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聚丙烯酰胺絮凝剂生产研发工艺历程分析
加入时间:2012/1/9 10:21:36 浏览
 从品种上讲,最先实现的是非离子聚丙烯酰胺(NPAM)随后出现的是部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)。20世纪70年代,美国Merck公司和Halliborton公司首先研制成功阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)----二甲基二烯丙基氯化铵均聚物(PDMDAAC)和二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺共聚物[P(DMDAAC/AM)],并很快投入工业化生产。到1980年,在日本随着阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)开发成功,DAC的均聚物和共聚物阳离子聚丙烯酰胺(PDAC,P(DAC/AM))也相继投入生产,到1987年全日本的生产能力已经达到17750t/a。到1990年代,两性聚丙烯酰胺(AmPAM)的研究趋于活跃,不久AmPAM就进入市场并被广泛应用。到目前,丙烯酰胺和丙烯酰胺衍生物的均聚物和共聚物品种数以不下百种,新的品种还在不断地被开发出来。

PAM的优良的水溶性、增稠性、絮凝性、化学反应活性、以及经过改性产品的多样性,使PAM显示出广阔的应用前景和巨大的市场潜力。在此刺激下,从上个世纪50年代以来,有关PAM的研究与开发非常活跃,其工业产品剂型从最初的水溶胶、发展到粉剂、乳液(油包水乳液)、水分散型(又称水包水乳液)等。PAM的聚合方法也从最初的水溶液聚合,发展到反相乳液聚合、反相微乳液聚合、水分散聚合。聚合技术的进步,带来了产品质量不断提高,品种不断增加,成本不断下降,规模不断扩大,生产效率不断提高。

水溶液聚合是工业上使采用最早并沿用至今的生产聚丙烯酰胺的方法。用此方法生产水溶胶,设备简单,投资少,易操作,不用干燥,能耗小,成本低。但由于受产品的黏度、流动性和溶解性的限制,固含量通常在3%--10%。由此带来了包装、运输、贮存上的麻烦,使水溶胶产品的应用受到限制,占市场的比例很小。

采用水溶液聚合制造PAM干粉产品是目前国内外使用最多的PAM生产方法。和上述生产水溶胶的工艺不同,聚合时的单体浓度都比较高,一般达到20—50%。在聚合完成后,都变成了不能流动的凝胶,再将凝胶切割、制粒、干燥、粉碎、筛分、包装成干粉产品。该聚合工艺又按聚合体的形态分成带式片状聚合和大块聚合釜聚合。

中、高浓度水溶液聚合生产PAM干粉产品,在工程上存在几多难点。首先,聚合开始后,聚合体系黏度迅速变大,很难进行有效搅拌,加上聚合凝胶块是不良热导体,聚合时产生的聚合热不易从胶块内传出,使体系温度迅速上升。而随着温度上升,反应速度加快,放热加大,又推温度上升,如此循环促进,使反应到了不可控制的状态。其次,聚合体在切割、制粒过程中,不可避免的有些PAM的大分子链被打断,造成分子量的下降。另外,制成颗粒的PAM凝胶粒子,仍然不易传热和传质,需要在较高的温度下长时间干燥,使PAM进一步降解。在高温下,易产生热交联,形成不溶物或难溶物,导致产品溶解性能的劣化。

为了解决这些问题,各国的研究者做了大量的研究工作,开发成功众多的工艺设备和生产装置。

大块聚合釜是水溶液聚合最简单最常用的设备,然而也是最不容易解决散热问题的设备。作为改进,有些工艺将单体浓度控制在30%以下,将引发温度调在30℃以下,再加上聚合初期用冷却带走一部分聚合热,使聚合体系的最高温度保持在90℃以下,不至于失控。另外还有将聚合釜做成捏合机的形式,捏合机的桨叶是中空的,和捏合机的夹套一起,起到冷却降温的作用。捏合机式聚合釜,将聚合反应和制粒放在同一个釜内进行,可以部分避免大分子链在制粒过程被切断的问题。但这种聚合釜,动力消耗太大,规模也不能做大,阻碍了这一方法的发展。

为了克服大块聚合不易散热的缺点,带式片状聚合工艺发展起来了。此法是将丙烯酰胺(AM)类单体水溶液流延在槽形钢板或传输钢带上进行薄层聚合。用氧化还原和偶氮化合物引发剂,或者用光(紫外线)或γ射线来引发聚合反应。在钢带下面可用冷媒冷却,降低聚合体温度。可以控制传输钢带的带速,使片状的反应体到达一定位置时,聚合反应完全。片状聚合体干燥一般分两个阶段,先切成小块预干燥,再粉碎成小颗粒二次干燥,最后粉碎成聚合物粉末产品。

