吳魯寧 王春磊 中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 蘭州石化公司化工研究院

新型納米水處理劑的性能

吳魯寧1王春磊21中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 2蘭州石化公司化工研究院

利用表面包覆技術(shù)，在合成納米四氧化鐵的過(guò)程中，加入N代酰胺—胺樹(shù)狀大分子，合成一種新型納米水處理劑，經(jīng)表征證明產(chǎn)物是目標(biāo)合成物。研究表明：在加劑量為70 mg/L時(shí)，納米水處理劑除油率95.4%、除懸浮物率59.6%，除油性能遠(yuǎn)優(yōu)于N代聚酰胺—胺樹(shù)狀大分子除油率（86.2%）和懸浮物去除率（45.2%）。與現(xiàn)場(chǎng)使用的藥劑ROHM AND HAAS進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在加劑量70 mg/L的情況下，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)使用的進(jìn)口藥劑ROHM AND HAAS的除油率（88.1%）和懸浮物去除率（54.2%）。

納米水處理劑；PAMAM樹(shù)狀大分子；表面包覆；合成；除油性能

利用表面包覆技術(shù)，用整代數(shù)PAMAM樹(shù)狀大分子包覆納米四氧化三鐵顆粒合成一種新型納米水處理劑，并優(yōu)化了聚酰胺—胺樹(shù)狀大分子和新型納米水處理劑的合成條件，研究了兩者除油性能及最佳使用量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

FeCl2·6H2O，AR；FeCl2·4H2O，AR；氨水，AR；氮?dú)猓?9.5%；乙二胺，AR；丙烯酸甲酯，AR；甲醇，AR。

RE—52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮）；VECTOR22型傅立葉紅外光譜儀（美國(guó)）；JEOL 2100型透射電鏡（日本）；VIS—721型可見(jiàn)光分光光度計(jì)（上海第三分析儀器廠）；玻璃儀器若干。

1.2 水處理劑合成實(shí)驗(yàn)

（1）N代PAMAM樹(shù)狀大分子的合成。將固定摩爾比的乙二胺和甲醇的混合溶液加入三口燒瓶中，緩慢滴加丙烯酸甲酯，在一定溫度下快速攪拌，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓提純，即得到0.5代PAMAM樹(shù)狀大分子。用甲醇溶解0.5代PAMAM樹(shù)狀大分子，加入固定比例的乙二胺，在一定溫度下快速攪拌，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓提純，得到1.0代PAMAM樹(shù)狀大分子。按固定比例重復(fù)以上兩步反應(yīng)，可以依次得到高代數(shù)的N代PAMAM樹(shù)狀大分子（N為整數(shù)）。

（2）新型納米水處理劑的合成。相同濃度的FeCl3和FeCl2溶液按摩爾比為1.8∶1分別加入三口燒瓶，按二價(jià)鐵離子、三價(jià)鐵離子和氫氧根離子的摩爾比為1∶1.8∶8的比例緩慢滴加氨水，反應(yīng)溫度控制在50℃，氮?dú)獗Ｗo(hù)下快速攪拌。至有黑色沉淀產(chǎn)生，然后按一定比例加入自制的N代PAMAM樹(shù)狀大分子，同時(shí)暫停滴加氨水，繼續(xù)攪拌，最后滴加完剩余的氨水。

2 結(jié)果與討論

2.1N代PAMAM樹(shù)狀大分子的合成優(yōu)化

（1）原料的摩爾比對(duì)N代PAMAM樹(shù)狀大分子產(chǎn)率的影響。在反應(yīng)溫度30℃，反應(yīng)時(shí)間18 h，溶劑甲醇量20%的反應(yīng)條件下，原料的摩爾比對(duì)合成N代PAMAM樹(shù)狀大分子產(chǎn)率的影響見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，N代PAMAM樹(shù)狀大分子產(chǎn)率隨著原料摩爾比的增大不斷增加，隨后產(chǎn)率保持穩(wěn)定。當(dāng)原料的摩爾比為1∶10時(shí)產(chǎn)率達(dá)到99%，選擇最佳原料摩爾比為1∶10。

圖1 n(半代)/n(乙二胺)對(duì)合成N代PAMAM產(chǎn)率的影響

（2）溶劑甲醇量對(duì)合成N代PAMAM樹(shù)狀大分子產(chǎn)率的影響。從反應(yīng)溫度30℃，反應(yīng)時(shí)間18h，原料摩爾比為1∶10的反應(yīng)條件下，溶劑甲醇的量對(duì)合成N代PAMAM樹(shù)狀大分子產(chǎn)率的影響曲線可以看出，N代PAMAM樹(shù)狀大分子產(chǎn)率隨溶劑甲醇量增加到25%時(shí)產(chǎn)率達(dá)到最大值99.6%，隨后產(chǎn)率呈下降趨勢(shì)，因此選擇甲醇的量為25%。

