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摘 要：阳离子季铵盐二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）因水溶性强、正电荷密度高、高效无毒等特点，其均聚物及共聚物作为絮凝剂在水理出方面呈现出广阔的应用前景。本文合成均聚物PDMDAAC，同时并将其与无机高分子絮凝剂PAC复配制备复合絮凝剂，并研究其絮凝效果。本文通过单因素实验与正交优化实验，对影响聚合反应的主要因素如单体浓度、引发剂种类及浓度、引发温度T1、反应温度T2、保温温度T3等进行实验研究。以产物特征黏度值的大小为筛选条件，得到了单体均聚反应的最优条件：单体浓度为55%、V50浓度为0.21%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃、反应时间9h并通过红外、核磁表征证实聚合物PDMDAAC被成功合成。通过絮凝沉降实验，对复合絮凝剂的配比以及投加量进行研究，得到了最佳配比及最佳投加量：PAC：PDMDAAC=30：1、20mg/L。通过絮凝沉降实验，研究分析单体的均聚物的絮凝效果，得出分析单体最佳均聚物的最佳投加量为10mg/L。
关键词：PDMDAAC;正交优化;复合絮凝剂;絮凝效果
1.前言
中国是水资源匮乏、水污染严重的国家，2016年全国废水排放总量已达765亿吨。所排放的废水中含有大量的有毒有害物质，会导致水体污染，破坏环境[1-3]。废水中主要含有一些可溶无机盐、有机物以及一些不可溶固体和其他杂质[4-6]。各种处理方法层出不群，主要处理方法有离子交换膜、膜过滤、沉淀、吸附、絮凝、化学氧化、电解等方法[7-13]。近些年也光催化法也受到广泛关注，但是TiO2光催化剂固有缺陷导致其仍不能正式应用[14，15]。目前絮凝法作为一种成熟的水处理方法被广泛应用。
絮凝沉淀法是使用最广泛且成本最低的水处理方法。该方法是指在废水中加入一定量的絮凝剂，使其发生物理和化学反应，达到水净化的目的[16-18]。絮凝技术投资少，操作简单，能产生良好的社会效应和经济效应。絮凝沉淀的关键问题之一是选择絮凝剂[19，20]。
絮凝剂主要分为无机絮凝剂、有机絮凝剂以及微生物絮凝剂，近年来人们也开始研究复合絮凝剂[21-24]。无机絮凝剂使用简单、水质适用范围、经济效益较好，但是投加量大、絮凝效果一般，會有大量污泥产生;同时絮凝剂所含的阳离子长期使用会对设备造成严重腐蚀;并且由于投加量过大导致其成本并不低等问题，使得无机低分子絮凝剂有逐步被取代的趋势[25-28]。无机高分子絮凝剂是以无机低分子絮凝剂为研究基础，研发得到的分子量更高、絮凝效果更好的絮凝剂[29，30]。但由于其中同样含有金属离子，依然具有毒性大、腐蚀设备、环境污染等缺点[31]。有机絮凝剂分为有机合成高分子絮凝剂和天然有机高分子改性絮凝剂。有机合成高分子絮凝剂是通过聚合反应得到的，根据其所带电荷又分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型[32-34]。相比于无机絮凝剂，有机高分子絮凝剂在絮凝效果以及经济效益上表现更加优异，在絮凝剂市场上占有很大优势。微生物絮凝剂则是利用微生物细胞及其提取物对水体进行絮凝处理的一类絮凝剂[35，36]。因其絮凝效果好、绿色可降解等优点[37，38]，它在水处理方面的巨大潜力已经引起科学家们的关注。复合絮凝剂是指两种或两种以上具有絮凝作用的物质经生产、加工成产品后，作为一种商品可以直接使用的絮凝剂，它可以是单一成分构成的也可以是多种成分混合构成的[39，40]。实践证明，复合絮凝剂可以弥补单一絮凝剂的许多不足，表现出更好的絮凝效果。
