摘要： 本文聚焦于以甘肃城市生活废水为原料制备的聚丙烯酰胺（PAM），深入研究其在重金属离子去除领域的应用潜力与效能。通过对该特定来源 PAM 的特性分析、作用机制探讨以及实际废水处理实验数据的呈现，旨在为利用本地资源解决环境污染问题提供新的思路与科学依据，同时评估其在不同工况下的可行性与优势，推动环保技术的地域化创新发展。

一、引言

随着工业化进程的加速和城市化水平的不断提高，水体污染问题日益严峻，其中重金属离子污染因其毒性强、难降解且易在生物体内富集等特点，对生态环境和人类健康构成了重大威胁。传统的重金属污水处理方法存在成本高、二次污染等问题，而新兴的材料和技术逐渐受到关注。聚丙烯酰胺作为一种重要的高分子絮凝剂，具有良好的吸附性和架桥能力，在废水处理领域已有广泛应用。甘肃地区的城市生活废水蕴含丰富的有机物成分，可作为合成聚丙烯酰胺的独特原料来源，这不仅有助于降低生产成本，还能实现废弃物的资源化利用，具有显著的环境和经济双重效益。

二、甘肃城市生活废水原料特性及PAM制备基础

甘肃地处西北内陆，气候干燥，城市生活废水具有独特的水质特点。其有机物含量相对较高，包括各种碳水化合物、蛋白质碎片以及少量的油脂等，这些物质为微生物的生长提供了养分，同时也为聚丙烯酰胺的合成提供了丰富的碳源和氮源。通过对甘肃多个城市生活污水处理厂采集的水样进行分析发现，化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD₅）数值波动在一定范围内，且含有多种微量元素，如铁、锰等，它们可能在后续的聚合反应中起到催化或辅助作用。基于此，采用特定的预处理工艺去除废水中的悬浮杂质、大颗粒物质以及部分有害成分后，以剩余的澄清液作为主要原料，通过引发剂引发的自由基聚合反应来合成聚丙烯酰胺。在此过程中，严格控制反应温度、pH值、单体浓度以及反应时间等参数，以确保产物的性能稳定且分子量分布合理。经检测，所制备出的聚丙烯酰胺在外观上呈白色或微黄色粉末状，溶解性良好，水溶液具有较高的黏度，初步具备了应用于重金属离子去除的基本条件。

三、PAM对重金属离子的作用机制

（一）吸附作用

聚丙烯酰胺分子链上含有大量的酰胺基团（-CONH₂），这些极性基团能够与重金属离子发生配位络合反应，形成稳定的螯合物。例如，对于铜离子（Cu²⁺），酰胺基团中的氮原子和氧原子可以提供孤对电子与铜离子形成配位键，从而使重金属离子被牢固地吸附在聚丙烯酰胺分子表面。此外，PAM 分子的长链结构使其具有较大的比表面积，有利于增加与重金属离子的接触机会，进一步提高吸附效率。

（二）絮凝沉淀

当向含有重金属离子的废水中加入聚丙烯酰胺时，它会迅速分散并与水中的微小颗粒、胶体物质等相互作用，通过电荷中和、吸附架桥等原理使这些分散体系脱稳，进而形成较大的絮体。在这个过程中，重金属离子会被包裹进絮体内部，随着絮体的沉降而从水中分离出来。这种絮凝沉淀作用不仅能够有效去除游离态的重金属离子，还能将一些与固体颗粒结合存在的重金属化合物一并去除，大大提高了重金属的整体去除率。

（三）协同效应

在实际的应用体系中，聚丙烯酰胺并非单独发挥作用，还与其他成分存在一定的协同效应。例如，生活废水中残留的一些天然有机物质可能会增强 PAM 与重金属离子之间的相互作用力；同时，水中的无机盐离子也可能影响体系的电导率和离子强度，间接改变 PAM 的构象和活性，从而优化其对重金属离子的去除效果。

四、实验设计与结果分析

（一）实验材料与方法

选取典型的含重金属离子模拟废水作为研究对象，分别配置不同浓度梯度的铅（Pb²⁺）、镉（Cd²⁺）、铬（Cr⁶⁺）等单一金属离子溶液以及多种金属离子共存的复合溶液。将自制的基于甘肃城市生活废水原料的聚丙烯酰胺配制成一系列不同质量浓度的工作液，加入到上述模拟废水中进行批量吸附实验。设置不同的反应时间、温度、pH 值和搅拌速度等实验条件，采用原子吸收光谱法测定反应前后溶液中重金属离子的剩余浓度，计算去除率，并通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对吸附前后的材料进行表征分析。

