超声波-曝气协同降解聚丙烯酰胺溶液的研究
雷国明，台明青，张毅华，王芳，赵显政
（1.南阳市环境监测站，河南南阳473000；2.西安交通大学生命科学学院，西安710049）
摘要：研究了超声波-曝气协同工艺降解聚丙烯酰胺溶液的条件和效果。结果表明，在超声波处理聚丙 烯酰胺溶液时，引入曝气后，比单纯超声的降解效率大有提高。
关键词：超声；曝气；协同降解；聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚物和各种共聚物的 统称，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，被广泛用于 采油、化工、造纸、纺织、制糖、医药、建材、农业等领 域［1］。由于其良好的絮凝性能，在水处理领域得到广 泛应用，包括原水处理、污水处理和工业废水处理、 城市生活污水处理等，是国内外水处理领域使用量 最大的水处理剂［2］。由于聚丙烯酰胺及其降解过程 中的中间产物对微生物活性和其它有机物降解效率 均有一定的影响，因此对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，在自然条件下它 可以发生缓慢的物理降解、化学降解和生物降解。 这些降解主要是通过激发产生自由基引起连锁氧化 反应，从而造成聚合物主链断裂、分子量降低，导致 水溶液粘度损失［3］。对聚丙烯酰胺的稳定性研究发 现，它在水溶液中降解时同时发生两种化学降解反 应：一是水解反应，引起侧基结构的变化，由酰胺基 转化为羟基；二是氧化反应，引起主链的断裂，使聚 合物分子量减少，黏度降低。
超声波降解聚丙烯酰胺具有设备简单，对后续 处理没有影响等特点。因此，近年来利用超声波手段处理含聚丙烯酰胺废水或处理聚丙烯酰胺溶液研 究开始逐步增加［4，5］。
为了提高超声波处理高分子聚合物的处理效 率，采用超声波-曝气组合工艺对废水处理，取得了 一定效果［6-8］。
本试验利用超声波-曝气协同技术对聚丙烯酰 胺溶液的降解进行了研究，从超声强度、曝气量、聚 丙烯酰胺浓度等参数进行了考察，以聚丙烯酰胺溶 液粘度的降低作为其降解率进行评价，为该工艺技 术的应用提供依据。
1试验装置和方法
1.1试验装置
超声装置为超声波反应清洗器，频率为23 kHz， 功率为240 W；粘度计：NDJ-1型旋转式粘度仪。
1.2试验过程
以阳离子聚丙烯酰胺为试验对象，聚丙烯酰胺 为商品级，分子量1.2×107，离子度50％～60%，电荷 密度16％～20%。用400 mL玻璃烧杯配制成不同浓 度的聚丙烯酰胺溶液，在各种条件下超声或超声-曝 气处理，超声处理前后在20±2℃温度下测定其溶液 粘度。
2结果与讨论
2.1两种处理方式的对比结果
图3-1表明聚丙烯酰胺初始浓度为8 g/L，当气 流量为0.4 L/min，曝气孔直径为0.5 mm，超声强度 为0.42 W.cm-2时两种处理方式下聚丙烯酰胺的降 解结果，引入曝气后显著提高了降解速度。
聚丙烯酰胺初始浓度为6.8 g/L，两种气流量分 别为0.8 L/min和0.4 L/min，孔直径为0.5 mm，P＝ 0.42 W/cm。当超声反应时间在15min之前时，曝气 流量为0.4 L/min时对初始浓度为6.8 g/L聚丙烯酰 胺降解要明显优于曝气流量为0.8 L/min的降解；但是当15 min后即聚丙烯酰胺得粘度低于100 mPa.s 时，表明两种曝气量对超声降解聚丙烯酰胺影响差 别不明显。
2.2不同曝气量的影响
2.3不同曝气孔直径对降解效果的影响
图3表明了当聚丙烯酰胺起初浓度为6.8 g/L， 气流量为0.4 L/min，超声密度为0.42 W/cm，3种曝 气孔径分别为0.2 mm、0.5 mm和0.8 mm时对聚丙 烯酰胺降解的影响。结果表明，首先，曝气孔径为 0.2 mm和0.5 mm比孔径0.8 mm的降解效率明显 高；其次，在20 min之前，曝气孔径为0.2 mm和0.5 mm两种超声曝气效果有明显差别，并且孔径为0.2 mm的超声降解效率明显比孔径为0.5 mm的超声 处理效果好，但在20 min之后，二者超声处理效果 几乎没有什么差别。
2.4超声波-曝气协同降解机理讨论
粘度测定是研究高分子溶液体系水动力学的方 便工具，因为高分子溶液的黏度决定于溶液浓度和 平均分子尺寸的大小也即决定于分子量的大小，因 此通过测定粘度的降低可间接了解高分子聚丙烯酰 胺溶液的降解程度。
