超聲波-曝氣協(xié)同降解聚丙烯酰胺溶液的研究
雷國明，臺(tái)明青，張毅華，王芳，趙顯政
（1.南陽市環(huán)境監(jiān)測站，河南南陽473000；2.西安交通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西安710049）
摘要：研究了超聲波-曝氣協(xié)同工藝降解聚丙烯酰胺溶液的條件和效果。結(jié)果表明，在超聲波處理聚丙 烯酰胺溶液時(shí)，引入曝氣后，比單純超聲的降解效率大有提高。
關(guān)鍵詞：超聲；曝氣；協(xié)同降解；聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚物和各種共聚物的 統(tǒng)稱，也是重要的水溶性聚合物，并兼具有絮凝性、 增稠性、耐剪切性、降阻性、分散等特性，被廣泛用于 采油、化工、造紙、紡織、制糖、醫(yī)藥、建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng) 域［1］。由于其良好的絮凝性能，在水處理領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用，包括原水處理、污水處理和工業(yè)廢水處理、 城市生活污水處理等，是國內(nèi)外水處理領(lǐng)域使用量 最大的水處理劑［2］。由于聚丙烯酰胺及其降解過程 中的中間產(chǎn)物對(duì)微生物活性和其它有機(jī)物降解效率 均有一定的影響，因此對(duì)聚丙烯酰胺的降解研究十 分必要。
聚丙烯酰胺是高分子聚合物，在自然條件下它 可以發(fā)生緩慢的物理降解、化學(xué)降解和生物降解。 這些降解主要是通過激發(fā)產(chǎn)生自由基引起連鎖氧化 反應(yīng)，從而造成聚合物主鏈斷裂、分子量降低，導(dǎo)致 水溶液粘度損失［3］。對(duì)聚丙烯酰胺的穩(wěn)定性研究發(fā) 現(xiàn)，它在水溶液中降解時(shí)同時(shí)發(fā)生兩種化學(xué)降解反 應(yīng)：一是水解反應(yīng)，引起側(cè)基結(jié)構(gòu)的變化，由酰胺基 轉(zhuǎn)化為羥基；二是氧化反應(yīng)，引起主鏈的斷裂，使聚 合物分子量減少，黏度降低。
超聲波降解聚丙烯酰胺具有設(shè)備簡單，對(duì)后續(xù) 處理沒有影響等特點(diǎn)。因此，近年來利用超聲波手段處理含聚丙烯酰胺廢水或處理聚丙烯酰胺溶液研 究開始逐步增加［4，5］。
為了提高超聲波處理高分子聚合物的處理效 率，采用超聲波-曝氣組合工藝對(duì)廢水處理，取得了 一定效果［6-8］。
本試驗(yàn)利用超聲波-曝氣協(xié)同技術(shù)對(duì)聚丙烯酰 胺溶液的降解進(jìn)行了研究，從超聲強(qiáng)度、曝氣量、聚 丙烯酰胺濃度等參數(shù)進(jìn)行了考察，以聚丙烯酰胺溶 液粘度的降低作為其降解率進(jìn)行評(píng)價(jià)，為該工藝技 術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。
1試驗(yàn)裝置和方法
1.1試驗(yàn)裝置
超聲裝置為超聲波反應(yīng)清洗器，頻率為23 kHz， 功率為240 W；粘度計(jì)：NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度儀。
1.2試驗(yàn)過程
以陽離子聚丙烯酰胺為試驗(yàn)對(duì)象，聚丙烯酰胺 為商品級(jí)，分子量1.2×107，離子度50％～60%，電荷 密度16％～20%。用400 mL玻璃燒杯配制成不同濃 度的聚丙烯酰胺溶液，在各種條件下超聲或超聲-曝 氣處理，超聲處理前后在20±2℃溫度下測定其溶液 粘度。
