3.5 阴离子型合成有机高分子絮凝剂的应用
阴离子型合成有机高分子絮凝剂不仅可用于处理制浆造纸、石化、食品、制药、制革、冶金等工业废水，也可以用作污泥脱水剂，还可以用作矿物浮选剂。
3.5.1 工业废水处理中的应用
3.5.1.1 聚丙烯酸钠
（1）味精废水预处理
由于味精废水中含有大量蛋白质、残糖等，黏性大，难以压缩沉降；同时其呈强酸性，悬浮颗粒带较强的正电荷。因此，味精废水是难处理工业废水之一。基于其上述特性，采用普通的低分子量中性电荷的无机絮凝剂与有机絮凝剂进行絮凝试验难以取得预期的效果。因而，必须选用强负电荷、高分子量的絮凝药剂。先在强负电荷絮凝剂的电性中和作用下使悬浮颗粒产生，然后在高分子絮凝剂的凝聚-架桥作用下使其高度絮凝。黄民生等[27]选用1%羧甲基纤维素钠、1%木质素、0.5%聚丙烯酸钠三种絮凝药剂以及以聚丙烯酸钠为主絮凝剂、羧甲基纤维素钠和木质素为助絮凝剂来预处理味精废水。试验选用味精废水水样150mL，废水含COD 43000mg/L、SS 9564mg/L和
57870mg/L，废水的pH=1.3。对废水pH值（1.0～7.0之间）、搅拌时间（20～180s之间）和药剂投加量（3～15mL之间）对絮凝效果的影响进行了系统试验。试验过程发现：采用聚丙烯酸钠作为主要絮凝剂、木质素作为助凝剂、天然沸石作为吸附剂预处理味精浓废水，取得了十分好的效果。预处理过程对COD、SS和
的去除率分别达到69%、91%和43%，预处理药剂费用约为6.24元／吨废水，分离出的蛋白质经济获益约27元／吨废水。
（2）炼钢厂转炉除尘废水处理
边立槐[28]分别采用聚合硫酸铁、碱式氯化铝和聚丙烯酸钠处理天钢集团有限公司第二炼钢厂转炉除尘废水。结果发现，絮凝剂选用聚丙烯酸钠具有用量少、沉降速度快等优点，而且絮凝性能优于聚合硫酸铁和碱式氯化铝，其合理投药量为0.5mg/L，能够解决沉淀池出水悬浮物含量高的问题。
（3）重金属吸附
杨帆等[29]用聚丙烯酸钠吸附含铜废水，考察了吸附剂用量、时间、温度、pH值对聚丙烯酸钠吸附铜性能的影响。结果表明，对含铜200mg/L的高铜废水，吸附条件为：温度50℃，聚丙烯酸钠用量30g/L，时间60min，pH值为6时，聚丙烯酸钠对其的吸附率为97.14%，最大吸附容量为8.35mg/g。张磊等[30]用聚丙烯酸钠吸附含钾溶液，考察了吸附剂种类和用量、钾溶液浓度、时间、温度、pH值对吸附含钾溶液的影响。结果表明，当钾离子浓度为0.020mol/L，时间为60min，吸附温度为40℃，pH值为7.0，kl-5a型改良性聚丙烯酸钠的质量与含钾溶液的体积之比为1g:100mL时，负载钾效果相对较好，可以达到85%左右，很大程度上保留了溶液中的钾离子，可以填充土壤层用于减少钾离子流失。
3.5.1.2 阴离子型聚丙烯酰胺
本书中，阴离子型聚丙烯酰胺主要包括阴离子单体与丙烯酰胺单体的共聚物，如丙烯酰胺／丙烯酸（盐）共聚物和丙烯酰胺／甲基丙烯酸甲酯／丙烯酸三元共聚物等，以及聚丙烯酰胺的化学改性产物等，如水解聚丙烯酰胺、磺甲基化聚丙烯酰胺和聚-N-二膦酰基甲基丙烯酰胺等。
（1）硫酸废水处理
