新型納米水處理劑的性能

吳魯寧 王春磊 中國石化石油工程設計有限公司 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中國石化石油工程設計有限公司 2蘭州石化公司化工研究院

利用表面包覆技術，在合成納米四氧化鐵的過程中，加入N代酰胺—胺樹狀大分子，合成一種新型納米水處理劑，經表征證明產物是目標合成物。研究表明：在加劑量為70 mg/L時，納米水處理劑除油率95.4%、除懸浮物率59.6%，除油性能遠優于N代聚酰胺—胺樹狀大分子除油率（86.2%）和懸浮物去除率（45.2%）。與現場使用的藥劑ROHM AND HAAS進行對比，結果發現：在加劑量70 mg/L的情況下，性能遠遠優于現場使用的進口藥劑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樹狀大分子；表面包覆；合成；除油性能

利用表面包覆技術，用整代數PAMAM樹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，并優化了聚酰胺—胺樹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 實驗

1.1 實驗試劑及儀器

FeCl2·6H2O，AR；FeCl2·4H2O，AR；氨水，AR；氮氣，99.5%；乙二胺，AR；丙烯酸甲酯，AR；甲醇，AR。

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

1.2 水處理劑合成實驗

（1）N代PAMAM樹狀大分子的合成。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，用旋轉蒸發儀減壓提純，即得到0.5代PAMAM樹狀大分子。用甲醇溶解0.5代PAMAM樹狀大分子，加入固定比例的乙二胺，在一定溫度下快速攪拌，旋轉蒸發儀減壓提純，得到1.0代PAMAM樹狀大分子。按固定比例重復以上兩步反應，可以依次得到高代數的N代PAMAM樹狀大分子（N為整數）。

（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，按二價鐵離子、三價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，反應溫度控制在50℃，氮氣保護下快速攪拌。至有黑色沉淀產生，然后按一定比例加入自制的N代PAMAM樹狀大分子，同時暫停滴加氨水，繼續攪拌，最后滴加完剩余的氨水。

2 結果與討論

2.1N代PAMAM樹狀大分子的合成優化

（1）原料的摩爾比對N代PAMAM樹狀大分子產率的影響。在反應溫度30℃，反應時間18 h，溶劑甲醇量20%的反應條件下，原料的摩爾比對合成N代PAMAM樹狀大分子產率的影響見圖1。從圖1中可以看出，N代PAMAM樹狀大分子產率隨著原料摩爾比的增大不斷增加，隨后產率保持穩定。當原料的摩爾比為1∶10時產率達到99%，選擇最佳原料摩爾比為1∶10。

圖1 n(半代)/n(乙二胺)對合成N代PAMAM產率的影響

（2）溶劑甲醇量對合成N代PAMAM樹狀大分子產率的影響。從反應溫度30℃，反應時間18h，原料摩爾比為1∶10的反應條件下，溶劑甲醇的量對合成N代PAMAM樹狀大分子產率的影響曲線可以看出，N代PAMAM樹狀大分子產率隨溶劑甲醇量增加到25%時產率達到最大值99.6%，隨后產率呈下降趨勢，因此選擇甲醇的量為25%。

2.2 新型納米水處理劑的合成優化

（1）N代PAMAM樹狀大分子加量對合成的新型納米水處理劑的性能影響。從不同的N代PAMAM樹狀大分子加量所合成的6種新型納米水處理劑，在反應時間30 min、反應溫度50℃、加劑量為100 mg/L的條件下處理勝利油田孤島污水的實驗結果可以看出，5#N—PAMAM樹狀大分子投加量合成的新型納米水處理劑對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97.8%，懸浮物去除率達67.8%。

（2）反應時間對合成的新型納米水處理劑的性能影響。不同的反應時間，5#N—PAMAM樹狀大分子投加量合成的新型納米水處理劑在反應溫度50℃、加劑量為100 mg/L的條件下處理勝利油田孤島污水的實驗結果見表1。從表1中可以看出，反應時間40 min時合成的新型納米水處理劑除油率可以達到96.2%，懸浮物去除率為70.7%，繼續增加反應時間，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間，克服顆粒表面的吸附層的表面張力，取代這些吸附層進而結合牢固，當形成有效的包覆后，樹狀大分子之間產生排斥，無法繼續包覆。

表1 不同反應時間合成的水處理劑性能影響

（3）反應溫度對合成的新型納米水處理劑的性能影響。從不同的反應溫度，5#N—PAMAM樹狀大分子投加量合成的新型納米水處理劑在反應時間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驗結果見可以看出，新型納米水處理劑除油性能隨著合成反應溫度的升高先升高后略有降低，反應溫度70℃時除油率97.0%，懸浮物去除率71.3%，均為最佳。此時PAMAM樹狀大分子在納米四氧化三鐵顆粒表面達到吸附平衡，水處理劑有較強的吸附破乳性能，能夠有效地聚結油滴，迅速除油。

（4）新型納米水處理劑與N代PAMAM樹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。從實驗結果可見，新型納米水處理劑的除油性能遠遠好于N代PAMAM樹狀大分子，新型納米水處理劑在加劑量大于70 mg/L時除油率保持穩定，懸浮物去除率也達到最佳，除油率可達95.4%，懸浮物去除率59.6%；而N代PAMAM樹狀大分子加劑量在70 mg/L時除油率86.2%，懸浮物去除率45.2%。

（5）新型納米水處理劑與現場使用藥劑性能對比。在加劑量為70 mg/L下，進行了與現場使用的進口藥劑ROHM AND HAAS性能對比實驗。從實驗結果看出，在加劑量70 mg/L的情況下，納米水處理劑的除油率可達96.2%，懸浮物去除率61.8%；而現場使用藥劑ROHM AND HAAS的除油率只有88.1%，懸浮物去除率54.2%。

3 結論

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

（2）優化了N代PAMAM樹狀大分子的合成條件：反應溫度30℃，反應時間18 h，原料摩爾比為1∶10，溶劑甲醇的量為25%。5#N—PAMAM樹狀大分子加量、反應時間30 min、反應溫度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，納米水處理劑除油率95.4%、除懸浮物率59.6%，除油性能遠優于N代聚酰胺—胺樹狀大分子除油率（86.2%）和懸浮物去除率（45.2%）。與現場使用的藥劑ROHM AND HAAS進行對比，結果發現：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，納米水處理劑的除油率可達96.2%，懸浮物去除率61.8%，性能遠遠優于現場使用的進口藥劑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