新型聚丙烯酰胺型净水剂合成条件优化

闫方平

(承德石油高等专科学校 石油工程系，河北 承德 067000)

絮凝沉淀法是目前国内外普遍采用的水处理方法之一, 其原理是利用净水剂使溶液中的溶质、胶质或悬浮颗粒产生絮状沉淀而使污水达到净化的方法[1]。净水剂从化学组成可分为无机、有机和无机-有机复合净水剂三大类[2]。

目前，国内外使用较多的无机净水剂主要有聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁、聚硅酸盐等，这类无机净水剂因为价格低，净水效果好受到普遍欢迎，但是均存在用量大、产生污泥量大、用量低时净水效果不佳等问题，因此油田普遍采用的净水剂均为有机阳离子净水剂，目前主要有阳离子型聚丙烯酰胺和分子量较低的阳离子聚合物[3,4]。

聚丙烯酰胺是最早开发出来的有机高分子絮凝剂，具有分子量大，分子中阳离子密度较高，能够较好的吸附污水中带负电荷的机械杂质和原油液滴，同时能起到破乳、絮凝和架桥卷扫作用，净水速度快，处理温度低等优点[5]。

1 净水剂的合成

聚丙烯酰胺型净水剂主要合成原料为丙烯酰胺，含不饱和键的阳离子单体参与共聚。聚合反应因反应介质的不同分为水溶液聚合、反向乳液聚合和水包水乳液聚合。

1.1 水溶液聚合

将一定量的丙烯酰胺和阳离子单体溶解在150 mL的蒸馏水中，转入三口烧瓶，将三口烧瓶置于水浴中，启动搅拌，通氮除氧30 min，加入引发剂，控制温度逐渐上升，完成聚合反应。

1.2 水包水乳液聚合

称取一定量的氯化钠溶于75 g水中，逐个加入一定量的各种单体至完全溶解，加入分散剂搅拌均匀。将配制好的溶液置于250 mL的三口烧瓶中，开启搅拌，逐渐升温至预订温度恒温，加入一定量的硫酸盐至溶解，再加入一定量的引发剂，控制温度完成聚合反应。

2 聚丙烯酰胺型净水剂的合成条件优化

2.1 水溶液聚合反应条件优化

1)温度对聚合反应的影响

在确定合成时的单体及其配比及通氮气除氧的条件下，对反应温度的影响进行了研究，实验结果如表1所示。

表1 反应温度对合成产品的影响

从表1中可以看出，在温度较低的情况下，聚合反应速度慢，反应无法完成；在温度较高时，聚合速度快，反应体系温度失控，发生爆聚，合成产品的水溶性差。

为了提高反应速度，并控制反应不发生爆聚，采用了程序升温的方法。先控制反应体系在5～15 ℃之间反应1～3 h，然后逐渐升温至80 ℃，并在80 ℃的情况下保温2 h。合成的产品外观为透明胶态固体，水溶性良好，无团块。

2)氮气对聚合反应的影响

在程序升温条件下，研究了通氮除氧和不除氧对反应的影响。不除氧时，反应体系在低温状态下，粘度上升缓慢，最终粘度低，升高温度时得不到胶态固体；因此，为了获得较好的效果，聚合反应时必须通氮除氧。

3)反应时间对聚合反应的影响

在通氮除氧和程序升温条件下，研究了反应时间对聚合产品的影响。研究结果表明，若延长低温反应时间，在升高温度时，得不到胶态固体；若缩短低温反应时间，升高温度时容易发生爆聚；生成胶态固体后，延长反应时间对聚合产品没有明显的影响。

4)反应单体配比对聚合反应的影响

在上述条件下，实验研究了反应单体的配比对聚合反应的影响，实验结果如表2所示。

从表2中可以看出，在增加阳离子单体的情况下，合成聚合物由胶态固体逐渐变为粘稠液体，原因可能是由于阳离子单体的增加，使合成聚合物的分子量减小所致，随着阳离子单体的增加，除油率逐渐升高，但是仍没有达到污水处理的除油率要求。

表2 不同单体配比聚合物的外观和净水性能

2.2 水包水乳液形成条件优化

1)不同盐溶液对乳液形成的影响

不同的盐溶液对聚合物的析出作用不同，对是否形成乳液和形成乳液的稳定性有较大的影响。在其他条件不变的情况下，实验研究了硫酸钠、硫酸铵、氯化钠对聚合物乳液形成的影响，实验结果如表3所示。

表3 不同盐溶液对聚合物乳液形成的影响

从表3中可以看出，以硫酸钠和氯化钠作为盐溶液时，形成的乳液流动性差且不稳定；以硫酸铵为盐溶液时，聚合物乳液流动性好且稳定，因此选择硫酸铵作为盐析剂。

2)不同浓度的硫酸铵对乳液形成的影响

在其他条件不变的情况下，实验研究了质量浓度分别为15%、20%、25%、30%、35%、40%的硫酸铵溶液对聚合物乳液形成的影响，实验结果如表4所示。

表4 不同浓度的硫酸铵溶液对聚合物乳液形成的影响

从表4中可以看出，不同质量浓度的硫酸铵溶液使聚合物乳液的性状和稳定性发生较大的变化。浓度在15%～20%时，形成的乳状液较粘稠，效果不好；浓度在25%～30%时，形成的乳状液流动性较好，放置15天不分层；当质量浓度大于等于35%时，乳状液流动性和稳定性都达到要求。因此，综合考虑，采用硫酸铵溶液质量浓度为35%。

3)不同引发剂浓度对聚合物乳液形成的影响

在其他条件不变的情况下，研究了不同质量浓度的引发剂对聚合物乳液形成的影响，实验结果如表5所示。

从表5中可以看出，当引发剂浓度为大于等于0.14‰时，聚合反应进行可顺利进行，且稳定性好。因此，综合考虑，采用的引发剂浓度为0.14‰。

表5 不同浓度引发剂对聚合物乳液形成的影响

4)单体配比对聚合物乳液性能的影响

单体的用量和配比直接影响聚合物的分子量和阳离子度。固定丙烯酰胺的用量，改变阳离子单体(甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC))的量得到一系列的聚合物乳液，实验结果如表6所示。

表6 阳离子单体量对聚合物乳液性能的影响

从表6中可以看出，当阳离子单体含量由1∶10增加到1∶8时，随阳离子含量增加，聚合物乳液的净水能力逐渐增强；当阳离子的含量增加到1∶7后，乳液难以合成，其净水能力也随之失去。因此，综合考虑，丙烯酰胺与阳离子单体的摩尔比为9∶1。

3 结论

1)室内合成了水溶液聚合和水包水乳液聚合两种聚丙烯酰胺型净水剂，并对两种净水剂的合成条件进行优化。2)对水溶液聚合反应条件研究表明，采用程序升温的方法，在通氮除氧、不同反应时间和不同反应单体配比的条件下，合成的净水剂没有达到污水处理的除油率要求。3)对水包水乳液形成条件的研究表明，采用质量浓度为35%硫酸铵溶液作为盐析剂，在引发剂浓度为0.14‰，丙烯酰胺与阳离子单体的摩尔比为9:1的条件下，合成的净水剂效果好，达到现场要求。