杨仲苗[31]用不同类型的聚丙烯酰胺产品处理硫酸废水，发现在中性及碱性的污水条件下，阴离子型的PAM絮凝效果好，其分子量大，同一分子间的相互排斥在水中的分子伸展度较大，因而具有良好的絮体化性能。而且根据污水处理厂的进水要求，处理后的外排废水pH值控制在8～10.5，因此选用阴离子型PAM絮凝剂较为合适。此外，在硫酸废水处理中使用阴离子型PAM絮凝剂，可以提高污水沉降效果，改善污水悬浮物排放质量。
（2）含油污水处理
邓述波等[32]系统研究了聚丙烯酰胺对聚合物驱含油污水中油珠沉降分离的影响，发现阴离子聚丙烯酰胺（HPAM）对聚合物驱含油污水处理有正反两方面影响：聚合物能增加污水黏度，降低油珠上浮速度，而且聚合物能增加油水界面水膜强度，延缓油珠聚并时间，这是聚合物对油珠沉降分离的不利影响；同时，聚丙烯酰胺具有絮凝性，能将水中油珠连接到一起，有利于油珠聚并。当聚丙烯酰胺分子量为2.72×106、用量小于800mg/L时，絮凝作用大于黏度作用，有利于油珠的沉降分离。
（3）味精废水中分离出菌体蛋白
味精废水中含有大量谷氨酸生产菌，约占废水总量的1%，这些菌体是一种良好的蛋白质资源，向天然水体排放氮、磷丰富的废水可导致水体的富营养化，引起严重的环境污染。谷氨酸生产菌体很小，其大小为直径0.8μm左右，在废水中呈稳定的胶体状态，从味精废水中分离菌体蛋白的方法有离心分离、膜分离、热絮凝分离、化学絮凝分离等。黎海彬等[33]采用化学絮凝法从味精废水中分离菌体蛋白，即向废水中添加一定量的絮凝剂以破坏菌体蛋白胶体的稳定性，使其产生聚沉而实现菌体的分离，对絮凝剂的筛选、絮凝条件选择、絮凝前废水的预处理以及絮凝机理等方面做了深入的研究。实验表明，复合絮凝剂要比单一絮凝剂除菌效果好，而且，选用石灰乳作味精废水的中和剂，以碱式氯化铝和阴离子型聚丙烯酰胺作复合絮凝剂，从味精废水中分离菌体蛋白。经统计寻优和多目标优化：碱式氯化铝（有效率含量10%）溶液的用量为10mL/L，阴离子型聚丙烯酰胺（分子量为1000万～1500万）的用量为14.2mg/L，废水pH值为4.5，温度为31℃条件下絮凝，菌体蛋白的去除率为98%以上，CODCr的去除率为30%以上。
（4）烷基苯磺酸盐废水处理
王宗平等[34]利用复合絮凝剂处理烷基苯磺酸盐废水，系统研究了聚合氯化铝、阴离子型聚丙烯酰胺、PPA处理T105废水的絮凝效果。结果表明，在室温及中性偏酸絮凝条件下，选用聚合氯化铝与阴离子型聚丙烯酰胺复配（聚合氯化铝投加量为大于200mg/L，阴离子型聚丙烯酰胺投加量在10～20mg/L之间），作为该废水处理药剂，COD的去除率为70%～80%，而且比采用PPA与阴离子型聚丙烯酰胺复配处理T105废水更经济。
3.5.2 工业生产中的应用
（1）矿物加工
①L·别斯拉等[35]采用分子量为（5.5～7）×106的阴离子型聚丙基酰胺（PAM·A）作为絮凝剂对高岭土悬浮液进行絮凝和脱水试验。结果表明：在表面活性剂如SDS（十二烷基硫酸钠）、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）和TX 100（非离子型表面活性剂聚氧乙烯醚）存在时，物理吸附和化学吸附联合控制着PAM·A在高岭土表面上的吸附量。PAM·A在新鲜的高岭土和经表面活性剂预处理的高岭土表面上的最佳絮凝浓度约为表面覆盖面积的50%。高岭土悬浮液经三种表面活性剂预处理后，PAM·A得到的絮团较大。用SDS预处理的高岭土经絮凝后其沉降速度最大，滤饼单位阻力（SRF）值最小，此时约40%呈物理吸附，其他为化学吸附。