06本科毕业设计论文模板讲解Word格式文档下载.docx
《06本科毕业设计论文模板讲解Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《06本科毕业设计论文模板讲解Word格式文档下载.docx（21页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
注：
此页由指导教师填写
摘要
…………………
关键词：
反射式，光纤，位移，测量
目录
第1章绪言…………………………………………………………………1
第2章文献综述……………………………………………………………3
2.1聚丙烯酰胺的应用领域………………………………………………3
2.2聚丙烯酰胺的研究背景………………………………………………6
2.3研究的目的及意义……………………………………………………7
第3章AM与DMDAAC聚合实验………………………………69
3.1聚合反应机理………………………………………71
3.1.1丙烯酰胺的聚合机理[9]………………………………………71
3.1.2单体DMDAAC与单体DMC的聚合机理……………………………71
3.2聚合实验主要药品………………………………………71
3.3试验所需主要仪器………………………………………71
3.4AM与DMDAAC的聚合方法………………………………………71
3.5AM与DMDAAC聚合物的分析方法…………………………………………71
3.5.1AM-DMDAAC聚合物特性粘度的测量方法…………………………71
3.5.2阳离子聚丙烯酰胺的相对分子质量的计算方法[10]……………71
第4章试验结果与讨论………………………………69
4.1单体配比[m（DMDAAC）:
n（AM）]对聚合反应及反应产物的影响…………71
4.2以相对分子质量为指标L9（34）表实验结果分析……71
第5章结论………………………………………………………………………79
参考文献…………………………………………………………………………86
致谢…………………………………………………………………………99
附录………………………………………………………………………101
第一章绪论
水资源的匮乏和污染已成为我国乃至全球面临的危机之一，是大多数国家经济发展的制约。
因此，限制未经处理污水任意排放并推行污水资源化，使水资源的利用走上良性循环，已成为当务之急[1]。
为保护水资源，在节水的同时，人们更应致力于污染水的净化及其回收利用。
一般说来，污水处理的方法可归纳为机械物理法、生物化学法、物理化学法、化学法等。
其中，化学法包括混凝法、中和法、化学氧化法、电化学法等。
混凝法是指向废水中加入水处理剂，通过混合、反应凝聚、絮凝等几种综合作用，废水中胶体或悬浮物沉淀下来达到分离。
它是国内外最普遍用来提高处理效率的水质处理方法，被广泛的应用于各类废水处理中[2]。
絮凝剂则是应用最为广泛、效果明显的水处理剂，在用水及废水处理和生产过程的固液分离中占有重要的地位。
絮凝剂的性能很多：
首先，能有效脱除80%～95%的悬浮物质和65%～95%的胶体物质，对降低水中COD值有重要作用。
絮凝剂的研究及应用显得尤为重要。
从整体上看，我国水处理用絮凝剂产品结构不合理，标准亦不健全，相当数量的产品质量低下，性能不稳定，效率低，产品开发也存在着一定的盲目性，没有真正形成完整的体系，缺少系列化、规模化生产，厂家多，规模小，产品单一，生产工艺设备落后，产出的絮凝剂质量不够稳定，对药剂所含重金属等毒害性物质缺少要的统一的控制与管理，水不溶物与杂质含量较高。
以主要产品聚丙烯酰胺类絮凝剂为例，现国内生产现状与国外发达国家主要差距是：
在生产品种上，国外阳离子型絮凝剂占60%，国内仅为6%，而且基本上是低档产品；
