新型聚丙烯酰胺型凈水劑合成條件優化

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、膠質或懸浮顆粒產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化

2.1 水溶液聚合反應條件優化

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，發生爆聚，合成產品的水溶性差。

為了提高反應速度，并控制反應不發生爆聚，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。合成的產品外觀為透明膠態固體，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下，粘度上升緩慢，最終粘度低，升高溫度時得不到膠態固體；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，得不到膠態固體；若縮短低溫反應時間，升高溫度時容易發生爆聚；生成膠態固體后，延長反應時間對聚合產品沒有明顯的影響。

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，合成聚合物由膠態固體逐漸變為粘稠液體，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定；以硫酸銨為鹽溶液時，聚合物乳液流動性好且穩定，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，不同質量濃度的硫酸銨溶液使聚合物乳液的性狀和穩定性發生較大的變化。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；當質量濃度大于等于35%時，乳狀液流動性和穩定性都達到要求。因此，綜合考慮，采用硫酸銨溶液質量濃度為35%。

3)不同引發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，研究了不同質量濃度的引發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，當引發劑濃度為大于等于0.14‰時，聚合反應進行可順利進行，且穩定性好。因此，綜合考慮，采用的引發劑濃度為0.14‰。

表5 不同濃度引發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，采用質量濃度為35%硫酸銨溶液作為鹽析劑，在引發劑濃度為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，達到現場要求。