此时形成的絮团适于过滤，可大幅度降低SRF值。在所有情况下，与SRF最小值对应的PAM·A浓度要比最佳絮凝要求的浓度低得多，此时PAM·A的吸附密度约为最大吸附密度的25%。表面活性剂与PAM·A混合物的添加对高岭土悬浮液絮凝和脱水的影响取决于PAM·A与表面活性剂相互作用的特性。PAM·A与SDS混合物和PAM·A与TX 100混合物的添加增大了沉降速度，而PAM·A与CTAB混合物的添加降低了沉降速度。同时添加聚合物和表面活性剂时，聚合物对滤饼水分的控制要比表面活性剂控制程度大得多。
②方善如等[36]研究了絮凝作用对浮选精煤粉过滤脱水的影响，并使用阴离子型高分子絮凝剂进行了实验。结果表明，过滤速度有很大的提高，同时降低了滤饼的含湿量。并对样品进行实验优化，得到最佳絮凝剂用量为0.045mg/g，对应的最佳搅拌条件为Nt=5.1×108，滤饼比阻下降到原值的1.1%，质量下降到16.28%。
③李崇德[37]利用阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂进行硫精矿浆浓缩的沉降试验和工业应用，5年的使用情况表明，阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂能有效抑制硫精矿浓密池跑浑现象，每年减少15万～20万元的硫精矿流失，并避免了环境污染。
④卢毅屏等[38]以聚丙烯酸为絮凝剂、油酸钠为捕收剂进行了细粒黑钨矿絮团浮选行为的研究。结果表明，尽管聚丙烯酸对黑钨矿的絮凝能力随其分子量的增大而增强，但中等分子量的聚丙烯酸表现了最好的絮团浮选效果。在pH=6.8、聚丙烯酸用量为51mg/L、油酸钠用量为100mg/L的条件下进行了-20μm黑钨矿-石英混合矿的絮团浮选分离，获得了钨精矿品位68.48% WO3、回收率91.31%的分选指标，显著优于常规浮选的分离效果。
⑤Zou等[39]将β-环糊精结构引入聚丙烯酰胺中，合成了一种阴离子型聚丙烯酰胺。研究发现，由于引入了环糊精结构，因而提高了聚丙烯酰胺的表面张力、耐盐性、剪切强度、耐热性以及增黏作用，其中阳离子型聚丙烯酰胺更适合应用到高温、高盐的油田石油回收。
（2）洗涤行业
用聚丙烯酸钠作为助洗剂是制造无毒、无污染洗涤剂较为理想的方法。聚丙烯酸钠是一种新型高效的洗涤助剂，可以取代目前洗涤剂中普遍使用的三聚磷酸盐和其他铝盐，从而消除了因使用三聚磷酸钠和铝盐所排出的废水对环境的污染。聚丙烯酸钠的助洗性能远远优于传统的三聚磷酸钠，洗涤效果相当于5倍同重量的三聚磷酸钠，用量仅为三聚磷酸钠的1/5，可降低洗涤剂的成本，获得明显的经济效益[40]。
孙宾等[41]采用溶液聚合法合成丙烯酸-丙烯酰胺共聚物助洗剂，并综合研究了共聚物离子基团含量、分子量、质量浓度、杂质等因素对丙烯酸／丙烯酰胺共聚物助洗性能的影响。他们发现：丙烯酸／丙烯酰胺共聚物的螯合性能、碱缓冲能力均较低，而分散性能远大于三聚磷酸钠（STPP）；在共聚物的质量浓度较低时（低于20mg/L），分散性能几乎不变，保持在最小值，然后随着共聚物质量浓度的增加，分散性能增大；丙烯酸／丙烯酰胺共聚物分子链中羧酸根阴离子基团含量不同，对共聚物的分散性能有着较大影响，随着离子基团含量的增加，分散性能增大；随着分子量的增大，丙烯酸／丙烯酰胺共聚物的分散性能也增大，这是因为分子量大的高分子中含有更多的阴离子基团。