在产品形态上，国外有颗粒化固体产品、悬浮体、油乳液，国内只有干粉和胶体；
在产品质量上，国外由于生产技术较先进、生产规模大，游离单体含量低（<
0.05%），分子量可达1500万以上，而溶解性能仍然较好。
国内产品分子量一般未超过1000万，分子量分布范围宽，游离单体含量比国外产品高出5倍左右，溶解性能较差。
面临着来自国外絮凝剂越来越激烈的竞争及人们对环境质量越来越严格要求的挑战。
这些已成为新型高效、环保产品的发展障碍。
因此，优先发展经济合理、技术先进、符合国情的絮凝产品已迫在眉睫。
本文主要利用阳离子型单体二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）与丙烯酰胺（AM）作为聚合单体，并以K2S2O8-NaHSO3氧化还原引发剂体系引发聚合制备阳离子型聚丙烯酰胺的，反应环境为（PEG-聚合物）双水相体系，着重讨论了两种单体浓度配比不同对聚合产物分子量及特性粘度的影响。
最终使阳离子单体与丙烯酰胺在（PEG-聚合物）双水相溶液中聚合，并成功地合成具有较高的相对分子质量、絮凝效果好等的阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂。
第二章文献综述
2.1聚丙烯酰胺的应用领域
聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物是造纸、石油、化工、冶金、地质、煤炭、轻纺、水处理等领域广泛应用的多功能聚合物，也是水溶性合成高分子聚电解质中最重要的品种之一。
国际上聚丙烯酰胺对于上述领域的应用较早，最大用途领域为水处理剂。
我国大量应用和生产聚丙烯酰胺始于1980年末期，据统计2000年全世界PAM产品已逾49万吨，美国产量达6万吨，日本年产量约2万吨，我国产量约10万吨。
随着各行各业对PAM的需求增加，新品种、合成新工艺不断涌现丙烯酰胺通过自由基聚合可以得到分子量不等的聚丙烯酰胺，可以从几到几十万。
利用辐射、紫外光、超声波和容易分解的过氧化物或者偶氮化合物都可以引发聚合反应。
工业上经常使用的引发剂是有机过氧化物、偶氮化合物，以及无机过氧化物。
常用的有机过氧化物包括氧化苯甲酰、十二烷过氧化物、过氧化异丙烷；
偶氮类引发剂种类比较多[3]。
2.2聚丙烯酰胺的研究背景
阳离子型聚丙烯酰胺是一种带有阳离子基团的线性水溶性高分子，它因具有使用PH值范围广，受共存盐影响小，对水中带有负电荷微粒起到电中和及吸附架桥作用而有效地絮凝、脱色，并能强化固液分离过程等优点，而广泛用于石油开采、造纸、冶金、采矿、纺织、印染、国防、日用化工、水处理等领域[4,5]。
20世纪70年代以来，日、美、英、法等国家的阳离子型絮凝剂的研制开发出现了明显的增长趋势，在废水处理中，阳离子型絮凝剂得到了广泛使用。
近几年来，日、美等国家阳离子絮凝剂已占合成絮凝剂的总量的60%，且每年仍以10%以上的速度增长[6]。
在国外已开发引用的阳离子型高分子絮凝剂中，阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂占重要的地位。
在早期，阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的主导产品为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）与丙烯酰胺（AM）的共聚系列产品，而在污水处理厂的污泥脱水设备从带式压滤机转变为以高速离心机、挤压机等为主的情况下，对絮团的机械强度就有了更高的有求，因而DMC系列的产品已经不能满足要求。
因为二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）的水溶性极强,电荷密度高,且无毒、高效、价廉,在合成阳离子聚合物领域中DMDAAC占有很重要的地位。
