聚丙烯酰胺化学降解方法研究

王鹏 朱荣菊

摘      要：随着聚合物驱油在油田上的广泛应用，在原油开采工程中，采出液中聚丙烯酰胺的含量不断增加，这就使得采出液黏度以及乳化程度增大，对于石油的开采及开采设备造成影响。研究了亚铁离子、S₂O₈^-2离子以及两种离子的复配体系对聚丙烯酰胺的化学降解效果，通过实验考察了实验条件（实验温度、实验时间、溶液pH值以及聚合物浓度）的变化对聚丙烯酰胺的降解效果的影响。实验结果显示，在溶液pH值小于5.9，实验温度超过40，实验时间越长以及聚丙烯酰胺浓度超过990 ppm时，对于聚丙烯酰胺的降解程度较大。

关  键  词：聚丙烯酰胺;化学降解;复配体系

中图分类号：TQ 031       文献标识码： A       文章编号： 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，聚合物驱在现场应用十分广泛，因此为了提高油田采收率，聚丙烯酰胺成为了一种重要的物质^[1，2]。但是随着聚合物的不断注入，产生了大量的含有聚丙烯酰胺的含油污水。这既污染了水质，给人类以及生态环境带来了破坏，又增大了采出液的黏度，影响油田实际采出程度。因此聚丙烯酰胺的化学降解是当前油田处理采出液的一种重要手段^[3，4]。在处理的过程中，这种方法可以净化水质，改善采出液的流动状况以及对一些聚合物堆积的地方进行解堵。本实验考察了亚铁离子与S₂O₈^-2离子的复配体系在一些反应条件改变的情况下^[5-8]，对聚丙烯酰胺降解效果的影响，为油田的实际生产提供理论依据。

1  实验部分

1.1  仪器和材料

（1）仪器：电动搅拌机，旋转黏度计，恒温器，PHS-2型酸度计，恒温自动干燥器，电光分析天平，红外快速干燥器，电热恒温水浴锅。

（2）材料：美国生产水解度32%，分子量为

1 000万的部分水解聚丙烯酰胺，分析純FeSO₄·7H₂O和Na₂SO₃，分子质量分别为278.14，126.15以及分子量为228.02的（NH₄）₂S₂O₈。

1.2  实验药品配制

1.2.1  矿化水的制备

由于聚丙烯酰胺的分子延展性随着溶液矿化度的改变而发生变化（当溶液矿化度增加时，聚丙烯酰胺的黏度会降低），因此为了避免矿化度不同导致的聚丙烯酰胺黏度的改变，在配置聚丙烯酰胺水溶液的时候，要使用之前配制好的矿化水。

配制方法：利用天平分别称取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。称量完药品之后依次倒入盛有蒸馏水的烧杯中，利用搅拌机搅拌20 min，之后加入蒸馏水稀释至6 000 mL。

1.2.2  聚丙烯酰胺水溶液的制备

固体的聚丙烯酰胺在冷水中的溶解速度取决于很多因素。在制备聚丙烯酰胺水溶液时，应该边搅拌边将聚丙烯酰胺固体慢慢加入上述矿化水中，以免产生大颗粒聚集成沉淀，影响实验效果。

配制方法：利用搅拌器逐渐提高转速将称量好的矿化水搅拌出旋涡，然后将用天平称量好的聚丙烯酰胺沿着烧杯壁撒在旋涡边缘，保持此转速搅拌2 min，之后降低转速搅拌20 min以确保聚合物能够完全溶解。

1.2.3  Fe²⁺溶液的制备

（1）称量FeSO₄·7H₂O晶体5.023 7 g。

（2）量取约20 mL矿化水倒入小烧杯中，利用PHS-2型酸度计将溶液pH值调至3左右。

（3）将（1）中称量的FeSO₄·7H₂O晶体倒入小烧杯中，并用干净的玻璃棒搅拌，之后将液体倒入100 mL容量瓶中。为了减少误差，确保烧杯壁及容量瓶壁上基本没有离子剩余，多次向小烧杯中倒入10 mL矿化水冲洗小烧杯，以及使用小部分矿化水冲洗容量瓶壁，最后使用矿化水定容至100 mL。

1.2.4  Fe²⁺溶液的制备

（1）称量（NH₄）₂S₂O₈固体1.187 5 g。

（2）同Fe²⁺溶液的配制（2）（3）步。

1.3  方法与说明

因为部分水解聚丙烯酰胺经过化学降解后，相对分子质量减少，其黏度会降低，所以利用上述黏度计测定其黏度，再利用黏度计仪器的读数a计算出降黏百分数。其中，该实验中，黏度计转子转速为25 r/min，剪切速率为140.5 s^-1。实验中的聚丙烯酰胺水溶液浓度为0.15%，黏度计读数为6。

2  结果与讨论

2.1  Fe²⁺溶液与S₂O₈^2-溶液单独降解效果比较

2.1.1  Fe²⁺溶液单独降解

在其他实验条件不变（pH=7.9，反应温度为40 ℃，反应时间为1 h）的情况下，改变亚铁离子的浓度，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表1、图1。

从表1以及图1的数据可以看出，随着亚铁离子浓度的增加，黏度计示数不断减小，黏度降低百分数也逐渐增大，降解效果也越好。当亚铁离子的浓度超过25 ppm时，我们可以看到溶液黏度基本保持不变，黏度降低百分数稳定在72.8%。所以，在之后的实验中，可以使得亚铁离子的浓度维持在25 ppm，这时的黏度降低百分数为72%。