在有机合成高分子聚合物中，水溶性阳离子聚合物因其独特的性质已引起了广泛的关注。而二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）类聚合物更是展现出优良的性质[41-44]。二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）水溶性极强，电荷密度高，毒性低。纯净的DMDAAC为白色针状晶体。而其均聚物聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）同样高效无毒，正电荷密度高，并且其它造价低廉，因此呈现出广阔的应用前景。
本文使用采用自由基聚合法，利用单体二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）制得均聚物PMDAAC，优化制备条件，进行结构表征。再利用最优产物与聚合氯化铝复配，制备复合絮凝剂PAC-PDMDAAC，评价其絮凝效果。
2.实验部分
2.1 实验药品
聚合氯化铝（工业级），过硫酸铵（（NH4）2S2O8）分析纯，亚硫酸氢钠（NaHSO3）分析纯，氯化钠（NaCl） 分析纯，乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na） 分析纯，无水乙醇，上述试剂均来自成都科龙化工试剂厂，二甲基二烯丙基氯化铵（60%）来自阿拉丁试剂有限公司，偶氮二异丁基脒二盐酸盐（分析纯）来自萨恩化学技术（上海）有限技术公司。
2.2 PDMDAAC的合成
取适量的DMDACC单体溶液于小烧杯中，加入一定量乙二胺四乙酸二钠（Na2EDTA），水浴加热到40℃，除氧搅拌下加入引发剂偶氮二异丁基脒二盐酸盐（AIBA·2HCl，又称V50），通气搅拌至引发剂溶解，停止搅拌。升高温度至T1，反应3h;随后升高温度至T2，反应3h;最后升高温度至T3，反应三小时。反应完成后，冷却反应产物，直接加入乙醇剪碎洗涤3～4遍，至产物成乳白色小颗粒，放入恒温干燥箱中烘至乙醇完全挥发。再将产物用纯水溶解，进行冷冻干燥，彻底清除产物中所含的水。为优化实验方案，设计有正交实验。合成机理如图1.
2.3 复合絮凝剂PAC-PDMDAAC的合成
准确称取一定量的工业聚合氯化铝（PAC）粉末于烧杯中，加入50ml的去离子水配成溶液，放置于磁力搅拌器上搅拌溶解。待PAC溶解完全后，按所需复合比例准确称取一定量的PDMDAAC粉末，在快速搅拌下加入到PAC溶液中，搅拌至溶解均匀，所得溶液即为复合絮凝剂。
2.4 PDMDAAC的表征
红外光谱谱图： DMDAAC单体所得的正交优化产物进行溴化钾压片，用红外光谱仪（WQF520，北京瑞利分析仪器有限公）进行测试，结果如下图。 核磁共振波谱：将所得样品PDMDAAC做1H NMR測试，溶剂为D2O。
产物特性粘数的测定：参考GB12005.1-89聚丙烯酰胺特征黏度测定方法。
2.5絮凝沉降实验
准确称取6g蒙脱土，搅拌下加入到1000ml水中，配成浓度为6‰的粘土，水化24h后，即为模拟水样。
取25ml提前制备的模拟水样至带有刻度线的试管中，依照所需加量用滴管分别加入待测量的絮凝剂，倒正10次（一倒一正为一次），然后静置并启动秒表。分别记录1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、10min、12min、14min、16min、18min、20min、30min时絮凝物界面的沉降高度。实验结束后，以沉降高度H为纵坐标、以沉降时间t为横坐标作图。
使用PAC、PDMDAAC与复合絮凝剂PAC-PDMDAAC分别进行絮凝沉降实验。
3.结果与讨论
3.1实验优化
3.1.1 引发剂的筛选
本实验采用水溶性的AIBA·2HCl（偶氮二异丁基脒二盐酸盐）、APS（过硫酸铵）以及APS和NaHSO3（亚硫酸氢钠）组成的氧化还原体系来进行反应。筛选反应条件为：单体浓度60%，引发剂用量0.18%，反应时间9h，T1 46℃ T2 53℃ T3 65℃。
由表1结果可知，在相同的反应条件下，偶氮类引发剂AIBA·2HCl引发效果最好，所得产物特征黏度值最高。
引发剂的用量梯度m（V50）：m（DMDAAC）设为：0.12%、0.15%、0.18%、0.21%、0.24%，筛选引发剂用量。实验结果如图2所示。
