孫鼎承，李志勵(lì)

（東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）通過(guò)改善采油驅(qū)替液的流度比，提高驅(qū)替效率和波及體積，從而提高采收率，是目前我國(guó)三次采油技術(shù)中普遍使用的一種驅(qū)油劑。但是使用該技術(shù)所產(chǎn)生的含聚污水粘度大、水中油滴及固體懸浮物乳化穩(wěn)定性強(qiáng)，導(dǎo)致采出污水處理困難[1]。此外，PAM本身對(duì)化學(xué)需氧量（COD）有所貢獻(xiàn)，可能會(huì)發(fā)生解聚而釋放丙烯酰胺（AM），如直接排放，將在環(huán)境中逐漸累積，危害環(huán)境。含聚污水的處理技術(shù)多集中在高效絮凝劑的開(kāi)發(fā)以及電滲析、超聲波等技術(shù)的應(yīng)用方面[2]。Fenton試劑是一種常見(jiàn)高級(jí)氧化技術(shù)，可使廢水中的有機(jī)物發(fā)生部分氧化、偶合或聚合，有效改善難降解有機(jī)物的可生化性、溶解性及混凝沉淀性[3]，在染料、制藥、農(nóng)藥等領(lǐng)域的廢水處理方面得到逐步應(yīng)用[4,5]。在油田廢水處理方面則處于初期研究階段[6]，僅用于難降解的有機(jī)工業(yè)廢水，生物處理的預(yù)處理或后處理，較適合油田鉆井廢水中有機(jī)物COD的降低和富含表面活性劑的三元復(fù)合驅(qū)采出水的處理?；贔enton試劑法具有處理效率高、適用范圍廣、操作方便、藥劑來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，可有效氧化降解有機(jī)物，本文采用Fenton試劑高級(jí)氧化技術(shù)進(jìn)行含聚污水處理的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

722型可分光光度計(jì)（上海光譜儀器有限公司）；PHS-25型pH計(jì)（上海盛磁儀器有限公司）；AL104型電子天平（上海梅特勒托利多儀器有限公司）。

部分水解聚丙烯酰胺（HPAM，MW≈1200萬(wàn)，水解度 35%）（大慶煉化公司）；FeSO4，H2O2，可溶性淀粉，碘化鎘，醋酸鈉，HAc，Al2（SO4）3，NaOH，HCl，甲酸鈉，飽和Br2，分析純，均為市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

1.2.1 Fenton試劑與有機(jī)物反應(yīng)機(jī)理 Fenton試劑由Fe2+和H2O2組成（pH值為2～5），F(xiàn)e2+會(huì)催化分解H2O2使其產(chǎn)生·OH。產(chǎn)生的·OH與大多數(shù)有機(jī)物無(wú)選擇性的反應(yīng)，反應(yīng)速率極快，而且可以將有機(jī)物質(zhì)徹底氧化，生成無(wú)機(jī)物質(zhì)。反應(yīng)機(jī)理如下[3]：

1.2.2 HPAM含量測(cè)定方法及原理（淀粉-碘化鎘分光光度法） 測(cè)定方法參照文獻(xiàn)進(jìn)行[7]，反應(yīng)原理見(jiàn)下述反應(yīng)式，HPAM與Br2反應(yīng)生成溴代酰胺，過(guò)量的溴用還原劑甲酸鈉除去，溴代酰胺在pH值為5.0的酸性條件下與淀粉-碘化鎘反應(yīng)生成藍(lán)色三碘-淀粉絡(luò)合物，在580nm處測(cè)其吸光度，吸光度與HPAM質(zhì)量濃度成正比。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液及指示劑的配制

NaAc緩沖液：將25g水合醋酸鈉溶解在800mL蒸餾水中，加入0.50g水合硫酸鋁，用HAc調(diào)節(jié)pH值為5.0，稀釋至1000mL。

淀粉-碘化鎘試劑：準(zhǔn)確稱取11g碘化鎘溶于400mL蒸餾水中，加熱煮沸10min，稀釋至約800mL，再加入2.5g可溶性淀粉，溶解后用濾紙過(guò)濾，稀釋至1000mL。

