閆方平

(承德石油高等?？茖W(xué)校 石油工程系，河北 承德 067000)

絮凝沉淀法是目前國(guó)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(dá)到凈化的方法[1]。凈水劑從化學(xué)組成可分為無機(jī)、有機(jī)和無機(jī)-有機(jī)復(fù)合凈水劑三大類[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外使用較多的無機(jī)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(jī)凈水劑因?yàn)閮r(jià)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(shí)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(jī)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(jī)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(fù)電荷的機(jī)械雜質(zhì)和原油液滴，同時(shí)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(diǎn)[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(yīng)因反應(yīng)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(zhuǎn)入三口燒瓶，將三口燒瓶置于水浴中，啟動(dòng)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(yīng)。

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(gè)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(yù)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(yīng)。

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(yīng)條件優(yōu)化

1)溫度對(duì)聚合反應(yīng)的影響

在確定合成時(shí)的單體及其配比及通氮?dú)獬醯臈l件下，對(duì)反應(yīng)溫度的影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 反應(yīng)溫度對(duì)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(yīng)速度慢，反應(yīng)無法完成；在溫度較高時(shí)，聚合速度快，反應(yīng)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(yīng)速度，并控制反應(yīng)不發(fā)生爆聚，采用了程序升溫的方法。先控制反應(yīng)體系在5～15 ℃之間反應(yīng)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(tuán)塊。

2)氮?dú)鈱?duì)聚合反應(yīng)的影響

在程序升溫條件下，研究了通氮除氧和不除氧對(duì)反應(yīng)的影響。不除氧時(shí)，反應(yīng)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(shí)得不到膠態(tài)固體；因此，為了獲得較好的效果，聚合反應(yīng)時(shí)必須通氮除氧。

3)反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚合反應(yīng)的影響

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

4)反應(yīng)單體配比對(duì)聚合反應(yīng)的影響

在上述條件下，實(shí)驗(yàn)研究了反應(yīng)單體的配比對(duì)聚合反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)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(duì)乳液形成的影響

不同的鹽溶液對(duì)聚合物的析出作用不同，對(duì)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(shí)驗(yàn)研究了硫酸鈉、硫酸銨、氯化鈉對(duì)聚合物乳液形成的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同鹽溶液對(duì)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(shí)，形成的乳液流動(dòng)性差且不穩(wěn)定；以硫酸銨為鹽溶液時(shí)，聚合物乳液流動(dòng)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(duì)乳液形成的影響

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

表4 不同濃度的硫酸銨溶液對(duì)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(shí)，形成的乳狀液較粘稠，效果不好；濃度在25%～30%時(shí)，形成的乳狀液流動(dòng)性較好，放置15天不分層；當(dāng)質(zhì)量濃度大于等于35%時(shí)，乳狀液流動(dòng)性和穩(wěn)定性都達(dá)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(duì)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(duì)聚合物乳液形成的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，當(dāng)引發(fā)劑濃度為大于等于0.14‰時(shí)，聚合反應(yīng)進(jìn)行可順利進(jìn)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(duì)聚合物乳液形成的影響

4)單體配比對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 陽離子單體量對(duì)聚合物乳液性能的影響

從表6中可以看出，當(dāng)陽離子單體含量由1∶10增加到1∶8時(shí)，隨陽離子含量增加，聚合物乳液的凈水能力逐漸增強(qiáng)；當(dāng)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(jié)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(duì)兩種凈水劑的合成條件進(jìn)行優(yōu)化。2)對(duì)水溶液聚合反應(yīng)條件研究表明，采用程序升溫的方法，在通氮除氧、不同反應(yīng)時(shí)間和不同反應(yīng)單體配比的條件下，合成的凈水劑沒有達(dá)到污水處理的除油率要求。3)對(duì)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(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求。