聚丙烯酰胺化學降解方法研究

王鵬 朱榮菊

摘 ?????要：隨著聚合物驅油在油田上的廣泛應用，在原油開采工程中，采出液中聚丙烯酰胺的含量不斷增加，這就使得采出液黏度以及乳化程度增大，對于石油的開采及開采設備造成影響。研究了亞鐵離子、S₂O₈^-2離子以及兩種離子的復配體系對聚丙烯酰胺的化學降解效果，通過實驗考察了實驗條件（實驗溫度、實驗時間、溶液pH值以及聚合物濃度）的變化對聚丙烯酰胺的降解效果的影響。實驗結果顯示，在溶液pH值小于5.9，實驗溫度超過40，實驗時間越長以及聚丙烯酰胺濃度超過990 ppm時，對于聚丙烯酰胺的降解程度較大。

關 ?鍵 ?詞：聚丙烯酰胺;化學降解;復配體系

中圖分類號：TQ 031???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2525-04

Study on Chemical Degradation Methods of Polyacrylamide

WANG?Peng， ZHU Rong-ju

（Xi'an Innovation Institute，Yan'an University， Shaanxi Xi'an 710000， China）

Abstract： With the wide application of polymer flooding in oilfields， the content of polyacrylamide in produced fluid is increasing in crude oil production engineering， which makes the viscosity and emulsification degree of the produced fluid increase， and affects the oil extraction and production equipments. In this paper， the chemical degradation of polyacrylamide by ferrous ion， S₂O₈^-2?ion and their combination system was studied. The effect of experimental conditions （experimental temperature， experimental time， solution pH value and polymer concentration） on the degradation of polyacrylamide was?investigated. The results showed that the degradation degree of polyacrylamide was greater when the pH value of the solution was less than 5.9， the experimental temperature was over 40 ℃， the experimental time was longer and the concentration of polyacrylamide was over 990 ppm.

Key words： Polyacrylamide; Chemical degradation; Compound system

在三次采油階段，聚合物驅在現場應用十分廣泛，因此為了提高油田采收率，聚丙烯酰胺成為了一種重要的物質^[1，2]。但是隨著聚合物的不斷注入，產生了大量的含有聚丙烯酰胺的含油污水。這既污染了水質，給人類以及生態環境帶來了破壞，又增大了采出液的黏度，影響油田實際采出程度。因此聚丙烯酰胺的化學降解是當前油田處理采出液的一種重要手段^[3，4]。在處理的過程中，這種方法可以凈化水質，改善采出液的流動狀況以及對一些聚合物堆積的地方進行解堵。本實驗考察了亞鐵離子與S₂O₈^-2離子的復配體系在一些反應條件改變的情況下^[5-8]，對聚丙烯酰胺降解效果的影響，為油田的實際生產提供理論依據。

1 ?實驗部分

1.1 ?儀器和材料

（1）儀器：電動攪拌機，旋轉黏度計，恒溫器，PHS-2型酸度計，恒溫自動干燥器，電光分析天平，紅外快速干燥器，電熱恒溫水浴鍋。

（2）材料：美國生產水解度32%，分子量為

1 000萬的部分水解聚丙烯酰胺，分析純FeSO₄·7H₂O和Na₂SO₃，分子質量分別為278.14，126.15以及分子量為228.02的（NH₄）₂S₂O₈。

1.2 ?實驗藥品配制

1.2.1 ?礦化水的制備

由于聚丙烯酰胺的分子延展性隨著溶液礦化度的改變而發生變化（當溶液礦化度增加時，聚丙烯酰胺的黏度會降低），因此為了避免礦化度不同導致的聚丙烯酰胺黏度的改變，在配置聚丙烯酰胺水溶液的時候，要使用之前配制好的礦化水。

配制方法：利用天平分別稱取Na₂SO₄?0.301 4 g，KCl 0.230 2 g，CaCl₂?0.200 9 g，MgCl₂·6H₂O 0.299 8 g，NaHCO₃?4.459 6 g。稱量完藥品之后依次倒入盛有蒸餾水的燒杯中，利用攪拌機攪拌20 min，之后加入蒸餾水稀釋至6 000 mL。

