摘要：阳离子型聚丙烯酰胺具有许多优点，具有开发研究价值，是重要的高分子絮凝剂。本文介绍了阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的制备方法、 应用及其絮凝作用机理，并分析了其发展方向。
70年代以来，阳离子型聚丙烯酰胺的研制开发出现了明显的增长趋势，日本、美国、英国、法国等国，目前在废水处理中都大量使用了阳离子型絮凝剂，尤其是近几年，日、美等国阳离子型絮凝剂已占合成絮凝剂总量的60%，且每年仍以10%以上的速度增长。这是因为现代化工业的发展和现代化生活水 平的提高使排水中有机物质含量大大提高。对于这些含有机物或胶体的水体系，由于其微粒表面带负 电荷，致使非离子型或阴离子型高分子絮凝剂用于这类废水处理不能获得满意的处理效果，而使用阳离子高分子絮凝剂时，它可以与水中微粒起电荷中和及吸附架桥作用，从而使体系中的微粒脱稳、絮凝而有助于沉降和过滤脱水，产生很好的絮凝净化作用。因此，阳离子型絮凝剂的研究和使用很受关注。
国外在已开发应用的阳离子型絮凝剂中，阳离子型聚聚丙烯酰胺絮凝剂占重要的地位。我国水处理剂总量的3/4是絮凝剂，其中聚丙烯酰胺占絮凝剂的一半。因此，聚丙烯酰胺阳离子化是我国发展阳离子型絮凝剂的重要方向。
1、阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的制备
据报道，有含硫、磷、氮的阳离子高分子絮凝剂，但有实际应用价值的几乎是含氮阳离子絮凝剂。含氮阳离子絮凝剂可分为含一、二、三价氮原子的质子化絮凝剂和含四价氮（季铵）基团的絮凝剂两大类。它们的区别在于阳离子性是否与废水中的pH值有关；含质子化氮的絮凝剂应用时应考虑废水中的 pH值对其影响而含四价氮基团的絮凝剂与废水中的值无关。
阳离子型絮凝剂在非离子型PAM均聚物（或PAM共聚物）中加阳离子化试剂，也可以由阳离子型单体与 AM共聚制得。其制备方法概括起来可分为三大类。
1.1 非离子型聚丙烯酰胺的阳离子改性
阳离子型聚丙烯酰胺合成通常是通过经甲基或曼尼期反应在聚丙烯酰胺上引入胺类分子，分叔胺型和季铵型阳离子型聚丙烯酰胺。早在1956年有人就用甲醛和二甲胺与PAM反应，研制出叔胺型改性PAM； 日本专利用次氯酸钠和PAM进行曼尼期反应，然后再与二胺试剂反应，也制得叔胺型改性PAM；我国也进行了这方面的研究，如用甲醛和双氰胺与PAM反应研制出脉盐酸型改性PAM，并用于处理染料废水；用二氰二胺对聚丙烯酰胺进行改性，获得一种新型阳离子型聚丙烯酰胺，它对印染废水中的活性艳红 X-33有良好的脱色絮凝作用，其净化效果可达99%；用甲醛和二甲胺在一定条件下与聚丙烯酰胺反应， 生成叔胺型阳离子聚丙烯酰胺，然后再进一步与硫酸二甲酯反应，生成季铵型阳离子型聚丙烯酰胺，但用此方法制备的阳离子型聚丙烯酰胺有毒性。
1.2 丙烯酰胺单体与阳离子单体共聚合
丙烯酰胺与乙烯类阳离子单体共聚合可得到阳离子型聚丙烯酰胺。较常见的阳离子单体是季铵或叔胺化的胺基酯或烷胺基酰胺。
丙烯酰胺（AM）和二甲基二烯丙基氯化铵共聚合制得的季铵化阳离子高分子絮凝剂是季铵化阳离子型聚丙烯酰胺中重要的一种。因为DMDAAC均聚物（PDADMA）及其共聚物具有正电荷密度高、水溶性好、相对分子质量易于控制、高效无毒、造价低廉等优点。因此，广泛应用于污水处理、生活用水处理等方面。如吴全才用反相乳聚合法制备的AM/DMDAAC阳离子絮凝剂处理辽阳化工废水、辽阳织染废水和辽阳造纸废水，处理后的废水已达到回用水的要求，污泥脱水的沉降速度优于日本水溶液聚合的高分子阳离子絮凝剂。肖遇等用水溶液聚合法制备的AM/DMDAAC阳离子絮凝剂处理江汉石油化工厂隔油后的污水、采油污水、钻井污水，结果表明，其使用效果比使用阳离子絮凝剂80A-51、M- PAM好。
王雅琼等用丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酸胺基乙酯（DM）共聚合制得的阳离子高分子絮凝剂，并对造纸厂中段白水进行了絮凝沉降试验。试验表明，其较佳用量、沉降速度、絮凝后的透光率随聚合物的相对分子质量投加量及水体系pH值等因素的改变而改变，相对分子质量增加可增加吸附架桥作用，使微粒加大而有利于絮凝沉降。该阳离子絮凝剂在酸性条件下的絮凝效果比在碱性条件下好。
1.3 天然高分子-丙烯酰胺接枝共聚阳离子化
