含聚污水中阳离子对其光谱特性影响实验研究

齐晗兵, 张晓雪, 李 栋, 李舒婷, 杨 露

(东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163318)



含聚污水中阳离子对其光谱特性影响实验研究

齐晗兵, 张晓雪, 李 栋, 李舒婷, 杨 露

(东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163318)

利用TU-1901/1900双光束紫外可见分光光度计、IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪测量了含不同阳离子聚丙烯酰胺溶液的透射光谱,分析了阳离子对190～900 nm和400～4 000 cm-1波段光谱特性的影响。研究表明: Na+、K+、Mg2+、Ca2+对聚丙烯酰胺溶液光谱透射特性影响较小,随其浓度增加而影响逐渐显现；而Al3+和Fe3+对聚丙烯酰胺溶液紫外可见透射特性影响较大,而对红外透射特性影响较小。

聚丙烯酰胺溶液； 透射特性； 阳离子； 红外光谱

聚丙烯酰胺作为一种线性高分子聚合物,其分子结构内酰胺基团高极性导致其具有氢键和高反应活性等特点[1],在石油开采[2]、污水处理[3]、造纸[4]等领域得到广泛应用。聚丙烯酰胺溶液光谱特性是含聚污水光学测量分析的基础数据[5-6],但其测量过程中受溶液内的离子影响而出现偏差。因此,研究离子对含聚污水光谱特性的影响是提高其光学测量精度的关键。

Yuan等[7]通过分子动力学模拟和实验探索了Na+、Mg2+、Ca2+、Cr3+、Fe3+离子对疏水改性聚丙烯酰胺(HMHPAM)性质的影响,发现多价阳离子对HMHPAM的影响与阳离子对水吸附能力无关。包木太等[8]通过实验对部分水解聚丙烯酰胺溶液稳定性进行了研究,发现矿化度对聚丙烯酰胺的黏度影响较大,而对其浓度影响较小。康万利等[9]发现HPAM溶液的黏度主要取决于阳离子浓度、阳离子电荷数和离子半径,矿化度越高幂律指数越大,稠度系数越小。Zhao等[10]基于扫描电镜和红外光谱分析了阳离子对聚丙烯酰胺/黄原胶(PAM / XG)溶液的流变性能影响。Jiang等[11]利用NaCl、MgCl2和CaCl2配制总浓度为30 000 mg/L的矿化水,实验发现部分交联聚丙烯酰胺(PCPAM)在高矿化度溶液中具有良好的膨胀性。张红光等[12]提出了一种基于近红外光谱分析技术和最小二乘支持向量机的鉴别方法。Adliene等[13]通过紫外可见分光光度法对聚丙烯酰胺凝胶的光学物性进行了分析。

本文在前人研究的基础上,配置了与油田含聚污水矿化度相一致的含聚污水,利用紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪测量分析了不同种类和浓度阳离子对聚丙烯酰胺溶液透射光谱的影响。

1 实验方法

1.1 实验仪器和样品

实验仪器:TU-1901/1900双光束紫外可见分光光度计；IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪；HJ-5型多功能搅拌器；电子天平(精度为0.000 1 g)；0.025 mm厚垫片；ZnSe窗片；10 mm光程石英比色皿。

实验药品:聚丙烯酰胺(分析纯,分子量5 000 000)；NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3、FeCl3。

1.2 实验流程

配置聚丙烯酰胺1 g/L的母液,放置12 h使其充分溶解。稀释母液至600 mg/L,并用TU-1901/1900双光束紫外可见分光光度计、IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪检测其在不同波段的光谱。

每次取500 mL、600 mg/L的聚丙烯酰胺溶液进行实验,分别在溶液中加入不同质量的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3、FeCl3,使其质量浓度分别为10、20、40、100、200、1 000 mg/L,并检测其溶液的光谱特征变化。

2 实验结果及分析

测得的600 mg/L的聚丙烯酰胺溶液中分别加入了NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、AlCl3和FeCl3后的紫外波段和红外波段光谱见图1—图3，图中λ为波长，ν为波数，T为透光度。

图1 加入一价阳离子后聚丙烯酰胺溶液的透射光谱

由图1(a)和(c)可知：加入不同质量浓度的NaCl和KCl后聚丙烯酰胺溶液的紫外光谱变化均较小,而且存在较强吸收带为190～250 nm；在波长198～236 nm区间内含KCl质量浓度为100～1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液透光度明显大于其质量浓度为0～40 mg/L的透光度。由图1(b)和(d)可知：加入不同质量浓度的NaCl和KCl后其红外透光度均大于原溶液(空白)红外透光度，但KCl质量浓度为40 mg/L时溶液透光度小于原溶液透光度。加入不同浓度的NaCl和KCl后的聚丙烯酰胺溶液的红外光谱中均不存在明显的红外波峰迁移,其中两处较强的波峰均在1 881 cm-1和2 623 cm-1处。

上述现象可能是因为金属离子和羧基的缔合作用,使得聚合物大分子链收缩成线团,进而使聚丙烯酰胺的透光性增强。当继续加入金属离子时,金属离子已不能进入分子线团内,而是在分子线团外围凝结,由于线团之间的相互作用,使得彼此的分子尺寸略微变小,所以聚丙烯酰胺溶液的透光性增加缓慢至稳定。