（3）制浆造纸工业
①张维茹[42]从应用实践出发，阐述了阴离子型聚丙烯酰胺作造纸分散剂的若干影响因素，结果表明：高分子量阴离子型聚丙烯酰胺比低分子量产品黏度高，分散效果好，并能减少用量，节约费用；酸性水溶液对玻璃纤维具有很好的分散作用，阴离子型聚丙烯酰胺水溶液对合成纤维有很好的分散作用；高价金属离子如铁离子、铝离子是聚丙烯酰胺化学降解的催化剂，这些离子的混入会影响其分散作用，可见采用松香胶施胶的系统不宜采用此分散剂，溶解和贮存设备也应当避免金属离子带入；通常高温、快速搅拌是促进溶解的有效方法，但对有机高聚物而言，过高的温度和过大的剪切力则会使其断链降解，性能下降，正确的溶解方法是常温水，中速搅拌，缓慢加料。
②郭纬等[43]在二次纤维中加入分子量为2200万的阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）进行试验，结果表明，高分子量的阴离子型聚丙烯酰胺对二次纤维中的填料有较高的留着率，与此同时纸张物理强度呈下降趋势。APAM用量在0.2%以后，物理强度才稍有回升。高分子量的APAM助留效果较其助滤效果要好得多。
③胡惠仁等[44]利用阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）研究提高纸张的干强度，系统研究了APAM的分子量、APAM用量、加料顺序以及浆料的初始pH值对APAM增强效果的影响，试验结果表明：晒图原纸纸浆在不加填料的情况下，APAM的分子量在45万～80万范围内有较好的增强效果，抗张强度增加14%～20%，耐破强度增加18%～30%，耐折强度增加25%～67%，而且撕裂强度也较高；晒图原纸纸浆在添加15%滑石粉的情况下，APAM的分子量在30万～70万范围内增强效果较好，抗张强度、耐折强度和耐破强度分别增加17%～20%、60%～120%和30%～69%，纸页的撕裂强度变化不大，施胶度随APAM分子量的增大而增大；纸页的抗张强度、耐折强度和耐破强度随APAM用量的增加而增大，当APAM用量达0.8%时，抗张强度增加35%，耐折强度增加233%，耐破强度增加41%，然而撕裂强度则随APAM用量的增加呈下降趋势；在硫酸铝用量相同（3%）的情况下，采用APAM-松香-硫酸铝添加顺序较APAM-硫酸铝-松香添加顺序，纸页的抗张强度、耐破强度和耐折强度均高些；在添加APAM之前，无论是采用纸机白水或自来水加硫酸铝将浆料pH值调至5.5，还是用自来水或纸机白水加NaOH将浆料pH值调至6.5，浆料的初始pH值在5.5～6.5范围内对APAM的增强效果都没有十分显著的影响。
④李春萍等[45]通过对聚丙烯酸钠、非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺（水解度为28%和40%）等五种絮凝剂进行沉降效果实验，优选出适宜于生产造纸用高浓度漂白液的絮凝剂，并确定了其最佳使用量。结果表明：适宜于漂白液絮凝沉降的絮凝剂是水解聚丙烯酰胺，且水解度大的絮凝剂絮凝作用强，故选择水解度为40%的聚丙烯酰胺为絮凝剂；水解度为40%的聚丙烯酰胺在絮凝沉降中最佳使用量为13mg/L。而使用量较大的原因在于石灰乳中固体颗粒细而多，因此沉降困难，其使用量也就相应增大。但在生产中其投入成本仍较低，可获得较好的经济效益。