DMDAAC与丙烯酰胺（AM）共聚物（DMDAAC-AM）具有良好的吸附性、抗剪切性、耐温性、耐酸碱性等优点,是一种良好的絮凝剂，广泛应用于石油、造纸、污水处理、纺织、日化及其它行业。
AM-DMDAAC用于处理含水矿浆以及分离煤矿废水中的悬浮物,用DMDAAC摩尔百分数为50%-97%的DMDAAC-AM共聚物来处理煤矿泥浆,用量少且沉降快,其处理效果超过单独使用的P-DMDAAC或PAM。
我国自20世纪60年代开始生产聚丙烯酰胺,目前年生产能力约达70kt,但品种少,且平均分子质量较低，1990年我国进口的聚丙烯酰胺中94%为高平均分子质量聚丙烯酰胺阳离子产品。
1995年底大庆油田从法国SNF公司引进的50kt/a聚丙烯酰胺水溶液法生产装置投产，生产出平均分子质量接近1.5×
107的产品,使国内聚丙烯酰胺的生产能力大幅度提高，但是随着市场需求越来越大，寻找生产工艺简单、成本低廉、高质量的聚丙烯酰胺合成方法仍是值得重视的研究课题。
并且，在我国水处理所使用的絮凝剂中，聚丙烯酰胺因占各种絮凝剂总量的一半而处主要位置。
而对CPAM的研究起步较晚，并且只研究了由DMC、甲基丙烯酸二甲胺基乙酯（DM）及二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）与AM共聚制备的CPAM，而且，DMDAAC与AM的共聚物因高效无毒,正电荷密度高,相对于其他阳离子絮凝剂价格低廉,因此它具有广阔的应用前景和市场潜力。
我国从20世纪80年代开始对其进行研究,虽已实现工业生产化,但规模小,产品质量、数量与国外存在着较大的差别,并且其应用面较窄,目前主要应用于石油开采领域中。
因此，我国在CPAM方面的研究与国外研究水平的存在着明显差距[7]。
目前，由于CPAM具有特异的优越性能，对它的研究与开发正在不断扩大和深入。
我国的阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的品种单一，除了聚丙烯酰胺经曼尼期反应制备的阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂外，能真正工业化并具有工业潜力的水溶性阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂几乎没有。
而由曼尼期反应制备的CPAM絮凝剂中存在着一定量的残余丙烯酰胺单体，这样就不可避免地带来了一些毒性，使其应用受到限制，特别是在生活用水的处理上。
因此，我国应致力于开发高效，无毒或低毒的，经济适用的有市场竞争力的由丙烯酰胺与阳离子单体经共聚合反应制备的阳离子型絮凝剂，并应在原料的选择，聚合方式的选择以及产品性能（如分子量，阳离子度）的等方面进行提高。
开发具有多功能性能的阳离子聚丙烯酰胺类絮凝剂[8]。
2.3研究的目的及意义
本文主要利用阳离子型单体二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）与丙烯酰胺（AM）作为聚合单体，并以K2S2O8-NaHSO3氧化还原引发剂体系引发聚合制备阳离子型聚丙烯酰胺的，反应环境为（PEG-聚合物）双水相体系，利用正交实验法考察单体配比因素对聚合物特性黏度以及相对分子质量的影响，最终获得制备高相对分子质量阳离子型聚丙烯酰的最佳工艺条件为：
温度为65℃，pH值为5，引发剂量为1.5ml，DMDAAC/AM为1:
3。
本课题所采用的双水相聚合方法具有合成工艺简易、合成成本低、实验操作安全、等优点，并且研究结果对絮凝剂的发展和环境保护及水处理具有一定的现实意义，且在水处理领域具有广阔的发展空间。
第三章AM与DMDAAC聚合实验
3.1聚合反应机理
3.1.1丙烯酰胺的聚合机理[9]：
丙烯酰胺的聚合方式为自由基聚合，自由基聚合一般分为链引发、链增长和链终止三个阶段。