2結(jié)果與討論
2.1兩種處理方式的對(duì)比結(jié)果
圖3-1表明聚丙烯酰胺初始濃度為8 g/L，當(dāng)氣 流量為0.4 L/min，曝氣孔直徑為0.5 mm，超聲強(qiáng)度 為0.42 W.cm-2時(shí)兩種處理方式下聚丙烯酰胺的降 解結(jié)果，引入曝氣后顯著提高了降解速度。
聚丙烯酰胺初始濃度為6.8 g/L，兩種氣流量分 別為0.8 L/min和0.4 L/min，孔直徑為0.5 mm，P＝ 0.42 W/cm。當(dāng)超聲反應(yīng)時(shí)間在15min之前時(shí)，曝氣 流量為0.4 L/min時(shí)對(duì)初始濃度為6.8 g/L聚丙烯酰 胺降解要明顯優(yōu)于曝氣流量為0.8 L/min的降解；但是當(dāng)15 min后即聚丙烯酰胺得粘度低于100 mPa.s 時(shí)，表明兩種曝氣量對(duì)超聲降解聚丙烯酰胺影響差 別不明顯。
2.2不同曝氣量的影響
2.3不同曝氣孔直徑對(duì)降解效果的影響
圖3表明了當(dāng)聚丙烯酰胺起初濃度為6.8 g/L， 氣流量為0.4 L/min，超聲密度為0.42 W/cm，3種曝 氣孔徑分別為0.2 mm、0.5 mm和0.8 mm時(shí)對(duì)聚丙 烯酰胺降解的影響。結(jié)果表明，首先，曝氣孔徑為 0.2 mm和0.5 mm比孔徑0.8 mm的降解效率明顯 高；其次，在20 min之前，曝氣孔徑為0.2 mm和0.5 mm兩種超聲曝氣效果有明顯差別，并且孔徑為0.2 mm的超聲降解效率明顯比孔徑為0.5 mm的超聲 處理效果好，但在20 min之后，二者超聲處理效果 幾乎沒有什么差別。
2.4超聲波-曝氣協(xié)同降解機(jī)理討論
粘度測定是研究高分子溶液體系水動(dòng)力學(xué)的方 便工具，因?yàn)楦叻肿尤芤旱酿ざ葲Q定于溶液濃度和 平均分子尺寸的大小也即決定于分子量的大小，因 此通過測定粘度的降低可間接了解高分子聚丙烯酰 胺溶液的降解程度。
超聲空化是指液體中微小氣泡在超聲波下被激 活，它表現(xiàn)為泡核的震蕩、生長、收縮及崩潰等一系 列動(dòng)力學(xué)過程，氣泡在超聲波的作用下常常表現(xiàn)為 非線性震蕩。
氣泡在聲波正壓相內(nèi)收縮，在聲波負(fù)壓相內(nèi)膨 脹。在膨脹時(shí)伴隨著氣泡表面張力減小，倘若氣泡震 蕩足夠強(qiáng)烈，則氣泡會(huì)發(fā)生崩潰，釋放的沖擊射流使 氣泡內(nèi)的氣體彌散到液體介質(zhì)中，重新聚集形成細(xì) 小的再生氣泡。
從超聲波的空化作用來說，當(dāng)一定頻率和聲強(qiáng) 的超聲波施于聚丙烯酰胺溶液時(shí)，在聲波負(fù)壓相作 用下產(chǎn)生大小僅為幾個(gè)至幾十個(gè)微米的氣泡，在隨 后聲波正壓相作用下迅速崩潰，整個(gè)過程發(fā)生在納 秒至微妙的時(shí)間內(nèi)，氣泡快速崩潰隨著氣泡內(nèi)蒸汽 相絕熱加熱，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓，即形成所謂熱點(diǎn)。 凡進(jìn)入空化氣泡中的水蒸氣在高溫和高壓下發(fā)生分 裂及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生羥基自由基（·OH）和過氧化氫 （H2O2）等高氧化活性物質(zhì)，而空化氣泡崩潰產(chǎn)生的 沖擊波和射流，使·OH和H2O2進(jìn)入溶液中，氧化溶 液中的待降解的聚丙烯酰胺，從而強(qiáng)化降解效果。 