2.2 新型納米水處理劑的合成優(yōu)化

（1）N代PAMAM樹(shù)狀大分子加量對(duì)合成的新型納米水處理劑的性能影響。從不同的N代PAMAM樹(shù)狀大分子加量所合成的6種新型納米水處理劑，在反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度50℃、加劑量為100 mg/L的條件下處理勝利油田孤島污水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，5#N—PAMAM樹(shù)狀大分子投加量合成的新型納米水處理劑對(duì)孤島污水有較好的除油效果，在加劑量100 mg/L的情況下，除油率達(dá)97.8%，懸浮物去除率達(dá)67.8%。

（2）反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成的新型納米水處理劑的性能影響。不同的反應(yīng)時(shí)間，5#N—PAMAM樹(shù)狀大分子投加量合成的新型納米水處理劑在反應(yīng)溫度50℃、加劑量為100 mg/L的條件下處理勝利油田孤島污水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以看出，反應(yīng)時(shí)間40 min時(shí)合成的新型納米水處理劑除油率可以達(dá)到96.2%，懸浮物去除率為70.7%，繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間，合成的新型納米水處理劑除油效果增加不明顯。究其原因，N代PAMAM樹(shù)狀大分子在納米四氧化三鐵顆粒表面形成有效包覆需要一定的時(shí)間，克服顆粒表面的吸附層的表面張力，取代這些吸附層進(jìn)而結(jié)合牢固，當(dāng)形成有效的包覆后，樹(shù)狀大分子之間產(chǎn)生排斥，無(wú)法繼續(xù)包覆。

表1 不同反應(yīng)時(shí)間合成的水處理劑性能影響

（3）反應(yīng)溫度對(duì)合成的新型納米水處理劑的性能影響。從不同的反應(yīng)溫度，5#N—PAMAM樹(shù)狀大分子投加量合成的新型納米水處理劑在反應(yīng)時(shí)間40 min、加劑量為100 mg/L的條件下處理勝利油田孤島污水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)可以看出，新型納米水處理劑除油性能隨著合成反應(yīng)溫度的升高先升高后略有降低，反應(yīng)溫度70℃時(shí)除油率97.0%，懸浮物去除率71.3%，均為最佳。此時(shí)PAMAM樹(shù)狀大分子在納米四氧化三鐵顆粒表面達(dá)到吸附平衡，水處理劑有較強(qiáng)的吸附破乳性能，能夠有效地聚結(jié)油滴，迅速除油。

（4）新型納米水處理劑與N代PAMAM樹(shù)狀大分子性能比較及最佳用量研究。取12支具塞量筒分為兩組，分別倒入100 mL孤島污水（含油量1 373.5 mg/L、懸浮物含量147 mg/L），放入恒溫水浴中加熱至50℃，30 min后分別加入相同加劑量的N代PAMAM樹(shù)狀大分子和新型納米水處理劑，比較兩者處理孤島污水的除油性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，新型納米水處理劑的除油性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于N代PAMAM樹(shù)狀大分子，新型納米水處理劑在加劑量大于70 mg/L時(shí)除油率保持穩(wěn)定，懸浮物去除率也達(dá)到最佳，除油率可達(dá)95.4%，懸浮物去除率59.6%；而N代PAMAM樹(shù)狀大分子加劑量在70 mg/L時(shí)除油率86.2%，懸浮物去除率45.2%。

（5）新型納米水處理劑與現(xiàn)場(chǎng)使用藥劑性能對(duì)比。在加劑量為70 mg/L下，進(jìn)行了與現(xiàn)場(chǎng)使用的進(jìn)口藥劑ROHM AND HAAS性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，在加劑量70 mg/L的情況下，納米水處理劑的除油率可達(dá)96.2%，懸浮物去除率61.8%；而現(xiàn)場(chǎng)使用藥劑ROHM AND HAAS的除油率只有88.1%，懸浮物去除率54.2%。

3 結(jié)論

（1）利用表面包覆技術(shù)，在合成納米四氧化鐵的過(guò)程中，加入N代酰胺—胺樹(shù)狀大分子，合成一種新型納米水處理劑，經(jīng)表征證明產(chǎn)物是目標(biāo)合成物。

（2）優(yōu)化了N代PAMAM樹(shù)狀大分子的合成條件：反應(yīng)溫度30℃，反應(yīng)時(shí)間18 h，原料摩爾比為1∶10，溶劑甲醇的量為25%。5#N—PAMAM樹(shù)狀大分子加量、反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度50℃所合成的新型納米水處理劑除油性能最佳。

（3）研究了N代PAMAM樹(shù)狀大分子和新型納米水處理劑的除油和除懸浮物性能。研究表明：在弧島油田污水含油量1373mg/L、懸浮物含量147mg/L的情況下，加劑量為70 mg/L時(shí)，納米水處理劑除油率95.4%、除懸浮物率59.6%，除油性能遠(yuǎn)優(yōu)于N代聚酰胺—胺樹(shù)狀大分子除油率（86.2%）和懸浮物去除率（45.2%）。與現(xiàn)場(chǎng)使用的藥劑ROHM AND HAAS進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在孤島油田污水含油量1 257 mg/L、懸浮物含量131 mg/L的情況下，加劑量70 mg/L時(shí)，納米水處理劑的除油率可達(dá)96.2%，懸浮物去除率61.8%，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)使用的進(jìn)口藥劑ROHM AND HAAS的除油率（88.1%）和懸浮物去除率（54.2%）。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.013