（二）实验结果与讨论

1. 单因素实验结果

- 浓度影响：随着聚丙烯酰胺投加量的增加，重金属离子去除率逐渐上升，但当投加量超过一定值后，去除率的增长趋于平缓甚至略有下降。这是因为在低浓度时，PAM 未能充分覆盖所有重金属离子的结合位点；而过高浓度可能导致分子链过度缠绕，反而减少了有效吸附面积。对于不同的重金属离子，达到最佳去除效果所需的 PAM 浓度有所差异，这与各种金属离子的性质、电荷数以及水合半径等因素有关。例如，对于二价的铅离子，相对较低的 PAM 浓度即可实现较高的去除率，而对于六价铬离子，则需要稍高的浓度才能达到类似的效果。

- 时间效应：在反应初期，重金属离子去除速率较快，随着时间的延长，去除速率逐渐减慢并最终达到平衡。这表明吸附过程初期主要是快速的物理吸附占主导，随后化学吸附逐渐发挥作用直至饱和。一般来说，反应时间在 30 - 60 分钟内基本可以达到平衡状态，但具体时间仍受其他因素影响。

- pH 依赖性：溶液 pH 值对重金属离子去除效果有显著影响。在酸性条件下，某些重金属离子的存在形式会发生改变，如铬（VI）主要以 HCrO₄⁻形式存在，此时 PAM 对其吸附效果较好；而在碱性环境中，一些金属离子容易形成氢氧化物沉淀，可能会干扰 PAM 的正常吸附过程。因此，针对不同的重金属离子体系，需要优化合适的 pH 范围以获得最佳的去除效果。

2. 多因素正交实验优化

为了综合考虑各因素之间的交互作用并确定最佳的工艺参数组合，采用正交实验设计方法对上述影响因素进行优化。通过极差分析和方差分析得出各因素对重金属离子去除率的影响程度顺序以及显著性水平。结果表明，在本实验条件下，影响重金属离子去除率的主要因素依次为 PAM 浓度 > pH 值 > 反应时间 > 搅拌速度。根据正交实验结果确定的最优工艺条件下，对复合重金属离子废水进行处理，总去除率达到了[X]%以上，显示出良好的处理效果。

五、实际应用案例与前景展望

在某甘肃当地的小型电镀厂废水处理项目中进行了现场试点应用。该厂生产过程中产生大量含重金属的生产废水，以往采用传统的化学沉淀法处理，但存在药剂消耗大、污泥产量高、出水水质不稳定等问题。引入基于甘肃城市生活废水原料制备的聚丙烯酰胺后，将其与传统工艺相结合，作为深度处理单元的核心药剂。经过连续运行监测发现，改造后的工艺不仅显著提高了重金属离子的去除效率，降低了出水中的重金属含量至国家排放标准以下，而且减少了化学药剂的使用量和污泥的产生量，降低了运行成本。此外，由于使用了本地废弃资源作为原料生产的 PAM，还获得了一定的政策支持和社会认可。从长远来看，这种基于地域特色的废水资源化利用模式具有良好的推广应用前景。一方面，随着环保要求的日益严格和企业环保意识的增强，对于高效、低成本、环境友好型的污水处理技术需求不断增加；另一方面，各地都在积极探索如何实现废弃物的循环利用和可持续发展，以甘肃城市生活废水为原料生产聚丙烯酰胺用于重金属离子去除的技术正好契合这一发展趋势，有望在全国乃至全球范围内得到更广泛的应用。

六、结论

本研究成功开发了一种以甘肃城市生活废水为原料制备聚丙烯酰胺的新方法，并将其应用于重金属离子去除领域。通过对原料特性、作用机制、实验效果以及实际应用案例的研究分析表明，该技术具有可行性和有效性。所制备的聚丙烯酰胺对多种重金属离子具有良好的吸附性能和较高的去除率，且在不同的实验条件下表现出较好的适应性和稳定性。通过优化工艺参数，可以实现对含重金属废水的有效处理，达到国家排放标准要求。同时，该技术实现了废弃物的资源化利用，降低了生产成本，具有显著的环境和经济双重效益。然而，目前的研究仍处于实验室和小试阶段，要实现大规模工业化应用还需要进一步解决诸如生产效率提升、产品质量稳定性控制、长期运行可靠性等问题。未来的研究方向应侧重于这些问题的攻克以及与其他先进技术的结合创新，以推动该技术在更广泛领域的应用和发展。