綠色氧化劑處理壓裂返排液及其作用機理

摘""""""要："針對油田開發中壓裂返排液的復雜性和處理難題，通過次氯酸鹽氧化法制備了高效、綠色的Na₂FeO₄氧化劑，探究其在處理壓裂返排液中典型污染物瓜膠的最優作用條件并對其進行了應用效果評價。通過氧化降解瓜膠的反應分析，揭示了Na₂FeO₄氧化瓜膠的機理，其條件參數和作用機理對今后的油田開發過程中壓裂返排液的綠色高效處理具有重要指導意義。

關""鍵""詞：Na₂FeO₄； 瓜膠； 氧化降解； 返排液

中圖分類號：TQ03；X703""""文獻標志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2025）03-0418-04

在油田開發中，產生的高懸浮物、高COD和高鹽度廢水含有瓜膠、聚丙烯酰胺等復雜成分，處理成本高且難度大^[1-3]。以過氧化氫、氯氣等為代表的化學氧化法雖能有效分解污染物，但受限于氧化劑成本、穩定性和潛在的二次污染問題^[4-6]，限制了其廣泛應用。

高鐵酸鈉是一種新型的綠色水處理劑，具有顯著的氧化性和無害性^[7-9]。高鐵酸鈉在水處理方面具有卓越的氧化性能、高效的絮凝性能以及應用范圍廣泛等明顯優勢，使得高鐵酸鈉成為當前水處理技術中的重要研究對象和應用產品^[10-12]。

因此，本研究采用綠色高效的Na₂FeO₄作為氧化劑，優化其在油田壓裂工藝中的最佳使用條件并探究其作用機制。找到既經濟又適合區域特性的最佳配方，以期為實際操作提供科學支撐。

1 "綠色氧化劑概述

1.1 "高鐵酸鈉的性質

高鐵酸鈉是一種暗紫色固體粉末，晶相為正交的β-Na₂FeO₄體系。其四價鐵在晶格中呈扭轉的四面體結構，4個氧原子分布在4個角上，電極電勢較高，是一種氧化能力很強的材料^[13]。在水處理中，釋放大量的氧原子，使有機物水解生成小分子物質從而降解污染物，同時自身被還原成功能性無機絮凝劑Fe（OH）₃，高效去除水中的微細懸浮物^[14]。

1.2 "高鐵酸鈉的制備

通過逐步氧化還原法合成高純度Na₂FeO₄。首先，在酸性環境中利用K₂MnO₄與鹽酸反應生成氯氣，隨后將氯氣通入堿性環境形成NaClO/NaCl混合物。之后，在溫和條件下將NaClO與硫酸亞鐵反應，過濾得到Na₂FeO₄前體。進一步通過溶解、冷卻結晶、多次重結晶以及溶劑洗滌等步驟，精制Na₂FeO₄晶體。最終，在高溫真空條件下干燥，實現高純度Na₂FeO₄的制備。

2 "高鐵酸鈉處理壓裂返排液

2.1 "返排液特征

壓裂返排液的主要物質組成有瓜膠、十二烷基苯磺酸鹽、聚丙烯酰胺等，其中瓜膠濃度高達0.2%～0.6%，遠超其他組分。壓裂操作后，液體中殘留大量復雜有機物，尤其是難以降解的瓜膠，造成高COD值和破乳困難等，增加了環保與經濟負擔。因此，尋求有效的處理技術以減輕這些污染物對生態環境和經濟的影響至關重要。

2.2 "影響因素分析

主要考察3種主要因素：溫度、pH、Na₂FeO₄添加量對瓜膠氧化性能的影響。

2.2.1 "Na₂FeO₄在不同溫度下對瓜膠氧化的影響

不同溫度下Na₂FeO₄對瓜膠氧化性能影響較大，如圖1所示。

由圖1可知，在20～30"℃時，氧化速率增大，有利于Na₂FeO₄對瓜膠的氧化。超過30"℃基本達到平衡，考慮經濟問題，選擇30"℃為最優溫度。

2.2.2""Na₂FeO₄在不同pH對瓜膠氧化的影響

不同pH對高鐵酸鹽的存在形態影響較大，導致對瓜膠氧化性能影響較大，如圖2所示。

由圖2可知，在強堿環境下，Na₂FeO₄能有效催化瓜膠的氧化分解。隨pH增加，COD、TOC的去除效率均顯著提高，具有良好的降解性能。但在pH為13.0時，瓜膠的黏度增大。綜合來看，pH為12.0時Na₂FeO₄氧化瓜膠效果最佳。