随着引发剂加量的增加，所得产物的特性粘数呈现先增大后减小的趋势。当引发剂含量分别为单体用量的0.12%、0.15%、0.18%、0.21%时，产物特性粘数分别为1.78dL·g-1、1.90dL·g-1 、2.06dL·g-1 、2.35 dL·g-1，逐步增大;当引发剂含量增大到单体含量的0.24%时，产物特性粘数减小，为2.30dL·g-1。
结合上述实验结果，在以产物特征黏度为主要的评价标准下，引发剂AIBA ·2HCl的最佳用量为纯单体质量的0.24%。
3.1.2 正交实验结果分析
本文旨在合成高分子量的聚二甲基二烯丙基氯化铵，而产物的特征黏度值又与聚合反应条件密切相关，如单体起始含量（A）、引发剂种类及含量、反应温度（包括引发温度T1（B）、起始温度T2（C）、保温温度T3（D））反应时间等。以上因素中，前三个因素的影响较为突出，因而针对以上三个因素设计正交试验表。
由表3发现，本次实验考察的四个因素中，按极差R大小排序，对产物特性粘数影响程度大小的顺序为：D>A>C>B，即保温温度T3>单体起始浓度>反应温度T2>引发温度T1，其中影响最大的因素是保温温度T3。理论得出的最佳优化条件为A1B1C1D1，即单体浓度为55%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃，而实际实验结果中，正交第一组的反应条件下，所得产物特征黏度值最大，即单体浓度为55%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃，与理论结果一致。
3.2 红外光谱谱图
将正交优化产物进行溴化钾压片，用红外光谱仪（WQF520，北京瑞利分析仪器有限公）进行测试，结果如图3。
图3为单体的红外谱图，图4为所得最优组聚合物的红外谱图。比较单体和聚合物的谱图可以发现，单体谱图上有关双键的峰，950cm-1和877cm-1左右的峰均已大大消失或减弱，其中3025cm-1和1470cm-1分别为甲基不对称伸缩振动峰和弯曲振动峰，2935cm-1为亚甲基反对称伸缩振动峰。3500cm-1以及1640cm-1处为水峰。
3.3 核磁分析
将所得样品PDMDAAC做1H NMR测试，溶剂为D2O。
PDMDAAC样品的1H NMR谱图如上图所示。可以发现，图中δ=5.60和5.90附近的单体碳碳双键上H的多重吸收峰已经大大减弱，没有完全消失可能是因为样品中还存在未反应的残余单体未除尽。δ=4.80处为溶剂重水的水峰;δ=3.76处为五元环结构上与N原子相连的-CH2-上的H的吸收峰;δ=3.00处为N上所连的甲基H的吸收峰;δ=2.60处为五元环结构上次甲基的H的吸收峰;δ=1.40和δ=1.20处为聚合物主链上亚甲基氢的吸收峰。有上图可以发现，聚合物PDMDAAC成功合成。
3.4 絮凝实验
3.4.1 PAC絮凝效果
为了比较PDMDAAC与PAC之间的性能差异与絮凝效果，我们将PAC的投加量做一个梯度，观察PAC的絮凝情况。取3g PAC搅拌下加入到200ml纯水中，搅拌至溶解。将溶解好的PAC溶液按照投加量依次稀释为：60mg/L、50mg/L、40mg/L、30mg/L、20mg/L、10mg/L。将稀释后的絮凝剂溶液按照2.5中的步骤，依次测量其絮凝效果。
从图6中可以看出，随着加量梯度不断增加，在相同时间内絮凝物的沉降高度呈现先减小后升高再减小的趋势，即当加量在10mg/L～30mg/L时，沉降高度随着加量升高而减小;当加量上升到40mg/L时，沉降高度随加量增加而增加;加量继续上升到50～60mg/L时，沉降高度随加量增加而减小。由图7可以发现，当加量在10mg/L、20mg/L时，虽然絮凝剂絮凝速度很快，并且最后沉降高度最大，但是，不论是絮凝过程中还是絮凝30min之后，其沉降之后的上清液都较其他四组更加浑浊，絮凝不彻底。因而最后选择40mg/L作为PAC的最佳投加量。
3.4.2 均聚物PDMDAAC絮凝效果 我们对最优产物做絮凝效果的评价，即分析单体正交一组。查阅文献，将投加量梯度设为：40mg/L、30mg/L、20mg/L、10mg/L、5mg/L、2mg/L，依照2.5中的步骤，依次测量其絮凝效果，结果如下图。
