絮凝劑種類和性能
聚丙烯酰胺溶液的粘度  絮凝劑是甘蔗糖廠普遍使用的藥劑，用以加速蔗汁沉降和提高清汁質量。近年來，國內外糖業界籍助于現代絮凝劑的良好性能，研究開發了多種新的氣浮清凈工藝流程，顯著地提高了制糖工業的科技水平。絮凝劑的品種和性能也有很大的發展與提高，它在制糖工業中發揮著越來越重要的作用。  1、絮凝劑的種類  絮凝劑有不少品種，其共通特點是能夠將溶液中的懸浮微粒聚集聯結形成粗大的絮狀團粒或團塊。它們都是含有大量活性基團的高分子有機物，主要有三大類：  １、以天然的高分子有機物為基礎，經過化學處理增加它的活性基團含量而制成。 ２、用現代的有機化工方法合成的聚丙烯酰胺系列產品。 ３、用天然原料和聚丙烯酰胺接枝(或共聚)制成。  某些天然的高分子有機物例如含羧基較多的多聚糖和含磷酸基較多的淀粉都有絮凝性能。用化學方法在大分子中引入活性基團可提高這種性能，如將一種天然多糖進行醚化反應引入羧基、酰胺基等活性基團后，絮凝性能較好，可加速蔗汁沉降。  將天然的高分子物質如淀粉、纖維素、殼聚糖等與丙烯酰胺進行接枝共聚，聚合物有良好的絮凝性能，或兼有某些特殊的性能。國內研制的一些產品，曾在幾個糖廠試用，有較好效果。  目前在國內外糖廠使用zui廣泛的絮凝劑，是合成的聚丙烯酰胺系列產品，它們的發展提高較快，在制糖工業的多種流程中普遍使用。  聚丙烯酰胺(polyacrylamide)，常簡寫為pam(過去亦有簡寫為php)。糖廠近年使用的各種pam，實質上是用一定比例的丙烯酰胺和丙烯酸鈉經過共聚反應生成的高分子產物，有一系列的產品。  丙烯酰胺的分子式為：ch2 = ch－conh2 丙烯酸鈉的分子式為：ch2 = ch－coona       式中的m與n分別代表丙烯酰胺與丙烯酸鈉的相對數量。它們的比例對聚合物的性質有很大的影響。通常將n對(m+n)的百分比稱為陰離子度或羧基比率，以前通常稱它為水解度：   
n    n + m    陰離子度 ＝  × 100%         因為－coona基團在水溶液中容易離解出na+  而留下負電基－cooˉ，使大分子帶負電，它們亦稱為陰離子聚合電 2、聚丙烯酰胺的質量參數  pam的分子量、陰離子度和殘留單體含量是很重要的參數。 （1）分子量  pam的分子量很高，且近年來還有較大提高。20世紀70年代應用的pam，分子量一般為數百萬；80年代以后，多 的分子量在1500萬以上，有些達到2000萬。每一個這種pam分子是由十萬個以上的丙烯酰胺或丙烯酸鈉分子聚合而 胺的分子量為71，含十萬個單體的pam的分子量為710萬)。通常，分子量高的pam的絮凝性能較好。高分子有機物的使在同一產品中也不是*均一的，標稱的分子量是它的平均值。  （2）陰離子度  pam的陰離子度對它的使用效果有很大影響，但它的適宜數值需視所處理的物料的種類和性質而定，不同情況下 *值。根據我們多年的研究和對數十個pam樣本進行對比試驗與分析，制糖工業所用的pam陰離子度22～28%較適合 較強，可用于不同的物料(蔗汁、糖漿、赤糖及原糖的回溶糖漿)以及不同的工藝流程(亞硫酸法、碳酸法和磷浮法) 。 糖用pam的陰離子度多數在此范圍。bennett指出，如果所處理的物料的離子強度較高(含無機物較多)，所用pam的陰高，反之則應較低。又據克拉克的報告，澳州的糖廠常用20%陰離子度的pam，而美國佛羅里達州的糖廠常用較高的 等的研究發現，在蔗汁中加絮凝劑和除去沉淀物以后，殘留的pam量與pam原來的陰離子度有關。而在普通的水處理不含羧基的聚丙烯酰胺。  早期生產的pam是由丙烯酰胺一種單體聚合而成，原來不含－coona基團。使用前要先加naoh加熱，使部分－c為－coona，反應式如下：  －conh2 + naoh －→ －coona + nh3↑  水解過程中有氨氣放出。pam中酰胺基團水解的比例就稱為pam的水解度，它即是陰離子度。這種pam的使用不能較差(加熱水解必使pam分子量和性能明顯下降)，80年代后已很少使用。 