超声空化是指液体中微小气泡在超声波下被激 活，它表现为泡核的震荡、生长、收缩及崩溃等一系 列动力学过程，气泡在超声波的作用下常常表现为 非线性震荡。
气泡在声波正压相内收缩，在声波负压相内膨 胀。在膨胀时伴随着气泡表面张力减小，倘若气泡震 荡足够强烈，则气泡会发生崩溃，释放的冲击射流使 气泡内的气体弥散到液体介质中，重新聚集形成细 小的再生气泡。
从超声波的空化作用来说，当一定频率和声强 的超声波施于聚丙烯酰胺溶液时，在声波负压相作 用下产生大小仅为几个至几十个微米的气泡，在随 后声波正压相作用下迅速崩溃，整个过程发生在纳 秒至微妙的时间内，气泡快速崩溃随着气泡内蒸汽 相绝热加热，产生瞬时高温高压，即形成所谓热点。 凡进入空化气泡中的水蒸气在高温和高压下发生分 裂及链式反应，产生羟基自由基（·OH）和过氧化氢 （H2O2）等高氧化活性物质，而空化气泡崩溃产生的 冲击波和射流，使·OH和H2O2进入溶液中，氧化溶 液中的待降解的聚丙烯酰胺，从而强化降解效果。 在超声处理聚丙烯酰胺溶液时，引入曝气后使 单纯超声的降解的效率得到提高，因为曝气增加了 产生羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H2O2）等高氧化 活性物质的绝对量，导致聚丙烯酰胺溶液降解效率提高。其次，曝气中的氧气对聚丙烯酰胺的降解也起着 一定得作用［9］，张学佳等［10］认为，聚丙烯酰胺的氧化 降解主要为自由基传递反应，氧化反应引起聚丙烯酰 胺主链的断裂，使聚合物分子量减少。高建平［11］和南 玉明等［12］认为溶液中氧气的存在是聚丙烯酰胺降解 的重要因素，当溶液中缺氧时，容易发生分子链的偶 合，生成交联结构和链终结，当溶液中有足够的氧 时，则容易发生氧化降解反应。Vijayalakshmi［13］和朱麟 勇等［14］认为，在有氧存在条件下，聚丙烯酰胺的稳定 性下降，溶液粘度的下降随温度升高而加剧，相反， 在脱氧条件下，溶液粘度有一定的上升。
图1表明了超声加曝气协同工艺降解聚丙烯酰 胺溶液比单纯超声降解效率高。但在超声与曝气协 同作用下对聚丙烯酰胺的降解并不是气量越大越 好，图2说明在前20 min内超声与高气量曝气的效 果没有超声与相对较低的曝气量协同处理降解效果 好，同时也说明曝气量过大影响超声效果。 图3说明在一定的超声强度下，孔径相对较小 的曝气效果要优于孔径较大的曝气处理效果，当曝 气量一定时，相对孔径小的曝气对超声处理会产生 羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H2O2）等高氧化活性 物质的绝对量也多。宁平等［15］研究了超声辐照-活 性污泥联合处理焦化废水，结果表明，对初始浓度为 807 mg.L-1的废水，选择空气作为曝气气体，向废水 中曝气而不超声时，废水中污染物化学需氧量降解 率为4.5%；而在声能强度为119.4 kw.m-2时且同时 曝气，污染物化学需氧量降解处理效率可以达到 65%。
赵玉华等［8］研究了超声波曝气协同高锰酸钾处 理微污染水，采用4种方法进行对比，超声波加曝气 协同高锰酸钾氧化作用、单纯超声波处理作用、单纯 高锰酸钾氧化作用、超声波协同高锰酸钾氧化作用 对微污染废水进行处理。结果表明，超声波曝气协同 高锰酸钾氧化处理微污染水处理效果最好。 图3也说明了当聚丙烯酰胺粘度低时（处理20 min后）超声与曝气协同处理时，孔径为0.2 mm和 0.5 mm两种超声曝气效果却没有有明显差别。这也 说明了在一定的超声强度下，与曝气组合工艺对聚 丙烯酰胺的降解过程其对曝气量、曝气方式的要求 都在变化当中，这也是今后需要深入研究的课题。
3结论
超声可以细化气泡、强化气液两相传质，从而加 速气液反应，引入曝气可以增加超声降解效果。在超声处理聚丙烯酰胺溶液时，引入曝气后比 使单纯超声的降解效率大有提高，这是因为曝气增 加了产生羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H2O2）等高 氧化活性物质的绝对量，导致聚丙烯酰胺溶液降解 效率提高。
孔径相对较小的曝气效果要优于孔径较大的曝 气处理效果，当聚丙烯酰胺粘度低时（处理20 min 后）超声与曝气协同处理时，孔径为0.2 mm和0.5 mm两种超声曝气效果却没有有明显差别。
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来源：中国化学试剂网
