新型聚丙烯酰胺型凈水劑合成條件優(yōu)化

閆方平

(承德石油高等專科學校 石油工程系，河北 承德 067000)

絮凝沉淀法是目前國內(nèi)外普遍采用的水處理方法之一, 其原理是利用凈水劑使溶液中的溶質(zhì)、膠質(zhì)或懸浮顆粒產(chǎn)生絮狀沉淀而使污水達到凈化的方法[1]。凈水劑從化學組成可分為無機、有機和無機-有機復合凈水劑三大類[2]。

目前，國內(nèi)外使用較多的無機凈水劑主要有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合硫酸鋁鐵、聚硅酸鹽等，這類無機凈水劑因為價格低，凈水效果好受到普遍歡迎，但是均存在用量大、產(chǎn)生污泥量大、用量低時凈水效果不佳等問題，因此油田普遍采用的凈水劑均為有機陽離子凈水劑，目前主要有陽離子型聚丙烯酰胺和分子量較低的陽離子聚合物[3,4]。

聚丙烯酰胺是最早開發(fā)出來的有機高分子絮凝劑，具有分子量大，分子中陽離子密度較高，能夠較好的吸附污水中帶負電荷的機械雜質(zhì)和原油液滴，同時能起到破乳、絮凝和架橋卷掃作用，凈水速度快，處理溫度低等優(yōu)點[5]。

1 凈水劑的合成

聚丙烯酰胺型凈水劑主要合成原料為丙烯酰胺，含不飽和鍵的陽離子單體參與共聚。聚合反應因反應介質(zhì)的不同分為水溶液聚合、反向乳液聚合和水包水乳液聚合。

1.1 水溶液聚合

將一定量的丙烯酰胺和陽離子單體溶解在150 mL的蒸餾水中，轉入三口燒瓶，將三口燒瓶置于水浴中，啟動攪拌，通氮除氧30 min，加入引發(fā)劑，控制溫度逐漸上升，完成聚合反應。

1.2 水包水乳液聚合

稱取一定量的氯化鈉溶于75 g水中，逐個加入一定量的各種單體至完全溶解，加入分散劑攪拌均勻。將配制好的溶液置于250 mL的三口燒瓶中，開啟攪拌，逐漸升溫至預訂溫度恒溫，加入一定量的硫酸鹽至溶解，再加入一定量的引發(fā)劑，控制溫度完成聚合反應。

2 聚丙烯酰胺型凈水劑的合成條件優(yōu)化

2.1 水溶液聚合反應條件優(yōu)化

1)溫度對聚合反應的影響

在確定合成時的單體及其配比及通氮氣除氧的條件下，對反應溫度的影響進行了研究，實驗結果如表1所示。

表1 反應溫度對合成產(chǎn)品的影響

從表1中可以看出，在溫度較低的情況下，聚合反應速度慢，反應無法完成；在溫度較高時，聚合速度快，反應體系溫度失控，發(fā)生爆聚，合成產(chǎn)品的水溶性差。

為了提高反應速度，并控制反應不發(fā)生爆聚，采用了程序升溫的方法。先控制反應體系在5～15 ℃之間反應1～3 h，然后逐漸升溫至80 ℃，并在80 ℃的情況下保溫2 h。合成的產(chǎn)品外觀為透明膠態(tài)固體，水溶性良好，無團塊。

2)氮氣對聚合反應的影響

在程序升溫條件下，研究了通氮除氧和不除氧對反應的影響。不除氧時，反應體系在低溫狀態(tài)下，粘度上升緩慢，最終粘度低，升高溫度時得不到膠態(tài)固體；因此，為了獲得較好的效果，聚合反應時必須通氮除氧。

3)反應時間對聚合反應的影響

在通氮除氧和程序升溫條件下，研究了反應時間對聚合產(chǎn)品的影響。研究結果表明，若延長低溫反應時間，在升高溫度時，得不到膠態(tài)固體；若縮短低溫反應時間，升高溫度時容易發(fā)生爆聚；生成膠態(tài)固體后，延長反應時間對聚合產(chǎn)品沒有明顯的影響。