天然高分子物质具有相对分子质量分布广、活性基团多、结构多样化等特点，且其来源广、价廉、可再生、无毒，所以这类絮凝剂的开发潜力较大。改性阳离子淀粉衍生物、木质素衍生物、甲壳素衍生物等，尤其是近几年来淀粉-聚丙烯酰胺接枝共聚物的研究日益引起人们的关注，并取得一定的进展。它与均聚丙烯酰胺相比，具有絮凝能力强、分子链稳定性好、适应范围广、阳离子化反应更容易进行等特点。藩松汉等用木薯淀粉为原料，采用两步法合成的阳离子接枝型淀粉聚丙烯酰胺絮凝剂对洗煤废水进行处理，对洗煤废水的絮凝沉降速度和上层清液的透过率都比均聚丙烯酰胺好。赵彦生等采用一步法合成的阳离子接枝型淀粉聚丙烯酰胺絮凝剂对山西毛纺厂印染废水进行处理，对印染废水的絮凝沉降速度和上层清液的透过率都比非离子型聚丙烯酰胺和阳离子型聚丙烯酰胺好。杨通在等合成的阳离子接枝型淀粉聚丙烯酰胺絮凝剂对印染、酿酒、屠宰和印刷电路板等行业轻工废水处理，具有投量少、产污泥量少、处理效率高等特点。李琼等合成的阳离子接枝型淀粉聚丙烯酰胺絮凝剂对广州某表面活性剂厂的生产废水处理,具有产生的絮凝体沉降速度快、适用的pH值范围宽、化学需氧量（COD）去除率高等特点。
2、阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的絮凝作用机理
阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂分子链中既含阳离子链节，又含柔性好的丙烯酰胺链节。当阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂处理含胶体颗粒带正电荷的废水时，吸附在胶体表面上的是柔性好的丙烯酰胺链节。丙烯酰胺链节不是全部都与胶体表面接触，而是很多链节伸展到悬浮液的液相中。被吸附在胶体表面上的高分子链节段为链串，伸展到液相中的高分子链节称为链环，高分子的尾端称为链端，伸展到溶液中的链环和链端形成胶体颗粒间的桥。由于一个高分子链有很多个链串与颗粒间的桥，当高分子链中吸附的胶体颗粒多时，使胶体絮凝而发生沉降，即“架桥作用”。当阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂处理含胶体颗粒带负电荷的废水时，阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂中的阳离子与废水中的带阴离子的胶体颗粒进行电荷中和作用，降低ζ电位，压缩扩散层。当5电位降低到接近零时，胶体粒子被凝聚。同时，阳离子型聚丙烯酰胺的长链产生架桥效应，使胶体絮凝。其他悬浮的颢粒也被吸附、包卷和捕集，并相互集结形成大的絮体，即“中和与架桥作用”。其沉降性好，脱色力强。由于废水中的有机物或胶体的微粒表面带负电荷，因此，阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂处理效果好。
由于废水水质变化十分复杂，组成千差万别，电荷性各不相同，处理效果也不尽相同。因此，实际应用中应先了解废水水质，然后在此基础上选择合适的阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂，发挥絮凝剂的电荷中和作用与吸附架桥作用。其处理废水的效果与其相对分子质量、阳离子度、加入量、搅拌时间等因素有关。
3、阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的发展趋势
絮凝剂作为精细化工产品中的一个重要门类，国内外都在开发价廉、无（或低）毒、无污染、一剂多效的产品上下功夫。在探索絮凝机理的基础上，开发新型高效多功能的高分子絮凝剂及兼具絮凝、缓蚀杀菌等多种功能的合成高分子水处理剂，如季铵盐型阳离子絮凝剂等一剂多效的水处理剂。此外，还要充分利用淀粉、木质素及虾、蟹壳等天然高分子资源丰富的优势，开发出更多高效、无毒、价廉的天然高分子改性阳离子型絮凝剂。
国外已开发出多种兼具絮凝、缓蚀、阻垢、杀菌等多功能的水处理剂，其中开发多功能阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂是其发展方向之一。如Gan等合成了季铵盐类丙烯酰胺-天然高分子壳聚糖及絮凝剂，它们对造纸黑液中木质素（色度和总有机碳）的去除效果分别达到90%和70%。国内对絮凝、缓蚀等多功能水处理剂研究始于80年代中期。华南理工大学对阳离子型丙烯酰胺-天然高分子絮凝剂进行了系统研究（22-25），研制了一系列油田污水净化处理用具有絮凝-缓蚀功能的水处理剂。另外，近年来国内进行了季铵盐型聚丙烯酰胺共聚物合成方法的探索。
目前，我国阳离子高分子絮凝剂品种单一，除了聚丙烯酰胺的曼尼期反应产生的阳离子絮凝剂外，能真正工业化并具有工业潜力的水溶性阳离子高分子絮凝剂几乎没有。而曼尼期反应产生的阳离子絮凝剂由于毒性问题，不能用于水处理。因此，我国应致力开发无（或低）毒的丙烯酰胺与阳离子化单体共聚合物絮凝剂、天然高分子-丙烯酰胺接枝共聚合阳离子化的聚合物絮凝剂；开发具有多功能的阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂，使其不仅具有絮凝功能，而且还具有其他水质处理能力，以满足复杂水质情况下多种水质要求的需要，使其在水处理中得到更广泛的应用。