20世纪80年代以后,国外采用带式片状聚合生产工艺的公司逐渐多了起来。国内也有几个厂采用所谓移动聚合床进行片状聚合的生产装置。该装置由多个固定在移动链条上的聚合反应槽组成的,在链式传送的一端,加上单体水溶液,进行引发聚合,当聚合槽传送到另一端时,聚合反应完成,将聚合物料倒人捏合机,进行制粒。

带式片状聚合最大的优点是可以连续化生产,因此生产效率大大提高。据介绍,一条宽1.2m,长20m的传送带,片状聚合体厚度为100mm,在单体浓度为25—45%,带速65—80cm/min,反应时间25—30min条件下,每小时可以生产聚合物胶体3300—4080Kg,折合为干粉为约为1280—1590Kg。

按理说,带式片状聚合改善了聚合体的散热状况,可以降低反应温度,但从国外公开的资料来看,带子上的聚合体的温度并没有降低,还是在20—100℃的范围内,有的甚至让聚合体在带子上处于沸腾状态。在理论上,片状聚合体在制粒时,只有二维方向上的切割,比大块聚合体制粒时三维方向上的切割,打断大分子链的几率少三分之一。而实际上,片状聚合体的厚度,远远超过制粒时的目标直径,这一作用也不明显。但不论如何,带式片状聚合生产效率高,可以连续化,产品质量比大块聚合有所提高,因此,带式片状聚合生产工艺仍有很好的发展前景。

反相乳液是借助油包水型乳化剂,将AM类单体水溶液在搅拌下乳化分散在连续相—-油中,形成W/O型稳定胶体分散体。反相乳液聚合反应就是在这种乳液状态下进行的。这一技术的反应体系内的固体含量比较高,可达30—40%,乳液的黏度低,改善了反应的传热和搅拌效果,使反应温度可以控制。产品溶解性能比水溶胶、干粉好,没有干粉粉尘飞扬的问题,使用比较方便。由于改善了传热和搅拌效果,可以将温度控制在理想的范围内,所以产品质量有所提高。用反相乳液聚合生产干粉,没有制粒工序,避免了大分子链被切断的危险。

反相乳液聚合生产技术比较复杂,要掌握这项技术,生产高质量的产品,要做很多研究与开发工作。国内分别在1990年、2000年,开发成功阴离子PAM和阳离子PAM。但市场上见到的乳胶产品大都是进口产品,直到2006年,外商投资企业----龙禹环保科技(上海)有限公司生产的反相乳液聚合产品大量面市,才结束了进口产品占主导的局面。

反相乳液聚合生产技术的主要问题生产成本比较高。很显然,和其他生产技术相比,在生产配料中,多了油和乳化剂,这必然要增加成本。在当前油价不断上涨的形势下,对生产商来说,是个不小的负担。使这项很有前途的技术的发展受到限制。

反相微乳液聚合,在反相乳液聚合的基础上又进了一步,其产品性能,溶解速度,乳液产品的稳定性,比反相乳液聚合产品更好。它的胶体粒子的直径在8—100nm之间,式热力学稳定的分散体系。但这一技术的致命缺点是用油量更多,还要使用辅助溶剂,生产成本更高。除非使用在高附加值的产品上,否则很难在市场上推广。

近些年来,为了节约能源,生产和使用过程无污染,对环境友好,在涂料行业、聚丙烯酰胺行业,竞相研究与开发不用有机溶剂的水性涂料和“水包水”乳剂的生产技术。虽然涂料行业和聚丙烯酰胺行业都是想用水代替有机溶剂,但两个行业面临问题的实质是不一样的。水性涂料使用的聚合物大都是有机溶剂溶解型的,要解决的问题是:如何将非水溶性的高聚物均匀的分散在水中形成稳定的乳液。而聚丙烯酰胺本身就是水溶性的,要解决的问题是:如何将水溶性的高聚物分散在水中,不变成溶液和水凝胶,而要成为乳液。

生产“水包水”型乳液PAM,就要采用水分散型聚合技术。该技术是20世纪80年代在水溶性高分子领域开发成功的一项高新技术。实施水分散聚合是以水为分散剂,在单体水溶液中,添加少量的与产品有效成分同类的分散剂和介质调节剂,在水溶液中引发聚合。当聚合度达到一定数值时,高聚物在这种水性介质中的溶解性能变差,从介质中析出并成核,在分散剂和调节剂的辅助下,均匀地分散在水性介质中,形成稳定的乳液。在使用时,将这种乳液产品投入水中,在产品中的分散剂和调节剂都被稀释的情况下,高聚物有效成分又恢复了良好的水溶性能,迅速溶解于水中。

水分散聚合的产品,固含量高,达30%--50%,高聚物有效组分在水中分散均匀,粒径在10μm以下,溶解速率很快,10分钟左右就能完全溶解。产品中无油,节约了能源和资源,避免了对环境的二次污染。此技术是水溶性高分子聚合技术的一次革命,符合绿色化工的发展方向,是很有生命力的一项高新技术。
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