在超聲處理聚丙烯酰胺溶液時(shí)，引入曝氣后使 單純超聲的降解的效率得到提高，因?yàn)槠貧庠黾恿?nbsp;產(chǎn)生羥基自由基（·OH）和過氧化氫（H2O2）等高氧化 活性物質(zhì)的絕對(duì)量，導(dǎo)致聚丙烯酰胺溶液降解效率提高。其次，曝氣中的氧氣對(duì)聚丙烯酰胺的降解也起著 一定得作用［9］，張學(xué)佳等［10］認(rèn)為，聚丙烯酰胺的氧化 降解主要為自由基傳遞反應(yīng)，氧化反應(yīng)引起聚丙烯酰 胺主鏈的斷裂，使聚合物分子量減少。高建平［11］和南 玉明等［12］認(rèn)為溶液中氧氣的存在是聚丙烯酰胺降解 的重要因素，當(dāng)溶液中缺氧時(shí)，容易發(fā)生分子鏈的偶 合，生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)和鏈終結(jié)，當(dāng)溶液中有足夠的氧 時(shí)，則容易發(fā)生氧化降解反應(yīng)。Vijayalakshmi［13］和朱麟 勇等［14］認(rèn)為，在有氧存在條件下，聚丙烯酰胺的穩(wěn)定 性下降，溶液粘度的下降隨溫度升高而加劇，相反， 在脫氧條件下，溶液粘度有一定的上升。
圖1表明了超聲加曝氣協(xié)同工藝降解聚丙烯酰 胺溶液比單純超聲降解效率高。但在超聲與曝氣協(xié) 同作用下對(duì)聚丙烯酰胺的降解并不是氣量越大越 好，圖2說明在前20 min內(nèi)超聲與高氣量曝氣的效 果沒有超聲與相對(duì)較低的曝氣量協(xié)同處理降解效果 好，同時(shí)也說明曝氣量過大影響超聲效果。 圖3說明在一定的超聲強(qiáng)度下，孔徑相對(duì)較小 的曝氣效果要優(yōu)于孔徑較大的曝氣處理效果，當(dāng)曝 氣量一定時(shí)，相對(duì)孔徑小的曝氣對(duì)超聲處理會(huì)產(chǎn)生 羥基自由基（·OH）和過氧化氫（H2O2）等高氧化活性 物質(zhì)的絕對(duì)量也多。寧平等［15］研究了超聲輻照-活 性污泥聯(lián)合處理焦化廢水，結(jié)果表明，對(duì)初始濃度為 807 mg.L-1的廢水，選擇空氣作為曝氣氣體，向廢水 中曝氣而不超聲時(shí)，廢水中污染物化學(xué)需氧量降解 率為4.5%；而在聲能強(qiáng)度為119.4 kw.m-2時(shí)且同時(shí) 曝氣，污染物化學(xué)需氧量降解處理效率可以達(dá)到 65%。
趙玉華等［8］研究了超聲波曝氣協(xié)同高錳酸鉀處 理微污染水，采用4種方法進(jìn)行對(duì)比，超聲波加曝氣 協(xié)同高錳酸鉀氧化作用、單純超聲波處理作用、單純 高錳酸鉀氧化作用、超聲波協(xié)同高錳酸鉀氧化作用 對(duì)微污染廢水進(jìn)行處理。結(jié)果表明，超聲波曝氣協(xié)同 高錳酸鉀氧化處理微污染水處理效果最好。 圖3也說明了當(dāng)聚丙烯酰胺粘度低時(shí)（處理20 min后）超聲與曝氣協(xié)同處理時(shí)，孔徑為0.2 mm和 0.5 mm兩種超聲曝氣效果卻沒有有明顯差別。這也 說明了在一定的超聲強(qiáng)度下，與曝氣組合工藝對(duì)聚 丙烯酰胺的降解過程其對(duì)曝氣量、曝氣方式的要求 都在變化當(dāng)中，這也是今后需要深入研究的課題。
3結(jié)論
超聲可以細(xì)化氣泡、強(qiáng)化氣液兩相傳質(zhì)，從而加 速氣液反應(yīng)，引入曝氣可以增加超聲降解效果。在超聲處理聚丙烯酰胺溶液時(shí)，引入曝氣后比 使單純超聲的降解效率大有提高，這是因?yàn)槠貧庠?nbsp;加了產(chǎn)生羥基自由基（·OH）和過氧化氫（H2O2）等高 氧化活性物質(zhì)的絕對(duì)量，導(dǎo)致聚丙烯酰胺溶液降解 效率提高。