2.2.3 "不同濃度的Na₂FeO₄對瓜膠的氧化影響

不同濃度的Na₂FeO₄對瓜膠的氧化影響如圖3所示。

由圖3可知，Na₂FeO₄含量為0.5 g·L^-1的情況下，其黏度基本達到最小，COD和TOC去除率較高。此時，黏度從最初的1.40"mPa·s降低至1.15"mPa·s，COD與TOC去除率也均保持在60%左右。

2.3 "應用效果評價

以上分析可得當T為30 ℃、pH為12.0、c（Na₂FeO₄）為0.5 g·L^-1時為高鐵酸鈉作用的最佳條件。在此基礎上采用相同方法考察瓜膠起始濃度和氧化助劑添加量對瓜膠溶液的黏度變化、COD去除率及TOC去除率的效果評價。

2.3.1 "Na₂FeO₄對不同瓜膠濃度的氧化影響

評估初始瓜膠濃度對Na₂FeO₄氧化效能的影響，探索其在油田壓裂作業中的應用潛力。Na₂FeO₄對不同濃度瓜膠的效果影響如圖4所示。

由圖4可知，瓜膠含量從0.1 g·L^-1增加至0.5 g·L^-1時，黏度隨瓜膠質量分數的升高而增大，且瓜膠質量分數越大黏度增長速度越快，COD、TOC總去除率逐漸下降。

2.3.2 "不同種類促進劑對氧化性能影響

不同種類促進劑對氧化性能影響如圖5所示。

由圖5可知，相較于MgCl₂、AlCl₃、NaCl等促進劑，KCl促進劑在降低黏度和去除COD、TOC方面效果尤其顯著，黏度降低至最低1.03 mPa·s，COD、TOC去除率分別為62%、69%。

3 "高鐵酸鈉作用機理分析

3.1 "Na₂FeO₄氧化降解瓜膠反應分析

3.1.1 "氧化前后瓜膠紅外官能團分析

用Na₂FeO₄氧化劑處理前和處理后瓜膠的紅外測試結果，如表1所示。

由表1可以看出，氧化后瓜膠的紅外光譜中某些特征峰減弱或消失，如2 931 cm^-1的-C-H伸縮振動峰和1 570/1 418 cm^-1的C=O伸縮振動峰，反映了可能有新物質的生成。500～700 cm^-1和1 638 cm^-1區域的穩定性表明瓜膠的六元環結構可能保持不變，這表明Na₂FeO₄引起的氧化過程可能導致瓜膠大分子斷裂成小片段。

3.1.2 "氧化瓜膠主要產物的分析與識別

以Na₂FeO₄為氧化劑，對瓜膠溶液進行氧化降解，用GC-MS進行檢測相對較小分子量的碎片產物，結果如圖6和表2所示。

由圖6和表2可得，在Na₂FeO₄作用下，瓜膠在反應過程中會生成一些小分子的有機物，如醇、酮和碳氫化合物，如果繼續氧化，可能會產生CO₂。但是，在堿性條件下，它的主要形態是CO₃^2-。據此推測，Na₂FeO₄對瓜膠進行氧化分解時，主鏈糖環上的碳-碳鍵被破壞，形成較多分子量小的結構碎片。

4 "結 論

1）次氯酸鹽氧化法制備了綠色、高效的Na₂FeO₄氧化劑，探討了影響氧化降解瓜膠的因素，評估其使用效果并分析了作用機理，確定T為30 ℃、pH為12.0、c（Na₂FeO₄）為0.5 g·L^-1時為最佳條件參數。