1.2.2 ?聚丙烯酰胺水溶液的制備

固體的聚丙烯酰胺在冷水中的溶解速度取決于很多因素。在制備聚丙烯酰胺水溶液時，應該邊攪拌邊將聚丙烯酰胺固體慢慢加入上述礦化水中，以免產生大顆粒聚集成沉淀，影響實驗效果。

配制方法：利用攪拌器逐漸提高轉速將稱量好的礦化水攪拌出旋渦，然后將用天平稱量好的聚丙烯酰胺沿著燒杯壁撒在旋渦邊緣，保持此轉速攪拌2 min，之后降低轉速攪拌20 min以確保聚合物能夠完全溶解。

1.2.3 ?Fe²⁺溶液的制備

（1）稱量FeSO₄·7H₂O晶體5.023 7 g。

（2）量取約20 mL礦化水倒入小燒杯中，利用PHS-2型酸度計將溶液pH值調至3左右。

（3）將（1）中稱量的FeSO₄·7H₂O晶體倒入小燒杯中，并用干凈的玻璃棒攪拌，之后將液體倒入100 mL容量瓶中。為了減少誤差，確保燒杯壁及容量瓶壁上基本沒有離子剩余，多次向小燒杯中倒入10 mL礦化水沖洗小燒杯，以及使用小部分礦化水沖洗容量瓶壁，最后使用礦化水定容至100 mL。

1.2.4 ?Fe²⁺溶液的制備

（1）稱量（NH₄）₂S₂O₈固體1.187 5 g。

（2）同Fe²⁺溶液的配制（2）（3）步。

1.3 ?方法與說明

因為部分水解聚丙烯酰胺經過化學降解后，相對分子質量減少，其黏度會降低，所以利用上述黏度計測定其黏度，再利用黏度計儀器的讀數a計算出降黏百分數。其中，該實驗中，黏度計轉子轉速為25 r/min，剪切速率為140.5 s^-1。實驗中的聚丙烯酰胺水溶液濃度為0.15%，黏度計讀數為6。

2 ?結果與討論

2.1 ?Fe²⁺溶液與S₂O₈^2-溶液單獨降解效果比較

2.1.1 ?Fe²⁺溶液單獨降解

在其他實驗條件不變（pH=7.9，反應溫度為40 ℃，反應時間為1 h）的情況下，改變亞鐵離子的濃度，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表1、圖1。

從表1以及圖1的數據可以看出，隨著亞鐵離子濃度的增加，黏度計示數不斷減小，黏度降低百分數也逐漸增大，降解效果也越好。當亞鐵離子的濃度超過25 ppm時，我們可以看到溶液黏度基本保持不變，黏度降低百分數穩定在72.8%。所以，在之后的實驗中，可以使得亞鐵離子的濃度維持在25 ppm，這時的黏度降低百分數為72%。

2.1.2 ?S₂O₈^2-溶液單獨降解

在其他實驗條件不變（pH=7.9，反應溫度為40 ℃，反應時間為1 h）的情況下，改變S₂O₈^2-離子的濃度，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表2、圖2。

從表2、圖2可以得到，溶液的黏度降低百分數先增加后降低最后保持不變。當S₂O₈^2-離子的濃度小于69.9 ppm時，隨著其濃度的增加，溶液的黏度降低百分數逐漸增大;當S₂O₈^2-離子的濃度高于69.9 ppm時，隨著其濃度的增加，溶液的黏度降低百分數略有降低之后不變。所以當S₂O₈^2-離子的濃度大約為69.9 ppm時，黏度降低百分數達到了69.9%。

從上述兩個實驗可以看出，進行單一離子降解的黏度降低百分數只能達到70%左右，因此對于我們對亞鐵離子與S₂O₈^2-離子進行復配，做出以下實驗。

2.2 ?采用Fe²⁺與S₂O₈^2-的復配體系

2.2.1??在復配體系中兩種離子單獨降解效果

（1）在亞鐵離子濃度（9.9 ppm）與其他實驗條件不變（pH=7.9，反應溫度為40 ℃，反應時間為1 d）的情況下，改變S₂O₈^2-離子的濃度，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表3。