由图8可知，随着投加量不断增加，絮凝物沉降高度呈现下降趋势。相同絮凝时间下，当加量为2mg/L和5mg/L的沉降高度和絮凝速度明显高于其他组，但由图9可以发现，其上清液相较于其他四组浑浊，絮凝不够彻底。因此在相同絮凝条件下，选用10mg/L作为PDMDAAC的最佳投药量。
3.4.3复合絮凝剂絮凝效果
复合配比筛选
本实验中采用有机絮凝剂PDMDAAC与无机絮凝剂PAC进行复配得到复合絮凝剂，其中PDMDAAC选用分析单体正交最优组产品，即正交一组。采用PAC的最佳投加量40mg/L，依照2.3中的步骤配制好复合絮凝剂。根据查阅文献将复合物配比梯度设为：100：1、50：1、30：1、20：1、10：1、5：1，依照2.5中的步驟依次测量其絮凝效果，得下图结果。
由图10可以发现，随着复合絮凝剂中PAC的占比越来越大，絮凝物沉降高度整体呈现先上升后下降的趋势。在相同时间相同投加量的情况下，当复合配比PAC：PDMDAAC=30：1时，沉降高度最大，絮凝效果最好。因此将复合絮凝剂的配比确定为PAC：PDMDAAC=30：1。
确定复合絮凝剂的配比之后，接下来就是确定其最佳投加量。将投加量梯度依次设为50mg/L、40mg/L、30mg/L、20mg/L、10mg/L，依照2.5中的步骤依次测量其絮凝效果。
由图中结果可知，随着复合絮凝剂加量不断增加，絮凝物沉降高度总体呈现下降趋势。当加量为10mg/L时，其沉降高度最高，絮凝速度也较快，但是相较于其他四组，其上清液较浑浊，絮凝不够彻底。因此采用20mg/L为复合絮凝剂的最佳投加量。可以发现复合絮凝剂的效果优于单一絮凝剂PAC，劣于PDMDAAC。为了证实上述结论，再次将PDMDAAC与复合絮凝剂分别以最佳加量投入相同的水样中，沉降30min后，用滴管取其上清液，测其浊度。结果为复合絮凝剂絮凝之后上清液浊度21.90NTU，而PDMDAAC为5.89NTU。结果表明单一絮凝剂PDMDAAC的絮凝效果优于复合絮凝剂，这一结果与理论结果有一点出入，其原因可能是由于工业体PAC中含有杂质影响了两者复合的絮凝效果。
4.结论
1. 本文通过单因素实验，确定了分析纯单体聚合时引发剂的种类加量，即为单体浓度0.21%的偶氮类引发剂V50。同时通过设计L9（34）正交水平表，对影响聚合反应的主要因素如单体浓度、引发温度T1、反应温度T2、保温温度T3等进行实验研究。以产物特征黏度值的大小为筛选条件，得到了分析纯单体合成聚合物的最优条件：单体浓度为55%、V50浓度为0.21%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃、反应时间9h。并通过红外表征证实聚合物PDMDAAC被成功合成。
2. 将分子量最高的PDMDAAC与无机高分子絮凝剂PAC进行复配形成复合絮凝剂。通过絮凝沉降实验，对复合絮凝剂的配比以及投加量进行研究，得到了最佳配比及最佳投加量：PAC：PDMDAAC=30：1、20mg/L。
3.研究PDMDAAC均聚物的絮凝效果，得出分析单体最佳均聚物的最佳投加量为10mg/L。
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作者简介：
肖靖（1971.10）男，湖北省生态环境厅孝感生态环境监测中心，高级工程师，环境影响评价工程师。
关键词：PDMDAAC;正交优化;复合絮凝剂;絮凝效果
1.前言
中国是水资源匮乏、水污染严重的国家，2016年全国废水排放总量已达765亿吨。所排放的废水中含有大量的有毒有害物质，会导致水体污染，破坏环境[1-3]。废水中主要含有一些可溶无机盐、有机物以及一些不可溶固体和其他杂质[4-6]。各种处理方法层出不群，主要处理方法有离子交换膜、膜过滤、沉淀、吸附、絮凝、化学氧化、电解等方法[7-13]。近些年也光催化法也受到广泛关注，但是TiO2光催化剂固有缺陷导致其仍不能正式应用[14，15]。目前絮凝法作为一种成熟的水处理方法被广泛应用。