    現代生產的pam有多種不同陰離子度的產品，用戶可根據需要和通過實際試驗選用適當的品種，不需要再行水解 即可使用。但是，由于習慣的原因，有些人仍將絮凝劑的溶解過程稱為水解。應當注意，水解的含義是加水分解，是 pam的水解有氨氣放出；而溶解只是物理作用，無化學反應。兩者的本質不同，不應混為一談。目前還有一些糖廠的技不了解，甚至按以前的概念錯誤操作。  （3）殘余單體含量  pam的殘余單體含量是衡量它是否適用于食品工業的重要參數。丙烯酰胺的聚合物是無毒的，在上已廣泛用 凈、食品工業和制糖工業。不過，在工業品聚丙烯酰胺中，難免殘留有微量的未聚合的丙烯酰胺單體，它有一些毒性 須嚴格控制pam產品中的殘余單體含量。規定用于飲用水和食品工業的pam中的殘余單體含量不超過0.05%。國外這一數值低于0.03%。  3、聚丙烯酰胺的產品品種  國內外生產的pam產品很多，而且在不斷發展提高。  1、國內早期曾生產一種含干基7%的粘膠狀pam產品，分子量低，不含羧基，現已淘汰。  2、廣州南中有機化工廠在1970年代用乳液聚合法制成*代pam干粉，含干基超過90%，分子量500～900萬，陰10%，性能比前一種有較大提高。但糖廠使用時需再進行水解，這個品種近年很少使用。  3、該廠于80年代初制成 php系列產品，含干基90%以上，有不同型號代表不同的分子量和陰離子度。其中php 度為5～10%，php20為10～20%，php30為20～30%；ⅰ型的分子量為300～600萬，ⅱ型為600～900萬，ⅲ型為900 ⅳ型超過1300萬。不少糖廠用過php30-ⅲ型產品，效果較好，使用方便。但它是通用型產品，殘留單體含量仍偏高 4、t型pam是較適合制糖工業使用的絮凝劑。廣州南中廠與廣東糖業界合作，在80年代初采用新的共聚法工藝 小樣，在中山糖廠進行了數十次試驗對比，優選出這一品種。它的分子量較高，一般超過1200萬，陰離子度約25%； 基團分布較均勻，鏈節伸張程度好，在溶液中較易離解，化學活性和吸附性能良好。實際使用說明，t型pam對糖液中 有良好的絮凝能力，在糖廠各種工藝流程中應用有較強的適應性，明顯地優于php型。同時，這種產品中殘留的丙烯 量較低，可用于食品工業。t型pam為膠塊狀產品，含干基30～35%(其余為水分)。雖然它的性能較好，但使用比較麻它的推廣應用，有待改進。  5、國外的pam產品很多，已有多種進入國內市場，使用效果較好。主要的如：美國mazer公司的mafloc 724， 日本三菱公司的t1150；法國snf公司的an923－vhm。還有一些產品亦曾試用過：如英國tate & lyle公司的talos 沉淀)，talodura(用于糖漿氣浮)，taloflote(用于原糖糖漿)，美國dow化學公司的ap273；美國fabcon公司的zuc國氰胺公司的manofloc 846等。  由于各個糖廠的物料成份和所用工藝常有不同，其zui適用的絮凝劑品種可能不同，宜進行試驗對比來選擇使用。考慮產品的溶解性能，宜選用較易溶解的產品。 
    近年的pam產品多數是干粉，有效成份可按100%計算。它是白色粉末(或很細的顆粒)，松比重約0.8。較易吸潮成團塊，其水溶液非常粘滑。它應存放于干燥陰涼之處，包裝用的塑料袋在打開以后，要及時捆扎好袋口。  4、聚丙烯酰胺絮凝作用的機理  pam產生絮凝作用是基于它的兩種特點：長鏈(線)狀的分子結構和分子中含有大量活性基團。    pam是直鏈狀聚合物，因每個分子是由十萬個以上的單體聚合構成，分子鏈相當長。它如果*伸直，其長度要比 (如蔗糖)或離子(如ca2+ )長數萬倍以上。由于它的分子長而細，會彎曲或卷曲成不規則的曲線形狀。這個長分子鏈向外化學活性基團：酰胺基－conh2及羧基－cooˉ。    酰胺基是非離子性基團，但亦善于形成副價鍵而與其它物質的活性基團吸附并連結起來。單純的聚丙烯酰胺可以 水處理中，使水中的懸浮物絮凝。羧基是負電性基團，它是使糖汁中微粒絮凝的關鍵因素。因為糖汁中微粒的絮凝主 子的架橋作用產生。bennett的研究證明，糖汁中的懸浮微粒及大多數膠體物質帶有負電荷，它們的表面上經常吸附糖 子。