（1）链引发
链引发反应是形成单体自由基或自由原子的反应。
引发反应过程主要两部分组成：
引发剂R—R发生均裂，形成自由基R·
反应方程式为：
R—R
2R·
。
初级自由基与单体加成，形成单体自由基。
单体自由基形成后可以继续与单体反应，不断使链增长。
（2）链增长
自由原子或自由基与一般分子反应，在生成产物的同时，能够再生成自由原子或自由基，因而可以使反应一个传一个，不断进行下去（例如下反应式），此即为链的增长。
链的增长是链反应的主体。
这里的自由原子或自由基等活泼粒子叫作链的传递物。
初级自由基基具有非常大的活性，可以继续与单体反应，从而聚丙烯酰胺的分子量不断增大，而且链增长的反应速度非常快；
伴随反应的进行，释放大量热量。
聚丙烯酰胺的链增长过程中自由基与单体有两种结合方式，即头-头结合与头-尾结合。
由于空间位阻效应和共聚效应的作用，促使聚合物以头尾结合形式增长，尤其是在侧链非常大的阳离子单体的聚合过程中多以头-尾形式聚合。
（3）链终止
自由基终止反应形式主要有两种：
偶合终止和歧化终止。
偶合终止是两个自由基反应形成单键。
在歧化反应中自由基从其他自由基获得氢原子或其他原子终止反应。
歧化反应结果造成形成的分子一端为引发剂残迹，另一端为饱和或者不饱和键。
再者，在聚合过程中，自由基可能从单体、溶剂、引发剂、杂质等获得一个原子，失去活性，成为分子；
而失去原子的物质称为新的自由基，继续引发链的增长，使聚合不断进行下去。
这一反应称为链转移反应。
如果聚合过程中链转移食向小分子进行，往往得到的最终聚合物的分子量比较小。
如果转移后形成的新自由基N·
根本没有活性，反应就会终止。
这就是在聚合反应中要求丙烯酰胺单体纯度特别高的原因之一。
另外，在聚合反应中体系中的氧实际上也是起到连终止剂的作用，因此，必须尽可能完全去处氧。
在聚合过程中，为了得到一定分子质量的聚丙烯酰胺往往会有意加入链转移剂，例如，在制备低分子量聚合物时加入一定量的异丙醇。
3.1.2单体DMDAAC与单体DMC的聚合机理：
本次试验是采用二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）与丙烯酰胺（AM）作为聚合单体，并以K2S2O8-NaHSO3氧化还原引发剂体系引发聚合制备阳离子型聚丙烯酰胺的，反应环境为（PEG-聚合物）双水相体系。
首先NaHSO3作为还原剂生成两个自由基：
上反应产生的自由基SO4-·
还能与HSO-3发生单电子转移反应,即:
反应产生的HSO3·
将参加引发反应，使反应顺利进行反应方程式见下式，DMDAAC与AM最终可聚合生成具有五元环或六元环结构的阳离子型聚合物。
3.2聚合实验主要药品
本次实验所用到的试剂有：
二甲基二烯丙基氯化铵（工业级）；
丙烯酰胺（AM）分析纯；
无水亚硫酸钠（分析纯）；
过氧化钾（分析纯）；
甲醇（分析纯）；
无水乙醇（分析纯）；
铬酸钾（分析纯）；
硝酸银（分析纯）；
尿素（分析纯）；
Tween-80（分析纯）；
皂土（化学纯）。
3.3试验所需主要仪器
本次实验所使用的仪器设备有：
电加热恒温水浴锅DK-98-型；
单盘分析天平DTG160；
乌氏粘度计（非稀释型）；
调温电热套KDM型；
PH计DELTA320；
电热鼓风干燥箱银河牌；
电子天平GSI-200；
振荡器HY-2型；
浊度测量仪HI93703。
3.4AM与DMDAAC的聚合方法
在反应瓶中分别加入一定量的蒸馏水、PEG等各种助剂，然后再安一定的配比加入反应单体AM和DMDAAC，用玻璃棒充分搅拌使之溶解完全，在适当的温度下用浓氢氧化钠溶液调节pH至适当值，待一切准备就绪后，用滴管缓慢加入引发剂溶液精确量后封口，静止反应。
控制反应温度和时间，得到粘稠胶状聚合物，取出并用无水乙醇洗涤，然后烘干，粉碎，造粒，最后得到阳离子型共聚物DMDAAC-AM粉状物。