絮凝沉淀法是使用最广泛且成本最低的水处理方法。该方法是指在废水中加入一定量的絮凝剂，使其发生物理和化学反应，达到水净化的目的[16-18]。絮凝技术投资少，操作简单，能产生良好的社会效应和经济效应。絮凝沉淀的关键问题之一是选择絮凝剂[19，20]。
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在有机合成高分子聚合物中，水溶性阳离子聚合物因其独特的性质已引起了广泛的关注。而二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）类聚合物更是展现出优良的性质[41-44]。二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）水溶性极强，电荷密度高，毒性低。纯净的DMDAAC为白色针状晶体。而其均聚物聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）同样高效无毒，正电荷密度高，并且其它造价低廉，因此呈现出广阔的应用前景。
本文使用采用自由基聚合法，利用单体二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）制得均聚物PMDAAC，优化制备条件，进行结构表征。再利用最优产物与聚合氯化铝复配，制备复合絮凝剂PAC-PDMDAAC，评价其絮凝效果。
2.实验部分
2.1 实验药品
聚合氯化铝（工业级），过硫酸铵（（NH4）2S2O8）分析纯，亚硫酸氢钠（NaHSO3）分析纯，氯化钠（NaCl） 分析纯，乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na） 分析纯，无水乙醇，上述试剂均来自成都科龙化工试剂厂，二甲基二烯丙基氯化铵（60%）来自阿拉丁试剂有限公司，偶氮二异丁基脒二盐酸盐（分析纯）来自萨恩化学技术（上海）有限技术公司。
2.2 PDMDAAC的合成
取适量的DMDACC单体溶液于小烧杯中，加入一定量乙二胺四乙酸二钠（Na2EDTA），水浴加热到40℃，除氧搅拌下加入引发剂偶氮二异丁基脒二盐酸盐（AIBA·2HCl，又称V50），通气搅拌至引发剂溶解，停止搅拌。升高温度至T1，反应3h;随后升高温度至T2，反应3h;最后升高温度至T3，反应三小时。反应完成后，冷却反应产物，直接加入乙醇剪碎洗涤3～4遍，至产物成乳白色小颗粒，放入恒温干燥箱中烘至乙醇完全挥发。再将产物用纯水溶解，进行冷冻干燥，彻底清除产物中所含的水。为优化实验方案，设计有正交实验。合成机理如图1.
2.3 复合絮凝剂PAC-PDMDAAC的合成
准确称取一定量的工业聚合氯化铝（PAC）粉末于烧杯中，加入50ml的去离子水配成溶液，放置于磁力搅拌器上搅拌溶解。待PAC溶解完全后，按所需复合比例准确称取一定量的PDMDAAC粉末，在快速搅拌下加入到PAC溶液中，搅拌至溶解均匀，所得溶液即为复合絮凝剂。
2.4 PDMDAAC的表征
红外光谱谱图： DMDAAC单体所得的正交优化产物进行溴化钾压片，用红外光谱仪（WQF520，北京瑞利分析仪器有限公）进行测试，结果如下图。 核磁共振波谱：将所得样品PDMDAAC做1H NMR測试，溶剂为D2O。
产物特性粘数的测定：参考GB12005.1-89聚丙烯酰胺特征黏度测定方法。
2.5絮凝沉降实验
准确称取6g蒙脱土，搅拌下加入到1000ml水中，配成浓度为6‰的粘土，水化24h后，即为模拟水样。
取25ml提前制备的模拟水样至带有刻度线的试管中，依照所需加量用滴管分别加入待测量的絮凝剂，倒正10次（一倒一正为一次），然后静置并启动秒表。分别记录1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、10min、12min、14min、16min、18min、20min、30min时絮凝物界面的沉降高度。实验结束后，以沉降高度H为纵坐标、以沉降时间t为横坐标作图。
使用PAC、PDMDAAC与复合絮凝剂PAC-PDMDAAC分别进行絮凝沉降实验。