（2）在S₂O₈^2-離子濃度（69.9 ppm）與其他實驗條件不變（pH=7.9，反應溫度為40 ℃，反應時間為1 d）的情況下，改變亞鐵離子的濃度，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表4。

由表3、表4可以看出，這兩種降解劑的降解效果都隨著濃度的增加而發生變化，其中有一個最適合降解的濃度，亞鐵離子的濃度大約為9.9 ppm，S₂O₈^2-離子的濃度大約為69.9 ppm。因此，大致可以確定亞鐵離子與S₂O₈^2-離子的復配濃度分別為9.9，69.9 ppm時，對于聚丙烯酰胺的降解最有效。

2.2.2??實驗中溶液pH值對降解的影響

在亞鐵離子與S₂O₈^2-離子濃度（9.9，69.9 ppm）與其他實驗條件不變（反應溫度為40 ℃，反應時間為1 d）的情況下，改變溶液的pH值，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表5、圖3。

根據圖3得出，聚丙烯酰胺的降解效果隨著溶液pH值的增加而逐漸減小至不變。當聚丙烯酰胺溶液pH值低于6.9時，隨著pH值的增加，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分數逐漸減小，當聚丙烯酰胺溶液pH值高于6.9時，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分數穩定于一個值85.8%。

2.2.3??實驗溫度對降解的影響

在亞鐵離子與S₂O₈^2-離子濃度（9.9，69.9 ppm）與其他實驗條件不變（pH值為4.9，反應時間為2 h）的情況下，改變實驗溫度，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表6。

根據表6可以發現，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分數隨實驗溫度的升高而變大。當溫度為94.5 ℃時，黏度降低百分數達到97.1%。而當溫度為40.5 ℃時，黏度降低百分數達到84.8%，這比亞鐵離子與S₂O₈^2-離子在40.5 ℃單獨降解時分別提高了40%，10%。這說明了，亞鐵離子與S₂O₈^2-離子復配體系不需要使用那么高的溫度。

2.2.4??實驗時間對降解的影響

在亞鐵離子與S₂O₈^2-離子濃度（9.9，69.9 ppm）與其他實驗條件不變（pH值為4.9，反應溫度為40 ℃）的情況下，改變實驗時間，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表7。

根據表7，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分數隨實驗時間的推持逐漸變大最后趨于不變。在其他條件不變只改變實驗時間的情況下，當實驗時間持續兩天時，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分數為94.5%。當實驗時間為10 min到120 min時，黏度降低百分數從82.9%增加到84.9%，這表明了亞鐵離子與S₂O₈^2-離子復配體系在實驗開始的時候降解作用就開始了。

2.2.5??聚丙烯酰胺溶液的濃度對降解的影響

在亞鐵離子與S₂O₈^2-離子濃度（9.9，69.9 ppm）與其他實驗條件不變（pH值為4.9，反應溫度為40 ℃，反應時間為1 h）的情況下，改變聚丙烯酰胺溶液的濃度，觀察聚丙烯酰胺的降解效果，如表8。

根據表8發現，在其他條件不變只改變聚丙烯酰胺溶液的濃度的情況下，黏度降低百分數對不同濃度有不同的變化，大體趨勢為先減小后增大在減小，但是都超過了89.9%，降黏效果明顯。

經過以上實驗可以得到：亞鐵離子與S₂O₈^2-離子復配體系的降黏效果比他們其中一種的單獨降黏效果要好。亞鐵離子與S₂O₈^2-離子復配體系的優點有：反應時間短，對聚丙烯酰胺的降解程度高，在周圍環境條件改變的時候對于他影響不大。

3 ?結論

研究了亞鐵離子與S₂O₈^2-離子降解聚丙烯酰胺復配體系，證實了亞鐵離子與S₂O₈^2-離子復配體系的降黏效果要比他們其中一種的單獨降黏效果還要好。該復配體系具有反應時間短，對聚丙烯酰胺的降解程度高，周圍環境條件對其影響不大的優點。當亞鐵離子的濃度為9.9 ppm，S₂O₈^2-離子的濃度為69.9 ppm，聚丙烯酰胺溶液的pH值為4.9，實驗溫度為40 ℃，實驗時間為2 d時， 聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分數達到了94.5%，這對油田的實際生產有著一定的參考價值。

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