⑤艾红英等[46]的实验表明，在长纤维抄纸中，聚丙烯酰胺可以更好地分散纤维，在草浆造纸中使用聚丙烯酰胺更能提高纸张性能。根据聚丙烯酰胺产品的分子量及电性的不同，聚丙烯酰胺又有着不同的用途，阴离子型聚丙烯酰胺可作为纸浆分散剂；低分子量聚丙烯酰胺可以作为纸张增强剂；中等分子量聚丙烯酰胺作为助留助滤剂使用；高分子量聚丙烯酰胺在造纸废水处理中作为絮凝剂使用。
（4）用作水煤浆添加剂
除了煤种和粒度分布以外，优良的分散剂是提高水煤浆（CWM）浓度的最有效途径。目前国内使用的分散剂有木质素磺酸盐（包括纸浆废液）及其改性物、腐殖酸盐及其改性物、萘磺酸（或磺化焦油）甲醛缩合物（NSF）等。20世纪90年代初期，日本狮子公司率先开发出一种阴离子型高分子分散剂——聚苯乙烯磺酸钠（PSS），它的重均分子量一般为15000～20000，加入量只有煤基的0.5%左右，无论是分散性还是煤浆稳定性都比NSF等传统分散剂优越。为此，王村彦等[26]使用国产原料试制出聚苯乙烯磺酸钠，并将其用作水煤浆分散剂。在相同用量的情况下，PSS的降黏效果和煤浆稳定性均优于国内通用的萘磺酸甲醛缩合物，接近或达到了日本同类产品的水平。
3.5.3 其他方面的应用
在再生纸生产过程中，因纸张来源不同，回收过程复杂多样，所以在再生产过程中会产生大量的污泥。其污泥组成的主要成分为原纸生产中加入的填料、原纸上的印刷油墨、循环及堆放过程中黏附的杂物等，成分非常复杂。生产过程中先将有用的造纸纤维与以上污泥进行分离，分离得到的污泥含水率往往在99%左右，通常加入有机高分子絮凝剂，使污泥中固相物质絮凝成较大颗粒，实现污泥脱水。
洪卫等[47]利用阴离子型聚丙烯酰胺加入醚化剂，拟改善其絮凝效果，来处理再生纸污泥，以替代价格远高于它的阳离子型聚丙烯酰胺。并探讨了阴离子型聚丙烯酰胺的加入量、醚化剂的加入量、停留时间、pH值等因素对污泥脱水性能的影响。实验室工作和中试证明：经过改进，加入适量醚化剂，采用缓冲的方法，用阴离子型聚丙烯酰胺可以达到和阳离子型聚丙烯酰胺十分接近的效果，这样可以大大节约成本，取得较好的经济效益。综合经济因素和污泥脱水效果因素，确定了阴离子型聚丙烯酰胺的最佳用量、醚化剂和阴离子型聚丙烯酰胺用量的最佳配比、最佳停留时间、pH值等因素。进而得出以下结论：
①当pH值调至6.70，醚化剂的量为阴离子型聚丙烯酰胺的10%时滤水性能较好；
②加入阴离子型聚丙烯酰胺与醚化剂后，停留时间的长短对污泥脱水性能有着重要的影响，因此从经济成本和滤水性能两方面考虑，停留时间为5min，加入醚化剂的量为阴离子型聚丙烯酰胺的3.5%最佳；
③采用所提出的方法，用一种较廉价的试剂阴离子型聚丙烯酰胺，经过改进，代替较昂贵的试剂阳离子型聚丙烯酰胺，节约了成本，在工艺流程上改动不大，有较强的操作可行性，且污泥脱水效果与使用原试剂十分接近，可以取得较好的综合效益。
吕国华等[48]以聚丙烯酸钠为实验材料，针对聚丙烯酸钠保水剂的释水特征及其对土壤物理参数的影响开展研究，以期为农用保水剂的应用开发提供参考依据。当均匀混施聚丙烯酸钠含量达到1%时，饱和导水率接近0。聚丙烯酸钠的这种不透水性可以用来阻断剖面土壤水分的渗透，这种特性在其他领域可能也具有一定的应用空间。