聚丙烯酰胺降解研究

宮麗斌

(西山煤電(集團)有限責任公司職業病防治所，山西 太原 030053)

引 言

在我國，油田的開采過程中已經普遍采用聚丙烯酰胺驅油技術，聚丙烯酰胺提高原油采收率的同時也使采出污水黏度及乳化程度升高，如何降解聚丙烯酰胺成為近些年化工領域的一項重要課題[1-3]。本文從化學降解角度入手，分別對氧化降解與光催化降解進行實驗研究，增加聚丙烯酰胺降解率，并對其機理進行分析。

1 樣品制備及藥劑準備

本文所使用的實驗藥劑主要為聚丙烯酰胺(PAM)、Fenton法所用藥劑以及光催化劑，如表1所示。

表1 實驗藥劑表

2 實驗部分

本文主要通過化學方法對聚丙烯酰胺進行降解研究，其中包括氧化降解與光催化降解。在氧化降解實驗中使用Fenton法對聚丙烯酰胺進行降解，實驗過程中分別考慮溫度、FeSO4·7H2O投放量和H2O2(30%)投放量3個因素對降解結果的影響，得出最佳降解結果的實驗條件。在光催化降解實驗中，實驗過程分別考慮不同催化劑以及不同光源對聚丙烯酰胺降解結果的影響，得出最佳降解結果的實驗條件。本文在氧化降解實驗過程中，根據文獻，最佳反應pH值定為3.0；聚丙烯酰胺初始質量濃度定為300 mg·L-1。在光催化降解實驗過程中，聚丙烯酰胺初始質量濃度定為200 mg·L-1。恒溫水浴鍋型號為TY10WB-10，磁力攪拌器型號為德國IKA C-MAGMS10。

PAM含量檢測方法為：利用淀粉-三碘化物分光光度法分析體系的PAM含量[4-6]。

2.1 氧化降解實驗(Fenton法)

2.1.1 實驗條件

本文在實驗Fenton法對聚丙烯酰胺降解過程時，FeSO4·7H2O投放量分別為100、200、400、500、600 mg·L-1，H2O2(30%)的投放量分別為45、90、180 mg·L-1。

2.1.2 分步實驗

2.1.2.1 溫度變化對聚丙烯酰胺降解影響實驗

1) 實驗方法

取聚丙烯酰胺溶液100 mL，加入FeSO4·7H2O藥劑400 mg·L-1，加入H2O2(30%)藥劑90 mg·L-1，攪拌均勻，調節pH值為4，放入恒溫水浴鍋，設定溫度分別為30、40、50、60 ℃，反應15 min后取樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺的殘存率。

2) 實驗結果及分析

根據對不同溫度下反應后聚丙烯酰胺殘存率的分析，總結降解率與溫度的關系，如表2。

表2 溫度對實驗結果的影響

根據表2所示，PAM的降解率隨著溫度的升高同時也在升高，但超過50 ℃后，降解率反而下降，因此，反應的最佳溫度為50 ℃。原因可能是，適當的溫度會激活反應過程中的自由基，但溫度過高時，會使得H2O2進行分解，反而影響到反應。

2.1.2.2 FeSO4·7H2O投放量變化對聚丙烯酰胺降解影響實驗

1) 實驗方法

取聚丙烯酰胺溶液100 mL，加入FeSO4·7H2O藥劑量分別為100、200、400、500、600 mg·L-1，加入H2O2(30%)藥劑90 mg·L-1，攪拌均勻，調節pH值為3.0，放入恒溫水浴鍋，設定溫度為50 ℃，反應15 min后取樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺的殘存率。

2) 實驗結果及分析

根據對不同FeSO4·7H2O投放量的聚丙烯酰胺殘存率分析，總結出降解率與FeSO4·7H2O投放量變化關系，如表3。

表3 FeSO4·7H2O投放量對實驗結果的影響

根據表3所示，當FeSO4·7H2O投放量為500 mg·L-1時，PAM的降解率最大。溶液體系中FeSO4·7H2O投放量表示Fe2+的投入量，Fe2+與H2O2反應，在溶液體系中生成大量的OH-，同時，Fe2+被氧化成Fe3+，大量的OH-可以和有機物快速反應，使聚丙烯酰胺迅速降解；而Fe3+與H2O2反應生成O2H和Fe2+，O2H可以繼續氧化聚丙烯酰胺。