孔徑相對(duì)較小的曝氣效果要優(yōu)于孔徑較大的曝 氣處理效果，當(dāng)聚丙烯酰胺粘度低時(shí)（處理20 min 后）超聲與曝氣協(xié)同處理時(shí)，孔徑為0.2 mm和0.5 mm兩種超聲曝氣效果卻沒有有明顯差別。
參考文獻(xiàn)
1韓昌福，李大平，王曉梅.聚丙烯酰胺生物降解研究進(jìn)展［J］. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2005，11（5）：648-650. 2張?jiān)桑瑒鋸?qiáng)，高寶玉.陽離子聚丙烯酰胺在廢水處理中 的進(jìn)展與展望［J］.工業(yè)水處理，2002，22（7）：15-17.
3詹亞力，郭紹輝，閻光緒.部分水解聚丙烯酰胺降解研究進(jìn) 展［J］.高分子通報(bào)，2004（2）：70-74.
4 Yen HY,Yang MH.The ultrasonic
degradation of polyacrylamide
solution［J］.Polymer Testing，
2003，22（2）：129-131.
5李凡修，梅平，陸曉華.超聲光催化降解部分水解聚丙烯 酰胺廢水技術(shù)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué) 報(bào)），2008，30（3）：157-160.
6郝紅偉，吳敏生，陳以萬，等.超聲輻照加速氣液反應(yīng)［J］.清 華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，43（5）：590-592.
7何有節(jié)，張兆生，李國英，等.超聲波對(duì)制革廢水曝氣除S2- 的影響［J］.中國皮革，2001，30（11）：45-47.
8趙玉華，傅金祥，王曉丹.超聲波-曝氣協(xié)同高錳酸鉀處理微 污染水［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，23（1）： 105-108.
9黃景全，李福新.水中孤立氣泡對(duì)聲波的耗散作用［J］.應(yīng)用 數(shù)學(xué)和力學(xué)，1994，2（1）：57.
10張學(xué)佳，紀(jì)巍，康志軍，等.聚丙烯酰胺降解的研究進(jìn)展［J］. 油氣田環(huán)境保護(hù)，2008，18（2）：41-45.
11高建平，于九皋.聚丙烯酰胺在水介質(zhì)中的低溫化學(xué)降解［J］. 化學(xué)工業(yè)與工程，1999，16（1）：44-48.
12南玉明，賈輝，鄭海洋，等.聚丙烯酰胺的化學(xué)降解研究［J］. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，21（1）：49-52.
13 Vijayalakshmi S.P，Madras G
.Effect of initial molecular weight
and solvents on the ultrasonic
degradation of poly（ethylene
oxide0［J］.Polymer Degradation
and Stability，2005，90：116- 122.
14朱麟勇，常志英，李妙貞，等.部分水解聚丙烯酰胺在水溶 液中的氧化降解-溫度的影響［J］.高分子材料科學(xué)與工程， 2000，16（1）：113-116.
15寧平，徐金球，黃東賓，等.超聲輻照-活性污泥聯(lián)合處理 焦化廢水［J］.環(huán)境科學(xué)，2003，24（3）：65-69.
來源：中國化學(xué)試劑網(wǎng)