4)反應單體配比對聚合反應的影響

在上述條件下，實驗研究了反應單體的配比對聚合反應的影響，實驗結果如表2所示。

從表2中可以看出，在增加陽離子單體的情況下，合成聚合物由膠態(tài)固體逐漸變?yōu)檎吵硪后w，原因可能是由于陽離子單體的增加，使合成聚合物的分子量減小所致，隨著陽離子單體的增加，除油率逐漸升高，但是仍沒有達到污水處理的除油率要求。

表2 不同單體配比聚合物的外觀和凈水性能

2.2 水包水乳液形成條件優(yōu)化

1)不同鹽溶液對乳液形成的影響

不同的鹽溶液對聚合物的析出作用不同，對是否形成乳液和形成乳液的穩(wěn)定性有較大的影響。在其他條件不變的情況下，實驗研究了硫酸鈉、硫酸銨、氯化鈉對聚合物乳液形成的影響，實驗結果如表3所示。

表3 不同鹽溶液對聚合物乳液形成的影響

從表3中可以看出，以硫酸鈉和氯化鈉作為鹽溶液時，形成的乳液流動性差且不穩(wěn)定；以硫酸銨為鹽溶液時，聚合物乳液流動性好且穩(wěn)定，因此選擇硫酸銨作為鹽析劑。

2)不同濃度的硫酸銨對乳液形成的影響

在其他條件不變的情況下，實驗研究了質(zhì)量濃度分別為15%、20%、25%、30%、35%、40%的硫酸銨溶液對聚合物乳液形成的影響，實驗結果如表4所示。

表4 不同濃度的硫酸銨溶液對聚合物乳液形成的影響

從表4中可以看出，不同質(zhì)量濃度的硫酸銨溶液使聚合物乳液的性狀和穩(wěn)定性發(fā)生較大的變化。濃度在15%～20%時，形成的乳狀液較粘稠，效果不好；濃度在25%～30%時，形成的乳狀液流動性較好，放置15天不分層；當質(zhì)量濃度大于等于35%時，乳狀液流動性和穩(wěn)定性都達到要求。因此，綜合考慮，采用硫酸銨溶液質(zhì)量濃度為35%。

3)不同引發(fā)劑濃度對聚合物乳液形成的影響

在其他條件不變的情況下，研究了不同質(zhì)量濃度的引發(fā)劑對聚合物乳液形成的影響，實驗結果如表5所示。

從表5中可以看出，當引發(fā)劑濃度為大于等于0.14‰時，聚合反應進行可順利進行，且穩(wěn)定性好。因此，綜合考慮，采用的引發(fā)劑濃度為0.14‰。

表5 不同濃度引發(fā)劑對聚合物乳液形成的影響

4)單體配比對聚合物乳液性能的影響

單體的用量和配比直接影響聚合物的分子量和陽離子度。固定丙烯酰胺的用量，改變陽離子單體(甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC))的量得到一系列的聚合物乳液，實驗結果如表6所示。

表6 陽離子單體量對聚合物乳液性能的影響

從表6中可以看出，當陽離子單體含量由1∶10增加到1∶8時，隨陽離子含量增加，聚合物乳液的凈水能力逐漸增強；當陽離子的含量增加到1∶7后，乳液難以合成，其凈水能力也隨之失去。因此，綜合考慮，丙烯酰胺與陽離子單體的摩爾比為9∶1。

3 結論

1)室內(nèi)合成了水溶液聚合和水包水乳液聚合兩種聚丙烯酰胺型凈水劑，并對兩種凈水劑的合成條件進行優(yōu)化。2)對水溶液聚合反應條件研究表明，采用程序升溫的方法，在通氮除氧、不同反應時間和不同反應單體配比的條件下，合成的凈水劑沒有達到污水處理的除油率要求。3)對水包水乳液形成條件的研究表明，采用質(zhì)量濃度為35%硫酸銨溶液作為鹽析劑，在引發(fā)劑濃度為0.14‰，丙烯酰胺與陽離子單體的摩爾比為9:1的條件下，合成的凈水劑效果好，達到現(xiàn)場要求。