2.1.2.3 H2O2(30%)投放量對聚丙烯酰胺降解影響實驗

1) 實驗方法

取聚丙烯酰胺溶液100 mL，加入FeSO4·7H2O藥劑量為500 mg·L-1，加入H2O2(30%)藥劑量分別為45、90、180 mg·L-1，攪拌均勻，調節pH值為3.0，放入恒溫水浴鍋，設定溫度分別為50 ℃，反應15 min后取樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺的殘存率。

2) 實驗結果及分析

根據對不同H2O2(30%)的投放量的聚丙烯酰胺殘存率分析，總結出降解率與H2O2(30%)投放量變化關系，如表4。

表4 H2O2(30%)投放量變化對實驗結果的影響

根據表4所示，H2O2(30%)投放量對PAM的降解并沒有特別大的影響。降解率微小變化的原因可能是,OH-與H2O2發生反應，或者是2個OH-結合形成H2O2。這2個反應都會使溶液體系中OH-減少，使得降解反應相對減少，聚丙烯酰胺降解率微小降低。

2.1.3 總體實驗結果分析

根據表2～表4可以得出聚丙烯酰胺最佳的氧化降解反應條件為，溫度50 ℃、pH=3.0、FeSO4·7H2O投放量500 mg·L-1及H2O2(30%)投放量90 mg·L-1。Fenton試劑氧化降解聚丙烯酰胺發生的主要反應是聚丙烯酰胺斷鏈，變成更小的聚丙烯酰胺分子，最后降解生成無機物。

2.2 光催化降解實驗

2.2.1 實驗條件

本文在光催化聚丙烯酰胺降解過程中，選用催化劑分別為Fe2O3和TiO2；選用光源的種類分別為紫外燈、白熾燈和高功率紫外燈。

2.2.2 分步實驗

2.2.2.1 不同催化劑對聚丙烯酰胺降解實驗影響

1) 實驗方法

取聚丙烯酰胺溶液300 mL，加入催化劑分別為Fe2O3和TiO2，加入催化劑的質量分數為1%；選用紫外光照射，恒溫水浴溫度設定為25 ℃；在反應過程中，間隔10 min取一次樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺殘存率。

2) 實驗結果及分析

根據分析使用不同催化劑時反應過程中聚丙烯酰胺殘存率，得出催化劑種類對PAM降解的影響，如圖1。

圖1 不同催化劑對降解影響圖

2.2.2.2 光源的種類對聚丙烯酰胺降解實驗影響

1) 實驗方法

取聚丙烯酰胺溶液300 mL，加入質量分數為1%的催化劑TiO2。分別選用紫外燈、白熾燈、高功率紫外燈照射，同時再進行一組沒有燈光照射的對比實驗。恒溫水浴溫度設定為25 ℃。在反應過程中，間隔10 min取一次樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺殘存率。

2) 實驗結果及分析

根據分析使用不同光源時，反應過程中聚丙烯酰胺殘存率，得出光源種類對PAM降解影響，如圖2。

圖2 不同光源對降解率的影響

根據圖2所示，在無光源和白熾燈照射下聚丙烯酰胺幾乎不降解，其中，PAM含量減少是因為催化劑對PAM有一定的吸附作用，并沒有發生降解反應。對比白熾燈和紫外燈照射情況可以得出，PAM光催化降解所需的光源為紫外光線和近紫外光線。對比紫外燈和高功率紫外燈情況可以得出，光的強度越大對降解反應越有利。

3 結論

1) 在聚丙烯酰胺氧化降解實驗中，最佳的氧化降解反應條件為：溫度50 ℃、pH=3.0、FeSO4·7H2O投放量500 mg·L-1、H2O2(30%)投放量90 mg·L-1。

2) 在聚丙烯酰胺光催化降解實驗中，最佳光催化降解反應條件為，催化劑選用TiO2，光源選用高功率紫外燈。

3) 采用Fenton法、光催化法對聚丙烯酰胺進行降解在技術上是可行的。本文對聚合物采油污水的處理提供理論依據。