3.结果与讨论
3.1实验优化
3.1.1 引发剂的筛选
本实验采用水溶性的AIBA·2HCl（偶氮二异丁基脒二盐酸盐）、APS（过硫酸铵）以及APS和NaHSO3（亚硫酸氢钠）组成的氧化还原体系来进行反应。筛选反应条件为：单体浓度60%，引发剂用量0.18%，反应时间9h，T1 46℃ T2 53℃ T3 65℃。
由表1结果可知，在相同的反应条件下，偶氮类引发剂AIBA·2HCl引发效果最好，所得产物特征黏度值最高。
引发剂的用量梯度m（V50）：m（DMDAAC）设为：0.12%、0.15%、0.18%、0.21%、0.24%，筛选引发剂用量。实验结果如图2所示。
随着引发剂加量的增加，所得产物的特性粘数呈现先增大后减小的趋势。当引发剂含量分别为单体用量的0.12%、0.15%、0.18%、0.21%时，产物特性粘数分别为1.78dL·g-1、1.90dL·g-1 、2.06dL·g-1 、2.35 dL·g-1，逐步增大;当引发剂含量增大到单体含量的0.24%时，产物特性粘数减小，为2.30dL·g-1。
结合上述实验结果，在以产物特征黏度为主要的评价标准下，引发剂AIBA ·2HCl的最佳用量为纯单体质量的0.24%。
3.1.2 正交实验结果分析
本文旨在合成高分子量的聚二甲基二烯丙基氯化铵，而产物的特征黏度值又与聚合反应条件密切相关，如单体起始含量（A）、引发剂种类及含量、反应温度（包括引发温度T1（B）、起始温度T2（C）、保温温度T3（D））反应时间等。以上因素中，前三个因素的影响较为突出，因而针对以上三个因素设计正交试验表。
由表3发现，本次实验考察的四个因素中，按极差R大小排序，对产物特性粘数影响程度大小的顺序为：D>A>C>B，即保温温度T3>单体起始浓度>反应温度T2>引发温度T1，其中影响最大的因素是保温温度T3。理论得出的最佳优化条件为A1B1C1D1，即单体浓度为55%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃，而实际实验结果中，正交第一组的反应条件下，所得产物特征黏度值最大，即单体浓度为55%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃，与理论结果一致。
3.2 红外光谱谱图
将正交优化产物进行溴化钾压片，用红外光谱仪（WQF520，北京瑞利分析仪器有限公）进行测试，结果如图3。
图3为单体的红外谱图，图4为所得最优组聚合物的红外谱图。比较单体和聚合物的谱图可以发现，单体谱图上有关双键的峰，950cm-1和877cm-1左右的峰均已大大消失或减弱，其中3025cm-1和1470cm-1分别为甲基不对称伸缩振动峰和弯曲振动峰，2935cm-1为亚甲基反对称伸缩振动峰。3500cm-1以及1640cm-1处为水峰。
3.3 核磁分析
将所得样品PDMDAAC做1H NMR测试，溶剂为D2O。
PDMDAAC样品的1H NMR谱图如上图所示。可以发现，图中δ=5.60和5.90附近的单体碳碳双键上H的多重吸收峰已经大大减弱，没有完全消失可能是因为样品中还存在未反应的残余单体未除尽。δ=4.80处为溶剂重水的水峰;δ=3.76处为五元环结构上与N原子相连的-CH2-上的H的吸收峰;δ=3.00处为N上所连的甲基H的吸收峰;δ=2.60处为五元环结构上次甲基的H的吸收峰;δ=1.40和δ=1.20处为聚合物主链上亚甲基氢的吸收峰。有上图可以发现，聚合物PDMDAAC成功合成。
3.4 絮凝实验
3.4.1 PAC絮凝效果
为了比较PDMDAAC与PAC之间的性能差异与絮凝效果，我们将PAC的投加量做一个梯度，观察PAC的絮凝情况。取3g PAC搅拌下加入到200ml纯水中，搅拌至溶解。将溶解好的PAC溶液按照投加量依次稀释为：60mg/L、50mg/L、40mg/L、30mg/L、20mg/L、10mg/L。将稀释后的絮凝剂溶液按照2.5中的步骤，依次测量其絮凝效果。