如此实验，进行多次不同单体配比量，但其他反应条件和各类试剂均相同的聚合实验，得到各类聚合产物。
3.5AM与DMDAAC聚合物的分析方法
3.5.1AM-DMDAAC聚合物特性粘度的测量方法
（1）样品待测溶液的配置
在分析天平上精确称取0.5g干燥后的聚合样品，倒入50ml烧杯中并加入约30ml的蒸馏水，加热使之溶解至溶液完全透明，待自然冷却至室温，再将溶液完全移至100ml的容量瓶中，用蒸馏水稀释、震荡混匀、定容后备用。
（2）标准溶剂流出时间t0的测定
在恒温水浴锅中，将粘度计垂直安装在恒温水浴中（注意：
G球及以下部位需要完全按浸在水中），安装好温度计，测量点在粘度计毛细管中部位子，待温度计温度到达30+0.5℃时，用移液管吸10ml蒸馏水，从A管注入，并用压力装置压到粘度计F球内，在C管和B管的上端均套上干燥清洁橡皮管，并用夹子夹住往C管上的橡皮管下端，使其不通大气。
在B管的橡皮管口用针筒将水从F球经D球、毛细管、E球抽至G球中部，取下针筒，同时松开C管上夹子，使其通大气。
此时溶液顺毛细管而流下，当液面流经刻度a线处时，立刻按下秒表开始计时，至b处时停止计时。
记下液体流经a、b之间所需时间。
重复测定三次，偏差小于0.2s，取其平均值，即为t0值。
（3）溶液流出时间的测定
取出粘度计，倾去其中的水，连接到水泵上抽气，同时用电热吹风吹干。
用移液管吸取已预先恒温好的溶液10ml，注入粘度计内，同上法安装粘度计，测定溶液的流出时间t0。
然后，依次加入2.00、3.00.5.00、7.00ml蒸馏水。
每次稀释都要将稀释液抽洗粘度计的E球，使粘度计内各处溶液的浓度相等，按同样的方法进行测定。
3.5.2阳离子聚丙烯酰胺的相对分子质量的计算方法[10]
（1）溶液特性粘度的测量[11]：
因容剂（水）分子之间的内摩擦表现出来的粘度叫纯溶剂粘度，记作η0；
此外还有CPAM分子相互之间的内摩擦，以及CPAM与溶剂（水）分子之间的内摩擦。
三者之和表现为溶液的粘度η。
在同一温度下，一般来说，η﹥η0相对于溶剂，其溶液粘度增加的分数，称为增比粘度，记作ηsp,即
ηsp＝（η－η0）/η0（2-1）
而溶液粘度与纯溶剂粘度的比值称为相对粘度，记作ηr,即
ηr＝η/η0（2-2）
ηr是整个溶液粘度行为，ηsp则意味着已扣除了溶剂分子之间的内摩擦效应。
关系为
ηsp＝η/η0-1（2-3）
对于CPAM这种高分子的溶液，增比粘度ηsp往往随溶液的浓度的增大而增大。
为便于说明和比较，将单位浓度下所显示的增比粘度，即ηsp/c称为比浓粘度；
lnηr/c称为比浓对数粘度。
ηr和ηsp都是无因次的量。
为了进一步消除CPAM分子之间的内摩擦效应，必须将溶液浓度无限稀释，使得每个CPAM分子彼此相隔极远，其相互干扰可以忽略不计，这时溶液所呈现出的粘度行为基本上反映了CPAM分子与溶剂分子之间的内摩擦。
这一粘度的极限值记为
lim（ηsp/c）＝[η]（2-4）
[η]被称为特性粘度，其值与浓度无关。
又有如下关系：
ηr＝η/η0＝t/t0（2-5）
其中：
t--CPAM溶液流出时间，s；
t0---溶剂的流出时间，s；
结合式（2-3）可得：
ηsp＝η/η0-1＝t/t0-1＝（t-t0）/t0（2-6）
故可以计算得到ηsp，ηsp/c和lnηr/c的值，再结合一系列不同浓度的溶液分别进行测定，以ηsp/c和lnηr/c为纵坐标，c为横坐标作图，得两直线，分别外推到c＝0处，其截距即为[η]。
如图2-1所示。
式中t——试样溶液的流经时间，s；
t0——缓冲溶液的流经时间，s。
（2）粘均相对分子质量计算公式：
粘均相对分子质量按下式计算：
Mη=（[η]/0.000373）1.515
式中：
Mη——粘均相对分子质量；
[η]——特性粘数；
0.000373——经验常数；
