含聚污水中陽離子對其光譜特性影響實驗研究

齊晗兵, 張曉雪, 李 棟, 李舒婷, 楊 露

(東北石油大學 土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶 163318)

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含聚污水中陽離子對其光譜特性影響實驗研究

齊晗兵, 張曉雪, 李 棟, 李舒婷, 楊 露

(東北石油大學 土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶 163318)

利用TU-1901/1900雙光束紫外可見分光光度計、IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀測量了含不同陽離子聚丙烯酰胺溶液的透射光譜,分析了陽離子對190～900 nm和400～4 000 cm-1波段光譜特性的影響。研究表明: Na+、K+、Mg2+、Ca2+對聚丙烯酰胺溶液光譜透射特性影響較小,隨其濃度增加而影響逐漸顯現；而Al3+和Fe3+對聚丙烯酰胺溶液紫外可見透射特性影響較大,而對紅外透射特性影響較小。

聚丙烯酰胺溶液； 透射特性； 陽離子； 紅外光譜

聚丙烯酰胺作為一種線性高分子聚合物,其分子結構內酰胺基團高極性導致其具有氫鍵和高反應活性等特點[1],在石油開采[2]、污水處理[3]、造紙[4]等領域得到廣泛應用。聚丙烯酰胺溶液光譜特性是含聚污水光學測量分析的基礎數據[5-6],但其測量過程中受溶液內的離子影響而出現偏差。因此,研究離子對含聚污水光譜特性的影響是提高其光學測量精度的關鍵。

Yuan等[7]通過分子動力學模擬和實驗探索了Na+、Mg2+、Ca2+、Cr3+、Fe3+離子對疏水改性聚丙烯酰胺(HMHPAM)性質的影響,發(fā)現多價陽離子對HMHPAM的影響與陽離子對水吸附能力無關。包木太等[8]通過實驗對部分水解聚丙烯酰胺溶液穩(wěn)定性進行了研究,發(fā)現礦化度對聚丙烯酰胺的黏度影響較大,而對其濃度影響較小?？等f利等[9]發(fā)現HPAM溶液的黏度主要取決于陽離子濃度、陽離子電荷數和離子半徑,礦化度越高冪律指數越大,稠度系數越小。Zhao等[10]基于掃描電鏡和紅外光譜分析了陽離子對聚丙烯酰胺/黃原膠(PAM / XG)溶液的流變性能影響。Jiang等[11]利用NaCl、MgCl2和CaCl2配制總濃度為30 000 mg/L的礦化水,實驗發(fā)現部分交聯聚丙烯酰胺(PCPAM)在高礦化度溶液中具有良好的膨脹性。張紅光等[12]提出了一種基于近紅外光譜分析技術和最小二乘支持向量機的鑒別方法。Adliene等[13]通過紫外可見分光光度法對聚丙烯酰胺凝膠的光學物性進行了分析。

本文在前人研究的基礎上,配置了與油田含聚污水礦化度相一致的含聚污水,利用紫外可見分光光度計、傅里葉變換紅外光譜儀測量分析了不同種類和濃度陽離子對聚丙烯酰胺溶液透射光譜的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗儀器和樣品

實驗儀器:TU-1901/1900雙光束紫外可見分光光度計；IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀；HJ-5型多功能攪拌器；電子天平(精度為0.000 1 g)；0.025 mm厚墊片；ZnSe窗片；10 mm光程石英比色皿。

實驗藥品:聚丙烯酰胺(分析純,分子量5 000 000)；NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3、FeCl3。

1.2 實驗流程

配置聚丙烯酰胺1 g/L的母液,放置12 h使其充分溶解。稀釋母液至600 mg/L,并用TU-1901/1900雙光束紫外可見分光光度計、IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀檢測其在不同波段的光譜。

每次取500 mL、600 mg/L的聚丙烯酰胺溶液進行實驗,分別在溶液中加入不同質量的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3、FeCl3,使其質量濃度分別為10、20、40、100、200、1 000 mg/L,并檢測其溶液的光譜特征變化。

2 實驗結果及分析

測得的600 mg/L的聚丙烯酰胺溶液中分別加入了NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、AlCl3和FeCl3后的紫外波段和紅外波段光譜見圖1—圖3，圖中λ為波長，ν為波數，T為透光度。