2）加入KCl促進劑可大幅提高去除效率，溶液黏度由1.40 mPa·s降至1.03 mPa·s，COD、TOC去除率分別為62%、69%，Na₂FeO₄在低濃度污染物中處理效果更優秀。

3）半乳糖和甘露糖與-CH₂中的-C-H伸縮振動峰氧化后波數未檢測到，作用機理是分子結構中相應化學鍵斷裂，將瓜膠中結構復雜的大分子氧化為小分子量碎片，為現場應用Na₂FeO₄處理壓裂返排液提供關鍵條件參數和一定理論依據。

參考文獻：

[1]"王雪梅，"熊穎，"陳鵬飛，"等."過一硫酸鹽/高鐵酸鹽體系處理頁巖氣壓裂返排液實驗研究[J]."水處理技術，"2024，"50（5）： 35-40.

[2]"郭欣悅，"侯儒，"王延鋒."低壓氣井無傷害壓裂液返排技術在延安氣田的研究與應用[J]."化學工程與裝備，"2024（2）："37-40.

[3]"鄭帥，"孫鑫格，"謝亮，"等."油田壓裂返排液的電化學處理[J]."環境工程學報，"2023，"17（11）："3543-3553.

[4]"于世虎，"常超，"陳星宇."蘇里格氣田壓裂返排液差異化處理及回用技術[J]."工業水處理，"2023，"43（11）："195-200.

[5]"李偉，"胡小園，"夏林，"等."樹脂去除壓裂返排液中殘余硼的實驗研究[J]."油氣田地面工程，"2023，"42（11）："1-6.

[6]"云箭，"張華，"馬信緣，"等."深部煤層氣井胍膠返排液回用處理技術優化及應用[J]."石油學報，"2023，"44（11）："1959-1973.

[7]"李婧瑤，"李偉鵬，"姜舒怡，"等."用于壓裂返排液超支化交聯劑的合成及其性能評價[J]."應用化工，"2023，"52（11）："3095-3100.

[8]"張嵐欣，"李紹俊，"陶威，"等."水熱氧化法處理壓裂返排液反滲透濃水的實驗研究[J]."化學與生物工程，"2023，"40（10）："54-58.

[9]"黃崇輝，"余志成，"李巍然，"等."耐高溫耐剪切壓裂返排液的制備與性能評價[J]."油氣田地面工程，"2023，"42（9）："29-35.

[10]"任小舟，"李佳."壓裂返排液環保處理技術研究[J]."能源化工，"2022，"43（5）："69-72.

[11]"張鋒，"馬堯，"楊宸睿，"等."國內外油田壓裂返排液處理技術研究進展[J]."油氣田地面工程，"2022，"41（9）："61-65.

[12]"楊杰，"李靜，"林冬，"等."壓裂返排液高效回用處理技術研究與應用[J]."工業水處理，"2022，"42（9）："175-184.

[13]"李彬."蘇里格氣田壓裂返排液回用技術研究與應用[J]."鉆井液與完井液，"2022，"39（1）："121-125.

[14]"荊江錄，nbsp;屈剛，"魏慧蕊，"等."蘇里格氣田壓裂返排液重復利用技術[J]."新疆石油天然氣，"2021，"17（4）："36-40.

Green oxidant Treatment of Fracturing Flowback Fluid and Its

Mechanism of Action

LUO Meiying， CAI Lu， YAN Zhaojin，"WANG Ting， XU Dingda

（School of Chemistry and Chemical Engineering， Neijiang Normal University， Neijiang Sichuan 641100， China）

Abstract："In view of the complexity and treatment problems of fracturing flowback fluid in oilfield development， a high-efficiency and green Na₂FeO₄"oxidant was prepared by hypochlorite oxidation method， and the optimal conditions for the treatment of melon gum， a typical pollutant in fracturing flowback fluid， were explored and its application effect was evaluated. Through the oxidative degradation of guar gum， the mechanism of"Na₂FeO₄"oxidation of guar gum is revealed， and its conditional parameters and mechanism of action have important guiding significance for the green and efficient treatment of fracturing flowback fluid in the future oilfield development process.

Key words："Na₂FeO₄; Guar gum; Oxidative degradation; Flowback solution