从图6中可以看出，随着加量梯度不断增加，在相同时间内絮凝物的沉降高度呈现先减小后升高再减小的趋势，即当加量在10mg/L～30mg/L时，沉降高度随着加量升高而减小;当加量上升到40mg/L时，沉降高度随加量增加而增加;加量继续上升到50～60mg/L时，沉降高度随加量增加而减小。由图7可以发现，当加量在10mg/L、20mg/L时，虽然絮凝剂絮凝速度很快，并且最后沉降高度最大，但是，不论是絮凝过程中还是絮凝30min之后，其沉降之后的上清液都较其他四组更加浑浊，絮凝不彻底。因而最后选择40mg/L作为PAC的最佳投加量。
3.4.2 均聚物PDMDAAC絮凝效果 我们对最优产物做絮凝效果的评价，即分析单体正交一组。查阅文献，将投加量梯度设为：40mg/L、30mg/L、20mg/L、10mg/L、5mg/L、2mg/L，依照2.5中的步骤，依次测量其絮凝效果，结果如下图。
由图8可知，随着投加量不断增加，絮凝物沉降高度呈现下降趋势。相同絮凝时间下，当加量为2mg/L和5mg/L的沉降高度和絮凝速度明显高于其他组，但由图9可以发现，其上清液相较于其他四组浑浊，絮凝不够彻底。因此在相同絮凝条件下，选用10mg/L作为PDMDAAC的最佳投药量。
3.4.3复合絮凝剂絮凝效果
复合配比筛选
本实验中采用有机絮凝剂PDMDAAC与无机絮凝剂PAC进行复配得到复合絮凝剂，其中PDMDAAC选用分析单体正交最优组产品，即正交一组。采用PAC的最佳投加量40mg/L，依照2.3中的步骤配制好复合絮凝剂。根据查阅文献将复合物配比梯度设为：100：1、50：1、30：1、20：1、10：1、5：1，依照2.5中的步驟依次测量其絮凝效果，得下图结果。
由图10可以发现，随着复合絮凝剂中PAC的占比越来越大，絮凝物沉降高度整体呈现先上升后下降的趋势。在相同时间相同投加量的情况下，当复合配比PAC：PDMDAAC=30：1时，沉降高度最大，絮凝效果最好。因此将复合絮凝剂的配比确定为PAC：PDMDAAC=30：1。
确定复合絮凝剂的配比之后，接下来就是确定其最佳投加量。将投加量梯度依次设为50mg/L、40mg/L、30mg/L、20mg/L、10mg/L，依照2.5中的步骤依次测量其絮凝效果。
由图中结果可知，随着复合絮凝剂加量不断增加，絮凝物沉降高度总体呈现下降趋势。当加量为10mg/L时，其沉降高度最高，絮凝速度也较快，但是相较于其他四组，其上清液较浑浊，絮凝不够彻底。因此采用20mg/L为复合絮凝剂的最佳投加量。可以发现复合絮凝剂的效果优于单一絮凝剂PAC，劣于PDMDAAC。为了证实上述结论，再次将PDMDAAC与复合絮凝剂分别以最佳加量投入相同的水样中，沉降30min后，用滴管取其上清液，测其浊度。结果为复合絮凝剂絮凝之后上清液浊度21.90NTU，而PDMDAAC为5.89NTU。结果表明单一絮凝剂PDMDAAC的絮凝效果优于复合絮凝剂，这一结果与理论结果有一点出入，其原因可能是由于工业体PAC中含有杂质影响了两者复合的絮凝效果。
4.结论
1. 本文通过单因素实验，确定了分析纯单体聚合时引发剂的种类加量，即为单体浓度0.21%的偶氮类引发剂V50。同时通过设计L9（34）正交水平表，对影响聚合反应的主要因素如单体浓度、引发温度T1、反应温度T2、保温温度T3等进行实验研究。以产物特征黏度值的大小为筛选条件，得到了分析纯单体合成聚合物的最优条件：单体浓度为55%、V50浓度为0.21%、T1为44℃、T2为51℃、T3为65℃、反应时间9h。并通过红外表征证实聚合物PDMDAAC被成功合成。
2. 将分子量最高的PDMDAAC与无机高分子絮凝剂PAC进行复配形成复合絮凝剂。通过絮凝沉降实验，对复合絮凝剂的配比以及投加量进行研究，得到了最佳配比及最佳投加量：PAC：PDMDAAC=30：1、20mg/L。
3.研究PDMDAAC均聚物的絮凝效果，得出分析单体最佳均聚物的最佳投加量为10mg/L。
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作者简介：
肖靖（1971.10）男，湖北省生态环境厅孝感生态环境监测中心，高级工程师，环境影响评价工程师。