由图2(a)和(c)可知，不同浓度的CaCl2和MgCl2对聚丙烯酰胺溶液紫外透光度影响较小,在波长为198～234 nm区间,含CaCl2和MgCl2质量浓度为100～1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液透光度均大于其质量浓度为0～40 mg/L溶液透光度。由图2(b)和(d)可知:CaCl2和MgCl2对聚丙烯酰胺溶液的红外透光度影响较小,加入CaCl2和MgCl2的聚丙烯酰胺溶液的红外透光度均大于原溶液透光度，而且不存在明显的红外峰迁移,两处较强的波峰均在1 881 cm-1和2 623 cm-1处,这可能是由于CaCl2和MgCl2与聚丙烯酰胺溶液没有发生化学反应,即没有新的化学键生成,只是将聚合物大分子进行断链或使分子链线团收缩,因而没有产生新的波峰和波峰迁移。

图2 加入二价阳离子后聚丙烯酰胺溶液的透射光谱

由图3(a)和(c)可知,加入三价阳离子对聚丙烯酰胺溶液的紫外透光度影响较大;当AlCl3质量浓度为40 mg/L时,溶液在190～500 nm范围紫外透光度均小于80%,但其透光度的变化趋势不变;当FeCl3质量浓度大于10 mg/L时,紫外透光度在190～500 nm范围内明显减小,且在190～380 nm之间透光度均小于80%。上述现象可能是由于加入AlCl3和FeCl3后,Al3+和Fe3+的水解产物与聚丙烯酰胺发生絮凝作用,使得溶液中生成白色小颗粒絮状沉淀,随着离子浓度的增大,絮状物逐渐增多,此现象对聚丙烯酰胺溶液光谱特性测量造成了一定的影响。由图3(b)和(d)可知,加入AlCl3和FeCl3后聚丙烯酰胺溶液的红外透光度有所增大,但变化幅度较小。

3 结论

(1) Na+、K+、Mg2+、Ca2+对聚丙烯酰胺溶液光谱透射特性影响较小,随其浓度增加而影响逐渐显现；而Al3+和Fe3+的水解产物与聚丙烯酰胺发生絮凝作用,使得溶液中生成白色小颗粒絮状沉淀,进而对聚丙烯酰胺溶液紫外可见透射特性影响较大,但对红外透射特性影响较小。

图3 加入三价阳离子后聚丙烯酰胺溶液的透射光谱

(2) 加入Na+、K+、Ca2+和Mg2+后的聚丙烯酰胺溶液的紫外较强吸收带在190～250 nm之间；由于这些离子与聚丙烯酰胺没有发生化学反应而产生新的官能团,所以不存在明显的红外峰迁移,其中两处较强的波峰均在1 881 cm-1、2 623 cm-1处。

References)

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[6] 关丹,娄清香,陈素萍,等. 液相色谱法测试HPAM浓度的影响因素分析[J]. 油田化学,2013,30(4):605-608.

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[8] 包木太,周营营,陈庆国. 部分水解聚丙烯酰胺溶液稳定性的影响因素[J]. 化工进展,2011(增刊1):230-234.

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[12] 张红光,杨秦敏,卢建刚. 基于近红外光谱和最小二乘支持向量机的聚丙烯酰胺类型鉴别[J]. 光谱学与光谱分析,2014,34(4):972-976.

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Study on experiment of spectrum characteristics of wastewater containing polymer influenced by cations

Qi Hanbing, Zhang Xiaoxue, Li Dong,Li Shuting,Yang Lu

(School of Architecture and Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The transmitted spectrum of polyacrylamide solution with different kinds of cations is measured by a TU-1901/1900 double-beam UV-Vis spectrophotometer and an IRPrestige-21 FT-IR spectrometer, and the spectrum characteristics in the wavelength 190-900 nm and 400-4 000 cm-1are investigated. The results show that Na+, K+, Mg2+, and Ca2+have little effect on the transmission characteristic of polyacrylamide solution, but the effect appears gradually with the increase of cations’ concentration. However, Al3+and Fe3+have great impact on the ultraviolet visible transmission characteristic of polyacrylamide solution, but they have little effect on the infrared transmission characteristic of polyacrylamide solution.

polyacrylamide solution; transmitted characteristics; cations; infrared spectrum

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.012

2016-05-30 修改日期：2016-06-28

国家自然科学基金项目(51274071)；中国石油科技创新基金研究项目(2015D-5006-0605)

齐晗兵(1975—)，男，黑龙江齐齐哈尔，博士，教授，主要从事埋地管道泄漏检测、油田污水光学检测及三元废水处理等方向的研究

E-mail：qihanbing@sina.com

李栋(1979—)，男，山东潍坊，博士，教授，主要从事地下输油管道泄漏过程多相流动及热质耦合传递特性研究和油气管道泄漏污染物光谱特征研究.

E-mail：lidonglvyan@126.com

X832;O657.33

B

1002-4956(2016)11-0045-04