1%甲酸鈉溶液：稱取10g甲酸鈉固體溶于990g蒸餾水中。

HPAM溶液（200mg·L-1）：準(zhǔn)確稱取的0.20g HPAM固體，在強(qiáng)力攪拌下緩慢加入裝有約400mL蒸餾水的大燒杯中，攪拌40min。全部溶脹后轉(zhuǎn)移至1000mL的容量瓶，定容。

1.3.2 HPAM標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 HPAM的降解效果采用酰胺基的去除表示，酰胺基的測(cè)定采用淀粉-碘化鎘分光光度法。HPAM標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：配制500mg·L-1的HPAM標(biāo)準(zhǔn)溶液，用蒸餾水稀釋成質(zhì)量濃度分別為 5，10，15，20，25，30，35，40，45，50mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別取其溶液2mL，采用淀粉-碘化鎘分光光度法測(cè)定HPAM濃度，繪制HPAM標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 聚丙烯酰胺濃度與吸光度的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of the concentration of HPAM and absorbance

由圖1所示HPAM濃度及其相應(yīng)的吸光度可得HPAM標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：

式中 A：吸光度；C：HPAM質(zhì)量濃度，mg·L-1。

1.3.3 HPAM的氧化降解 配制質(zhì)量濃度為200mg·L-1的HPAM溶液，用量筒取100mL置于250mL錐形瓶中，然后用HCl或NaOH調(diào)節(jié)至所需pH值，加入FeSO4·7H2O和H2O2到所需濃度，放入恒溫水浴中在攪拌狀態(tài)下反應(yīng)一定時(shí)間。靜置60min后，取上清液采用淀粉-碘化鎘法測(cè)定HPAM的殘余吸光度。根據(jù)所測(cè)吸光度計(jì)算出對(duì)應(yīng)降解率。

式中 η：濃度降解率，%；C0：處理前水樣HPAM濃度，mg·L-1；Ct：處理后水樣 HPAM濃度，mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 pH值的影響 在35℃，F(xiàn)eSO4和H2O2濃度分別為200和1.0mL·L-1，反應(yīng)時(shí)間15min時(shí)，考察pH值對(duì)HPAM降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 pH值對(duì)HPAM降解率的影響Fig.2 Effect of pH on HPAM degradation rate

由圖2可以看出，在酸性條件下的HPAM降解率明顯高于中性和堿性條件，當(dāng)pH值約為3.5時(shí)降解率達(dá)82.27%，當(dāng)pH值小于3.5時(shí)，降解率有明顯的下降。原因在于Fenton試劑在pH值為2～5易于生成·OH，pH值小于 3.5時(shí)，生成絡(luò)離子[Fe（H2O）6]2+，不利于·OH生成。此外，強(qiáng)酸性條件下H2O2會(huì)生成穩(wěn)定的[H3O2]+離子，因其具有親電性，導(dǎo)致與Fe2+的反應(yīng)性下降，不利于形成·OH。

2.1.2 H2O2濃度的影響 在 35℃，pH值為 3.5，F(xiàn)eSO4投加量為200mg·L-1，反應(yīng)時(shí)間15min時(shí)，考察H2O2濃度對(duì)HPAM降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 H2O2濃度對(duì)HPAM降解率的影響Fig.3 Effect of H2O2 concentration on HPAM degradation rate