圖1 加入一價陽離子后聚丙烯酰胺溶液的透射光譜

由圖1(a)和(c)可知：加入不同質量濃度的NaCl和KCl后聚丙烯酰胺溶液的紫外光譜變化均較小,而且存在較強吸收帶為190～250 nm；在波長198～236 nm區(qū)間內含KCl質量濃度為100～1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液透光度明顯大于其質量濃度為0～40 mg/L的透光度。由圖1(b)和(d)可知：加入不同質量濃度的NaCl和KCl后其紅外透光度均大于原溶液(空白)紅外透光度，但KCl質量濃度為40 mg/L時溶液透光度小于原溶液透光度。加入不同濃度的NaCl和KCl后的聚丙烯酰胺溶液的紅外光譜中均不存在明顯的紅外波峰遷移,其中兩處較強的波峰均在1 881 cm-1和2 623 cm-1處。

上述現象可能是因為金屬離子和羧基的締合作用,使得聚合物大分子鏈收縮成線團,進而使聚丙烯酰胺的透光性增強。當繼續(xù)加入金屬離子時,金屬離子已不能進入分子線團內,而是在分子線團外圍凝結,由于線團之間的相互作用,使得彼此的分子尺寸略微變小,所以聚丙烯酰胺溶液的透光性增加緩慢至穩(wěn)定。

由圖2(a)和(c)可知，不同濃度的CaCl2和MgCl2對聚丙烯酰胺溶液紫外透光度影響較小,在波長為198～234 nm區(qū)間,含CaCl2和MgCl2質量濃度為100～1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液透光度均大于其質量濃度為0～40 mg/L溶液透光度。由圖2(b)和(d)可知:CaCl2和MgCl2對聚丙烯酰胺溶液的紅外透光度影響較小,加入CaCl2和MgCl2的聚丙烯酰胺溶液的紅外透光度均大于原溶液透光度，而且不存在明顯的紅外峰遷移,兩處較強的波峰均在1 881 cm-1和2 623 cm-1處,這可能是由于CaCl2和MgCl2與聚丙烯酰胺溶液沒有發(fā)生化學反應,即沒有新的化學鍵生成,只是將聚合物大分子進行斷鏈或使分子鏈線團收縮,因而沒有產生新的波峰和波峰遷移。

圖2 加入二價陽離子后聚丙烯酰胺溶液的透射光譜

由圖3(a)和(c)可知,加入三價陽離子對聚丙烯酰胺溶液的紫外透光度影響較大;當AlCl3質量濃度為40 mg/L時,溶液在190～500 nm范圍紫外透光度均小于80%,但其透光度的變化趨勢不變;當FeCl3質量濃度大于10 mg/L時,紫外透光度在190～500 nm范圍內明顯減小,且在190～380 nm之間透光度均小于80%。上述現象可能是由于加入AlCl3和FeCl3后,Al3+和Fe3+的水解產物與聚丙烯酰胺發(fā)生絮凝作用,使得溶液中生成白色小顆粒絮狀沉淀,隨著離子濃度的增大,絮狀物逐漸增多,此現象對聚丙烯酰胺溶液光譜特性測量造成了一定的影響。由圖3(b)和(d)可知,加入AlCl3和FeCl3后聚丙烯酰胺溶液的紅外透光度有所增大,但變化幅度較小。

3 結論

(1) Na+、K+、Mg2+、Ca2+對聚丙烯酰胺溶液光譜透射特性影響較小,隨其濃度增加而影響逐漸顯現；而Al3+和Fe3+的水解產物與聚丙烯酰胺發(fā)生絮凝作用,使得溶液中生成白色小顆粒絮狀沉淀,進而對聚丙烯酰胺溶液紫外可見透射特性影響較大,但對紅外透射特性影響較小。

圖3 加入三價陽離子后聚丙烯酰胺溶液的透射光譜

(2) 加入Na+、K+、Ca2+和Mg2+后的聚丙烯酰胺溶液的紫外較強吸收帶在190～250 nm之間；由于這些離子與聚丙烯酰胺沒有發(fā)生化學反應而產生新的官能團,所以不存在明顯的紅外峰遷移,其中兩處較強的波峰均在1 881 cm-1、2 623 cm-1處。

References)

[1] 朱陽陽,金二鎖,宋君龍,等. 兩性聚丙烯酰胺的性質、合成與應用研究進展[J]. 化工進展,2015,34(3):758-766,789.

