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搅拌速率、温度对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响

黏度是聚丙烯酰胺水溶液应用中的重要工艺参数,人们对聚丙烯酰胺溶液黏度产生机理、溶液浓度、剪切速率及离子强度对聚丙烯酰胺浴液黏度性质的影响进行了大量研究,发现黏度度大小与溶液浓度、剪切速率、温度及离子强度密切相关。有些作者从聚丙烯酰胺降解的角度进行研究,如Marcus.J.Caulfield发现,聚丙烯酰胺溶液在95℃热处理和紫外线照射的情况下只有少量降解,黏度也表现得相当稳定。唐康泰等人测定了水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活化能,推测溶解过程主要是克服分子链间-CONH2的氢键缔合,研究了影响聚丙烯酰胺溶解的因素,并借助聚丙烯酰胺溶解机理阐述了聚丙烯酰胺结构对其溶解性能的影响。石少波等人研究发现在不同的搅拌速度和温度下溶解,聚丙烯酰胺水溶液的最终黏度相差很大,经溶解后溶液黏度稳定,并对此现象进行了分析和解释。

一、溶解中搅拌速度对溶液最终黏度的影响

在配制过程中采用200r/min和600r/min的搅拌速度,测定了一系列不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在30℃时的黏度,发现同一质量分数的聚丙烯酰胺溶液在不同的搅拌速度下溶解得到的溶液最终黏度相差较大,较高转速下得到的溶液黏度大约只有低转速得到溶液黏度的60%-70%,见图4-14。
溶解过程主要是克服分子链间-CONH2的氢键缔合,当聚丙烯酰胺溶于水时,在溶胀和溶解过程中,其酰胺基既形成分子内氢键,又与水分子形成氢键,分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环结构和螺旋结构的刚性链段,这种结构使得溶液的黏度较大。搅拌速度快,分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环结构和螺旋结构的刚性链段受机械剪切的作用容易被破坏和解离,当溶液受到剪切速率增加时,原已渗透到大分子内部的内含溶剂,在剪切作用下被迫挤出,无规线团尺寸减小,溶剂分布在无规线团之间,从而使聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分子作用而使大分子变得柔顺,流体力学体积的黏度也变小。

二、溶解后搅拌速度对溶液黏度的影响

完全溶解后的溶液再经过长时间高速搅拌,发现黏度没有变化。可见搅拌速度对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响只限于溶解过程中。溶解后聚丙烯酰胺分了内氢键与水分子形成的分子外氢键达到了平衡状态,形成了一种二次结构,破坏这种二次结构所需要的活化能比较大,即使提高搅拌速度,也不会破坏这种二次结构,从而不会再影响聚丙烯酰胺溶液的黏度。

三、溶解中温度对溶液黏度的影响

选取6个不同温度配制聚丙烯酰胺水溶液,溶解完全后在搅拌速度为600r/min,温度为30℃的条件下测定聚丙烯酰胺溶液黏度,见图4-15。
由图4-15可知,同一质量分数的聚丙烯酰胺溶液在不同温度下溶解得到的溶液黏度相差较大,聚丙烯酰胺溶液浓度低(0.8%,1.0%)时,溶解温度超过40℃,黏度明显下降;聚丙烯酰胺溶液浓度高(1.2%,1.4%)时,溶解温度超过45℃,黏度明显下降。温度有利于克服分子链间-CONH2的氢键缔合,但要高于阈值温度后黏度才有明显下降的现象,这与水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活化能有关,只有超过水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活化能,才能克服分子链间-CONH2的氢键缔合,从而使聚内烯酰胺的酰胺基更多地与水分子作用,使黏度变小。

四、溶解后温度对黏的影响

在30℃溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液升温至35-55℃,保持2h,然后降温至30℃测量溶液黏度,黏度基本保持不变,可见温度对聚丙烯酰胺溶液黏度的影响只限于溶解过程中。溶解后再提高温度不能破坏二次结构,不影响二次结构的稳定性,从而不会再影响聚丙烯酰胺溶液的黏度。

五、结论

配制溶解过程中不同的搅拌速度和温度导致聚丙烯酰胺水溶液的最终黏度相差很大,较快的搅拌速度和较高的温度溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液黏度较小。聚丙烯酰胺在溶解过程中有可能形成了一种决定黏度的二次结构,这种结构的形成与溶解过程中的搅拌速度和溶解温度有关,这种二次结构相当稳定,不易再受搅拌速度和温度的影响。
二次结构的形成可能是由于聚丙烯酰胺分子内氢键的分解与冉生成,同时聚丙烯酰胺分子与水分子之间形成氢键,二者达到了一种动态的解离与平衡状态。而破坏这种平衡状态所需活化能较大,因此这种二次结构稳定,宏观上表现为溶液的最终黏度受到配制条件的影响,而配制溶解完成后表现稳定。

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