由圖3可以看出，隨著H2O2用量的增大，降解率先增加后減小，當(dāng)濃度為0.7mL·L-1左右時(shí)，HPAM降解率能達(dá)到86.83%。原因在于隨著H2O2濃度增大，F(xiàn)e2+與H2O2氧化生成的·OH增加，但過(guò)多·OH會(huì)導(dǎo)致Fe2+氧化，消耗了一部分Fe2+。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間的影響 在35℃，溶液pH值3.5，F(xiàn)eSO4和H2O2濃度分別為200和0.7mL·L-1條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)HPAM降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)HPAM降解率的影響Fig.4 Effectof reaction time on HPAM degradation rate

由圖4可見(jiàn)，降解率隨反應(yīng)時(shí)間的增加迅速達(dá)到84.97%以上，15min后反應(yīng)基本達(dá)到平衡，降解率穩(wěn)定在83%～85%。說(shuō)明Fenton試劑的生成迅速，可迅速氧化分解HPAM，使其濃度降低明顯。

2.1.4 催化劑Fe2+濃度的影響 在35℃，溶液pH值3.5，H2O2濃度為0.7mL·L-1的條件下，反應(yīng)15min，考察Fe2+濃度對(duì)HPAM降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 Fe2+濃度對(duì)HPAM降解率的影響Fig.5 Effectof Fe2+concentration on HPAM degradation rate

由圖5可以看出，隨著Fe2+濃度的不斷增加，HPAM的降解率增大，當(dāng)Fe2+濃度到500mg·L-1左右時(shí)降解率達(dá)到最大，最高降解率達(dá)到85.93%；隨著Fe2+濃度的進(jìn)一步增加，HPAM的降解率不再繼續(xù)增加反之逐漸降低，因此我們可以確定較好的Fe2+濃度為 500mg·L-1。

2.1.5 反應(yīng)溫度的影響 在pH值為3.5、FeSO4和H2O2濃度分別為500和0.7ml·L-1、反應(yīng)時(shí)間15min的條件下，考察了反應(yīng)溫度對(duì)HPAM降解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)處理效果的影響Fig.6 Effectof reaction temperature on HPAM degradation rate

由圖6可見(jiàn)，HPAM的降解率隨溫度的升高先增加后降低，在反應(yīng)溫度40℃左右時(shí)降解效果最好，最高降解率可達(dá)到88.76%。這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度的升高不僅加快了主反應(yīng)的速率，同時(shí)也使反應(yīng)體系的副反應(yīng)速率加快，而且高溫會(huì)使H2O2分解，導(dǎo)致降解效果下降。

2.2 正交試驗(yàn)確定Fenton試劑氧化處理HPAM的最佳條件

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以Fenton試劑氧化處理后HPAM的降解率考核指標(biāo)，設(shè)計(jì)了固定反應(yīng)時(shí)間15min，以H2O2濃度、Fe2+濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間為變量的四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)。正交因素和水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，并得出極差計(jì)算結(jié)果和正交實(shí)驗(yàn)效應(yīng)曲線圖7。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiment

圖7 正交實(shí)驗(yàn)效應(yīng)曲線圖Fig.7 Experimental effect curves of orthogonal experiment

由圖7可以看出，各因素對(duì)HPAM降解率的影響程度依次為H2O2濃度＞Fe2+濃度＞反應(yīng)溫度＞初始pH值。Fenton試劑氧化處理HPAM污水的最佳處理?xiàng)l件為 H2O2投加量為 1.0ml·L-1、FeSO4投加量為500mg·L-1、初始pH值為3.5、反應(yīng)溫度40℃，降解率達(dá)91.45%。

3 結(jié)論

Fenton試劑能夠有效處理含聚丙烯酰胺污水，各因素對(duì)含聚污水的影響程度依次為H2O2濃度＞Fe2+濃度＞反應(yīng)溫度＞初始pH。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)處理操作條件進(jìn)行了優(yōu)化，確定Fenton法處理含聚污水的最佳操作條件為：pH值為3.5，[H2O2]=1.0mL·L-1，[Fe2+]=500mg·L-1，40℃時(shí)反應(yīng) 15min，該條件下HPAM降解率可達(dá)91.45%。

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