2.1.2  S₂O₈^2-溶液单独降解

在其他实验条件不变（pH=7.9，反应温度为40 ℃，反应时间为1 h）的情况下，改变S₂O₈^2-离子的浓度，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表2、图2。

从表2、图2可以得到，溶液的黏度降低百分数先增加后降低最后保持不变。当S₂O₈^2-离子的浓度小于69.9 ppm时，随着其浓度的增加，溶液的黏度降低百分数逐渐增大;当S₂O₈^2-离子的浓度高于69.9 ppm时，随着其浓度的增加，溶液的黏度降低百分数略有降低之后不变。所以当S₂O₈^2-离子的浓度大约为69.9 ppm时，黏度降低百分数达到了69.9%。

从上述两个实验可以看出，进行单一离子降解的黏度降低百分数只能达到70%左右，因此对于我们对亚铁离子与S₂O₈^2-离子进行复配，做出以下实验。

2.2  采用Fe²⁺與S₂O₈^2-的复配体系

2.2.1  在复配体系中两种离子单独降解效果

（1）在亚铁离子浓度（9.9 ppm）与其他实验条件不变（pH=7.9，反应温度为40 ℃，反应时间为1 d）的情况下，改变S₂O₈^2-离子的浓度，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表3。

（2）在S₂O₈^2-离子浓度（69.9 ppm）与其他实验条件不变（pH=7.9，反应温度为40 ℃，反应时间为1 d）的情况下，改变亚铁离子的浓度，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表4。

由表3、表4可以看出，这两种降解剂的降解效果都随着浓度的增加而发生变化，其中有一个最适合降解的浓度，亚铁离子的浓度大约为9.9 ppm，S₂O₈^2-离子的浓度大约为69.9 ppm。因此，大致可以确定亚铁离子与S₂O₈^2-离子的复配浓度分别为9.9，69.9 ppm时，对于聚丙烯酰胺的降解最有效。

2.2.2  实验中溶液pH值对降解的影响

在亚铁离子与S₂O₈^2-离子浓度（9.9，69.9 ppm）与其他实验条件不变（反应温度为40 ℃，反应时间为1 d）的情况下，改变溶液的pH值，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表5、图3。

根据图3得出，聚丙烯酰胺的降解效果随着溶液pH值的增加而逐渐减小至不变。当聚丙烯酰胺溶液pH值低于6.9时，随着pH值的增加，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分数逐渐减小，当聚丙烯酰胺溶液pH值高于6.9时，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分数稳定于一个值85.8%。

2.2.3  实验温度对降解的影响

在亚铁离子与S₂O₈^2-离子浓度（9.9，69.9 ppm）与其他实验条件不变（pH值为4.9，反应时间为2 h）的情况下，改变实验温度，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表6。

根据表6可以发现，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分数随实验温度的升高而变大。当温度为94.5 ℃时，黏度降低百分数达到97.1%。而当温度为40.5 ℃时，黏度降低百分数达到84.8%，这比亚铁离子与S₂O₈^2-离子在40.5 ℃单独降解时分别提高了40%，10%。这说明了，亚铁离子与S₂O₈^2-离子复配体系不需要使用那么高的温度。

2.2.4  实验时间对降解的影响

在亚铁离子与S₂O₈^2-离子浓度（9.9，69.9 ppm）与其他实验条件不变（pH值为4.9，反应温度为40 ℃）的情况下，改变实验时间，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表7。

根据表7，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分数随实验时间的推持逐渐变大最后趋于不变。在其他条件不变只改变实验时间的情况下，当实验时间持续两天时，聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分数为94.5%。当实验时间为10 min到120 min时，黏度降低百分数从82.9%增加到84.9%，这表明了亚铁离子与S₂O₈^2-离子复配体系在实验开始的时候降解作用就开始了。

2.2.5  聚丙烯酰胺溶液的浓度对降解的影响

在亚铁离子与S₂O₈^2-离子浓度（9.9，69.9 ppm）与其他实验条件不变（pH值为4.9，反应温度为40 ℃，反应时间为1 h）的情况下，改变聚丙烯酰胺溶液的浓度，观察聚丙烯酰胺的降解效果，如表8。

根据表8发现，在其他条件不变只改变聚丙烯酰胺溶液的浓度的情况下，黏度降低百分数对不同浓度有不同的变化，大体趋势为先减小后增大在减小，但是都超过了89.9%，降黏效果明显。

经过以上实验可以得到：亚铁离子与S₂O₈^2-离子复配体系的降黏效果比他们其中一种的单独降黏效果要好。亚铁离子与S₂O₈^2-离子复配体系的优点有：反应时间短，对聚丙烯酰胺的降解程度高，在周围环境条件改变的时候对于他影响不大。

3  结论

研究了亚铁离子与S₂O₈^2-离子降解聚丙烯酰胺复配体系，证实了亚铁离子与S₂O₈^2-离子复配体系的降黏效果要比他们其中一种的单独降黏效果还要好。该复配体系具有反应时间短，对聚丙烯酰胺的降解程度高，周围环境条件对其影响不大的优点。当亚铁离子的浓度为9.9 ppm，S₂O₈^2-离子的浓度为69.9 ppm，聚丙烯酰胺溶液的pH值为4.9，实验温度为40 ℃，实验时间为2 d时， 聚丙烯酰胺溶液的黏度降低百分数达到了94.5%，这对油田的实际生产有着一定的参考价值。

参考文献：

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