由于ca2+  有兩單位正電荷，而微粒或膠體表面上的每一個帶電點通常只有一個負電荷(即一價酸根如－cooˉ)，故 的鈣離子還剩余一單位的正電荷，能再和其它負電基團相結合。這樣，鈣離子就在兩者之間起架橋作用而將它們連接 鈣與微粒或膠體的連結是通過這種作用，絮凝劑與微粒的連結也主要通過這種作用，即通過絮凝劑的羧基－cooˉ與鈣 種鈣鹽沉淀物及各種帶負電的微粒互相連結。在溶液中存有磷酸和磷酸鈣時，也能通過磷酸鈣和磷酸根架橋與其他微 離子連結。許多pam分子與許多鈣鹽沉淀和磷酸鈣沉淀微粒的互相連結就形成粗大的絮凝團。它的尺寸可達到數毫米bennett研究，蔗汁加pam后形成的絮凝團約包含有105 ～107 個原來的微粒。  由于pam分子長而細并有許多化學活性基團，它們能和沉淀微粒產生很多連接而形成較大的絮凝物，這些絮凝物 棉絮那樣，松散、無定形，互相連結但不很穩固，內部有很多空間和很多微細的網絡，包藏著大量液體，因而絮凝物 近它所存在的液體本身。絮凝物中還網絡了各種各樣的微粒，這就將各種不同成分、不同性質、不同大小的微粒集合 此，良好的絮凝劑處理能將溶液中原有的微粒*網絡除去，使溶液顯得特別清亮透明和有光澤。由于絮凝物的尺寸沉降和過濾都比較快。    絮凝劑與微粒的作用就是通過化學吸附和物理網絡這兩種形式產生的。根據上述機理可知，分子量較高、分子較 能吸附較多的微粒，形成網絡的能力較強，故絮凝效能較好。同理，pam分子中羧基的比例適當也很重要，因糖汁中的 負電，pam需要有適量的羧基通過鈣離子架橋與它作用。但如果羧基含量太多，pam分子本身負電過強，本身分子之間大，也不利于絮凝作用。  除了碳酸法以外，糖液(蔗汁和糖漿)加pam都是在加入磷酸和石灰乳中和以后。它們反應生成的磷酸鈣沉淀是絮 捕集液相中的各種懸浮微粒形成稍大的顆粒。這稱為*次絮凝。在此基礎上加pam形成更大的絮凝物，稱為第二次 的一次絮凝可以顯著提高加pam的二次絮凝的效果，并減少所需的pam的數量；因為一次絮凝已經將各種微細的粒子大大減少了粒子的總數，從而減少了pam的負擔。搞好一次絮凝是加pam獲得*效果的基礎。 
    5、聚丙烯酰胺溶液的粘度     pam 溶液是很粘稠的。分子量越高的pam的溶液粘度越大。這是因為pam大分子是長而細的鏈狀體，在溶液中運 大。粘度的實質是反映溶液內磨擦力的大小，亦稱為內磨擦系數。各種高分子有機物的溶液的粘度都較高，并隨分子 大。測定高分子有機物分子量的一種方法，就是測定一定濃度溶液在一定條件下的粘度，再按一定的公式計算其分子量均分子量"。    pam 溶液的特性粘度 [η] 與其分子量 ｍ 之間有如下的指數函數關系 ：      [η] = 3.73 × 10 －4  × ｍ  0.66     實踐經驗證明，pam的絮凝性能與它的溶液粘度有直接的關系，粘度高者性能較好；如果它的粘度受到某些因素的其絮凝性能必然下降。    pam溶液的粘度要用專門的儀器測定。根據我們多年的經驗，還可以用兩種簡易的方法來觀察。  １、將玻璃棒放入pam溶液中稍為攪拌后輕輕拉起，觀察玻璃棒末端形成的粘液絲的長度。濃度0.05～0.1%的好者能形成10～15cm或更長的外觀如蜘蛛絲的細絲，可隨空氣飄動；而較差者形成的絲很短，甚至不能成絲。  ２、用小瓶裝pam溶液，將瓶傾側使溶液緩慢流下，然后暫停傾瀉，觀察液流末端形成的粘液絲的狀態。良好的 形成很長的細絲。用這種觀察方法還可以看到pam的溶解是否已*和均勻一致。未*均一化的溶液，在傾瀉流出 到液流忽粗忽細，或有珠狀或紡錘形的流出物。這種未*分散均勻的pam溶液的使用效果不好，容易粘附在濾布或上，產生副作用。    現在，不少糖廠車間所用的pam溶液的粘度相當低，不能形成絲。為弄清此問題，可以取該種絮凝劑在化驗室用 溫下用低速攪拌開制同一濃度的溶液。如果這種溶液的粘度高，就說明車間的配制方法有問題。如果化驗室開的溶液 高，就不要再用這種產品。 將化驗室和車間分別配制的兩種pam溶液做模擬工藝實驗，對比它們的效果(如加入中測定沉降速度)，更能說明問題。