1.515——经验常数。
第四章试验结果与讨论
4.1单体配比[m（DMDAAC）:
n（AM）]对聚合反应及反应产物的影响
（1）单因素实验的建立
设计5组不同单体配比，其他因素包括聚合温度、反应时间、聚合pH、以及除聚合单体外其他添加剂的用量、引发剂用量等均一致。
利用5组实验聚合产物的分子量及特性粘度的实测值，分析不同单体配比对聚合产物分子量大小及特性粘度的影响情况。
具体实验条件如下表：
表3-1
实验序号
单体配比
wAM/wDMDAAC
反应温度℃
反应pH值
引发剂用量
mL
PEG用量
%wt
1
3:
65
5
1.5
8
2
2:
3
1:
4
如表3-1进行5组单因素实验，再通过聚合产物提取、干燥、造粒后，精确称取0.5g产品，分别利用乌氏粘度计测出和计算出各组产物的特性粘度和年均分子量，实验结果如下表：
3/1
2/1
1/1
1/2
1/3
样品质量（g）
T1（s）
T2（s）
T3（s）
T平均（s）
特性粘度
0.0553
158.34
158.26
158.13
158.24
429.605
0.0812
156.58
156.90
156.28
156.59
402.684
0.0752
147.50
147.18
147.32
147.52
345.781
0.0604
132.18
132.67
132.79
132.45
223.552
0.0743
123.25
122.52
123.10
122.96
205.103
分子量（g/mol）
1579732.9
1456732.3
1254781.3
756381.5
644827.2
表3-2
图3-1
由AM:
DMDAAC质量配比值对聚合物分子量的影响作图3-1。
由图3-1可得，随着AM:
DMDAAC质量配比的减小，相对分子质量减小。
由图可见在DMDAAC与AM质量配比为1:
3时，聚合物的分子质量最大，约16万g/mol。
解释此种现象，可能在体系中，由于AM的含量是固定的，随着DMDAAC的质量减小时，AM:
DMDAAC的值减少，由于DMDAAC的分子结构及其阳离子性和较大的空间位阻，所以在聚合反应中其反应活性较低。
与DMDAAC比，AM的活性远高于DMDAAC,所以共聚时,若AM含量多,必定体系的活性高,得到的分子量就高,收率也同样如此,反之亦然。
提高DMDAAC单体的比例,会引起分子量的下降,但在共聚产物中，聚合产物的阳离子度会有所增大[12].而且在聚合反应溶液中，各单体浓度过高时，反应放出的聚合热会使体系温度升高过快、过高，降低聚合物分子量，另外也会使得链转移反应机率迅速增加，聚合物分子结构支化严重，导致聚合物水溶性变差，不溶物增多，分子量下降。
同时，单体浓度高，聚合速率快，体系粘度高，导致后期引发剂与单体接触机率减少，单体的残留量有所回升。
因此进行聚合实验要选择适当的DMDAAC：
AM质量配比值。
因分子量计算是利用聚合物特性粘度值来计算的，且由计算公式和图表数据来看，分子量的变化趋势和特性粘度的变化趋势应为一至，顾本实验以聚合物分子量变化趋势来着重说明单体质量配比对聚合反应产物分子量及特性粘度的影响。
4.2以相对分子质量为指标L9（34）表实验结果分析
前面单独讨论了单因素单体质量配比对聚合物分子量及特性粘度的影响，在此单因素实验组中，对于其他因素都控制了固定值，那么之前这些实验条件如何得出的？
这些因素的条件是聚合反应的最佳条件，可以根据以聚合反应物分子量为指标L9（34）的正交实验得出，具体正交实验表及实验结果如下表3-3:
表3-3
实验号
因素
指标因素
温度
（0C）
pH值
引发剂浓度（mmol/L）
DMC:
AM
相对分子质量
*10^6g/mol
50
（1）
5
（1）
2.0
（1）
1
（1）
1.312
6
（2）
1.5
（2）
2
（2）
1.524
50（
升级会员 