过程中，由于人为因素的影响，不可能将固体颗粒完全均匀地分布于溶液之中，这样就很难避免有“固化”现象产生。同时为了使水溶液中的OH-逐步地参加反应，以进一步发生水解作用，适当地延长溶解时间，可使聚丙烯酰胺进一步溶解、扩散，而得到非常均匀的聚丙烯酰胺水溶液的混合体系。同时因“固化”现象而产生的小的“胶团”随着溶解时间的延长而得到进一步的溶解，小的“固化”“胶团”可发生“溶固"现象。因此适当地延长溶解时间有助于聚丙烯酰胺的溶解，降低药剂耗量，充分发挥药剂效能，增强了絮凝效果。
但由于聚丙烯酰胺的陈化性能，配制好的聚丙烯酰胺溶液经过长期放置后，粘度大幅度下降，絮凝性能大幅度降低。
有资料表明，聚丙烯酰胺靠自身溶解时，其延长的溶解时间以16-24小时为较佳，此时的絮凝效果较好。
下面是一组自身溶解时间不同，而对于相同煤泥水絮凝作用的试验结果比较（表1），本试验在煤泥水中加入某种阳离子凝聚剂，因不属于本文的探讨范围，在此便不涉及了。
表1 不同溶解时间絮凝效果比较
| 溶解时间（h） | 不同时间（s）的澄清层高度（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：絮凝剂浓度为0.1%，加药量为6mg/m3，煤泥水为某选煤厂尾煤浓缩机溢液，浓度为38g/L，实验容器为500ml量筒，水量500ml。
以上试验结果也证明了适当延长溶解时间，使聚丙烯酰胺自身逐步水解，絮凝效能有所提高。但在现场实际使用中，由于所需要的药剂量很大，使配制好了药剂溶液自身溶解近20小时左右也是不现实的。因此通常采用加碱强化水解和自身延时溶解相结合的方法。
2.6 温度的影响
水温对聚丙烯酰胺的溶解过程有一定的影响。增高水温能加快聚丙烯酰胺的溶解，同时由于温度增高，使分子间间距增加，使其粘度降低，絮凝效果下降。由于选煤厂使用的聚丙烯酰胺量较大，因此原则上来讲，增高水温配制聚丙烯酰胺溶液是不适宜的。
3、加药制度
使用聚丙烯酰胺溶液作为絮凝剂来絮凝煤泥水中的煤泥颗粒时，由于絮凝过程所需要的时间很短，因此问题的关键在于如何保证聚丙烯酰胺水溶液迅速地扩散到煤泥水中去，使较小体积的絮凝剂溶液与大体积的煤泥水充分混合，以保证与煤泥水中的悬浮煤泥颗粒充分接触，提高絮凝效果。因此在实际生产中，由于加药制度的不同，而产生的絮凝效果是不相同的。
3.1 一次加药
大多数选煤厂在使用絮凝剂时均采用管路输送，一次注入的加药方法。此方法的优点在于加药系统比较简单，易于管理操作。其缺点是由于一次加药，使药剂加入时比较集中，因为聚丙烯酰胺水溶液的粘度较大，扩散速度慢，在短时间内和煤泥水混合不充分，因而必然会造成局部浓度过低的现象，使絮凝剂效能不能充分发挥。
为了保证药剂与煤泥水的充分混合，较大限度地发挥药剂效能。在采用一次加药的方法时，可用如下方法改善煤泥水与药剂的混合效果。
（1）用喷射器将絮凝剂水溶液喷入煤泥水的管路或溜槽中。由于喷射器的喷射作用，使加入的药剂由一点加入变成几十点（乃至几百点）加入，分散了絮凝剂水溶液，提高了混合效果。
（2）在管路或溜槽中增设档板。在加药点以后的一定间隔，在输送管路或溜槽中增设档板的方法，使被输送的煤泥水与药剂在紊流作用下充分混合，可提高混合效果。
（3）利用管路或溜槽人为制造落差。在加药点以后利用管路或溜槽的落差而产生紊流作用，使被输送的煤泥水与药剂充分混合。
3.2“分步“加药
所谓“分步“加药，就是多点加药。即在输送煤泥水的管路或溜槽中，选择两个以上的间隔位置。将应加入的药量分成两部分以上加入到管路或溜槽中。先加入的药剂与水迅速混合、扩散，而后加入的药剂较一次加入的量小，局部浓度不致过高，因此也能与煤泥水尽快的充分混合，提高了混合效果。在达到同样絮凝效果的条件下，较一次性注入节约了药剂。实验室试验也证明了分步加药比一次性加药的絮凝效果要好，结果见表2。
表2 分步加药与一次加药絮凝效果比较
| 煤泥水量（mL） | 不同时间（s）的澄清层高度（mm） | |||||
| 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
| 一次 | 20 | 42 | 54 | 65 | 74 | 80 |
| 二次 | 36 | 67 | 83 | 97 | 108 | 115 |
注：絮凝剂浓度为0.1%，加药量为6mg/m3，分别加药时一次和二次加药量分别为4mg/m3和2mg/m3，间隔实际为3s，煤泥水为某选煤厂尾煤浓缩机溢流，浓度为38g/L，试验容器为500mL量筒，水量500mL。
由以上的比较结果可以看出：使用同量药剂，分步加药较一次加药在相同时间内的沉淀速度要快，表明分步加药的絮凝效果比一次性加药的效果好。
分析原因，可能是在分步加药过程中，一次加药后，絮凝剂的极性基在水溶液中与悬浮颗粒充分接触，把位于悬浮颗粒表面双电层的反号离子吸引住，同时悬浮颗粒表面与高分子絮凝剂相接近的地方负电荷过剩，进而对溶液中的反号离子产生吸引力，而吸引更多的反号离子聚集在悬浮颗粒表面，在二次加药之前，随着时间的延长，所吸附的反号离子数也就越多，也就更进一步降低了悬浮颗粒表面的负电性，但此时絮凝剂的药量还没有达到足够的药量，不能产生大的絮凝物。但此时已经作好了絮凝的“准备”。在二次加药后，达到了絮凝“起动”剂量，因而能迅速地将已被部分中和了负电性的悬浮颗粒吸附、架桥，形成较大的絮凝体，而快速沉淀。
4、结束语
通过以上的探讨，我们了解了聚丙烯酰胺的一些与生产实用较密切的性质。根据这些性质，掌握了如何正确配制聚丙烯酰胺溶液的方法及加药制度，以及絮凝效果的影响，对于在实际生产中正确使用聚丙烯酰胺具有一定的指导意义。
当然影响聚丙烯酰胺使用效果的因素远不止如上所述，例如：煤泥水温度、pH值、各种阳离子的含量以及悬浮物的粒度及浓度等，这些影响因素有些是次要的，有些不是人为因素所决定的，因此就不做更多的探讨了。