[2] Gong H J, Xu G Y, Zhu Y Y, et al. Influencing Factors on the Properties of Complex Systems Consisting of Hydrolyzed Polyacrylamide/Triton X-100/Cetyl Trimethylammonium Bromide: Viscosity and Dynamic Interfacial Tension Studies [J]. Energy Fuels,2009,23(1):300-305.

[3] Cao J, Tan Y B, Che Y J, et al. Novel complex gel beads composed of hydrolyzed polyacrylamide and chitosan: An effective adsorbent for the removal of heavy metal from aqueous solution[J]. Bioresour Technol, 2010, 101:2558-2561.

[4] Cai W S, Anderson E C, Gupta R B. Separation of Lignin from Aqueous Mixtures by Ionic and Nonionic Temperature-Sensitive Hydrogels [J]. Ind Eng Chem Res, 2001,40(10):2283-2288.

[5] 茍紹華,蔡瀟瀟,葉仲斌,等. 聚驅采油廢水中聚丙烯酰胺的高效液相色譜測定法[J]. 應用化工,2014,43(4):746-748.

[6] 關丹,婁清香,陳素萍,等. 液相色譜法測試HPAM濃度的影響因素分析[J]. 油田化學,2013,30(4):605-608.

[7] Yuan R, Li Y, Li C X,et al. Study about how the metal cationic ions affect the properties of partially hydrolyzed hydrophobically modified polyacrylamide (HMHPAM) in aqueous solution[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,2013,434:16-24.

[8] 包木太,周營營,陳慶國. 部分水解聚丙烯酰胺溶液穩(wěn)定性的影響因素[J]. 化工進展,2011(增刊1):230-234.

[9] 康萬利,孟令偉,牛井崗,等. 礦化度影響HPAM溶液黏度機理[J]. 高分子材料科學與工程,2006,22(5):175-177,181.

[10] Zhao D J, Liu H N, Guo W, et al. Effect of inorganic cations on the rheological properties of polyacrylamide/xanthan gum solution [J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016,31:283-292.

[11] Jiang Z M, Huang G S. Flow Mechanism of Partially Cross-Linked Polyacrylamide in Porous Media [J]. Journal of Dispersion Science and Technology,2014,35(9):1270-1277.

[12] 張紅光,楊秦敏,盧建剛. 基于近紅外光譜和最小二乘支持向量機的聚丙烯酰胺類型鑒別[J]. 光譜學與光譜分析,2014,34(4):972-976.

[13] Adliene D, Jakstas K, Vaiciunaite N J. Application of optical method for dose evaluation in normoxic polyacrylamide gels irradiated at two different geometries[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2014,741:88-94.

Study on experiment of spectrum characteristics of wastewater containing polymer influenced by cations

Qi Hanbing, Zhang Xiaoxue, Li Dong,Li Shuting,Yang Lu

(School of Architecture and Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The transmitted spectrum of polyacrylamide solution with different kinds of cations is measured by a TU-1901/1900 double-beam UV-Vis spectrophotometer and an IRPrestige-21 FT-IR spectrometer, and the spectrum characteristics in the wavelength 190-900 nm and 400-4 000 cm-1are investigated. The results show that Na+, K+, Mg2+, and Ca2+have little effect on the transmission characteristic of polyacrylamide solution, but the effect appears gradually with the increase of cations’ concentration. However, Al3+and Fe3+have great impact on the ultraviolet visible transmission characteristic of polyacrylamide solution, but they have little effect on the infrared transmission characteristic of polyacrylamide solution.

polyacrylamide solution; transmitted characteristics; cations; infrared spectrum

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.012

2016-05-30 修改日期：2016-06-28

國家自然科學基金項目(51274071)；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項目(2015D-5006-0605)

齊晗兵(1975—)，男，黑龍江齊齊哈爾，博士，教授，主要從事埋地管道泄漏檢測、油田污水光學檢測及三元廢水處理等方向的研究

E-mail：qihanbing@sina.com

李棟(1979—)，男，山東濰坊，博士，教授，主要從事地下輸油管道泄漏過程多相流動及熱質耦合傳遞特性研究和油氣管道泄漏污染物光譜特征研究.

E-mail：lidonglvyan@126.com

X832;O657.33

B

1002-4956(2016)11-0045-04